一种集料三维形态特征快速测量装置及表征方法与流程

[0001]
本发明属于道路路面材料研究技术领域，特别涉及一种集料三维形态特征快速测量装置及表征方法。


背景技术：

[0002]
我国公路建设正处在一个快速发展的阶段，集料是公路建设中需求量最大也是最重要的材料之一，在工程建设中，也是把集料质量作为关键的环节进行控制。集料的一个重要来源是石料厂，当前国内很少有大型的标准化石料厂，较多的是生产质量参次不齐的小规模个体经营户，这些小的石料厂所用的碎石机基本是颚式破碎机和圆锥式破碎机，缺少冲击破整形设备和大型的除尘设备，生产出粉尘多、级配不稳定、针片状含量超标、少棱角等质量差的集料。
[0003]
集料的几何特征，包括形状、棱角、表面纹理，显著地影响着沥青混合料的路用性能。如果针片状集料含量过多，集料容易被压碎，易引起沥青混合料级配退化和性能衰减，导致路面出现坑槽、车辙等病害；粗集料的棱角性对沥青混合料形成骨架嵌挤结构是至关重要的，能确保粗集料之间具有较大的内摩擦角；粗集料的表面纹理越粗糙，有利于沥青的裹覆，形成厚度均匀的沥青膜，增加集料之间的粘结力，沥青混合料的结构越稳定。
[0004]
目前，作为规范性试验方法，常采用游标卡尺测量粗集料的最大长度和最小厚度，用以判别粗集料的形状是否为针片状，采用细集料流动时间测定仪测定细集料流出漏斗的时间，用以评价细集料的棱角性。这些测量方法不能准确评价集料的形状、棱角与表面纹理特征，且测量过程耗时、耗力，测量结果主观性影响较大。近些年，许多研究人员开始采用数字图像处理技术获取集料的几何特征信息，通过数码相机获取集料的二维图像，但是，仅提供集料的二维形态特征信息而无法描述集料完整的三维形态特征。为此，本发明设计了一种集料三维形态特征快速测量装置，在此基础上提出了集料三维形态的表征方法，解决我国目前尚没有快速准确的方法评价粗集料实际三维形态特征的问题。


技术实现要素：

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本发明要解决的技术问题是提供一种快速准确、操作简单、稳定可靠地能够在室内对集料形态特征进行测试的装置，以及提出试验结果重复性高、准确客观、与路用性能相关性高的集料形态特征表征方法。
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为解决上述技术问题，本发明提供以下的技术方案：
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本发明提供了一种集料三维形态特征快速测量装置及表征方法，包括集料三维形态特征快速测量装置，
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所述集料三维形态特征快速测量装置包括光照系统、图像采集系统、驱动系统、联动系统和集料测试平台。
[0009]
所述光照系统设置为阵列led灯。
[0010]
所述图像采集系统包括高速摄像机、数据传输线和带有图像处理分析软件的电
脑。
[0011]
所述驱动系统包括上位机、通信模块、控制模块和步进电机。
[0012]
优选的，所述光照系统设置在密闭暗箱的侧壁上，位于所述光照系统对侧方向的所述密闭暗箱的侧壁上设置有图像采集系统，在所述光照系统和所述图像采集系统之间为集料测试平台，背景白幕固定在高速摄像机和集料测试平台之间。
[0013]
优选的，所述集料测试平台包括3层旋转台，每层所述旋转台上方连接着轴筒，转轴通过铰链与轴筒相连，凹槽固定在转轴上，用于放置被测集料。
[0014]
优选的，所述凹槽设置为高透光的pmma有机玻璃。
[0015]
优选的，所述驱动系统为集料测试平台提供运动动力，上位机通过通信模块接收步进电机运动反馈信号，并根据反馈的信号对控制模块发出控制命令，实现精确的运动控制和运动状态监视。
[0016]
优选的，1个所述步进电机通过传输轴承驱动1层旋转台，每层旋转台设置3个联动机构，联动机构由锥齿轮和连接固件组成，通过联动机构将步进电机垂直向转动改变成水平向转动，实现集料测试平台上所有被测集料按照设定的固定速率同时进行水平旋转。
[0017]
优选的，还包括表征实验方法，所述表征实验方法包括以下步骤：
[0018]
s1：将干燥的被测集料分别安放在集料测试平台的凹槽中间，保持集料稳定不动；
[0019]
s2：打开光照系统和图像采集系统，调试高速摄像机的位置、放大倍数和焦距，使拍摄的集料图像清晰；
[0020]
s3：打开驱动系统，根据测试时间设定集料的旋转速度，然后，根据图像采集数量设置高速摄像机的拍摄频率；
[0021]
s4：启动装置开始测量，图像采集系统连续获取集料各个方向的图像，测量过程中不得有振动和晃动；
[0022]
s5：测量结束后，将采集的图像传输到图像分析软件中，图像分析软件按照预设的集料区域对图像进行分区并二值化，从而获得所有目标集料的二值图像；
[0023]
s6：通过图像分析软件测量得到集料不同方向的形态特征参数，然后，按照下面公式计算集料的三维棱角指数与球度用以表征集料的三维棱角性和形状。三维棱角指数定义为集料周长与等效椭圆周长的比值按照面积进行加权，其比值越大表示集料的三维棱角性越好。球度定义为集料短轴长和次轴长之积与集料长轴长的比值的三次根号，球度结果取值范围为0-1，其越接近于1表示集料三维形状越近似于球状；
[0024]
s7：三维棱角指数：
[0025]
s8：其中，n为被测集料(3)的图像数量，pti为集料图像实际周长，pte为集料图像等效椭圆周长，ati为集料图像的实际面积；
[0026]
s9：球度：
[0027]
s10：其中：ds为集料短轴长，di为集料次轴长，dl为集料长轴长。为了获取集料的长轴长与次轴长，将集料投影图像中的各个像素点看作为向量x＝(a,b)t，其中a和b是与x、
y轴有关的坐标值，通过这些向量组成所有像素点的协方差矩阵，并计算协方差矩阵的特征向量，然后，利用特征向量计算经过集料二维图像中心点的长轴与次轴的长度。
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本发明有益效果
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本发明提出集料的三维棱角指数与球度指标用以表征集料的三维棱角性和形状，从而可以实现快速准确测量评价集料的三维形态特性。
附图说明
[0030]
图1为本发明实施例中测试装置的结构示意图。
[0031]
图2为本发明实施例中集料测试平台的结构示意图。
[0032]
图3、图4为本发明实施例中驱动系统示意图。
[0033]
附图标记说明：1、密闭暗箱；2、阵列led灯；3、被测集料；4、集料测试平台；4-1、旋转台；4-2、转轴；4-3、轴筒；4-4、支撑杆；4-5、传输轴承；4-6、凹槽；5、背景白幕；6、高速摄像机；7、数据传输线；8、电脑。
具体实施方式
[0034]
下面将结合本发明的实施例中的附图，对本发明的实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0035]
实施例
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本发明提供了一种集料三维形态特征快速测量装置及表征方法，包括集料三维形态特征快速测量装置，该测试装置包括密闭暗箱1，在密闭暗箱1内设置光照系统，光照系统设置为阵列led灯2，所述光照系统设置在密闭暗箱1的侧壁上，位于所述光照系统对侧方向的所述密闭暗箱1的侧壁上设置有图像采集系统，在所述光照系统和所述图像采集系统之间为集料测试平台4，背景白幕5固定在高速摄像机6和集料测试平台4之间，用于高速摄像机6获取清晰的集料图像，所述图像采集系统包括高速摄像机6、数据传输线7和带有图像处理分析软件的电脑8。
[0037]
如图2所示，集料测试平台4包括3层旋转台4-1，每层旋转台4-1上方连接着轴筒4-3，转轴4-2通过铰链与轴筒4-3相连，凹槽4-6固定在转轴4-2上，用于放置被测集料3，凹槽4-6是高透光的pmma有机玻璃。集料测试平台4通过支撑轴4-4固定在密闭暗箱1中。
[0038]
本装置采用的高速摄像机6可以连续快速拍摄集料在运动过程中的清晰图像，其参数如下表所示。
[0039][0040]
如图3所示，本发明使用驱动系统为集料测试平台4提供运动动力，驱动系统包括上位机，上位机上连接有3个通信模块，每个通信模块分别连接1个控制模块和1个步进电机。上位机通过通信模块接收步进电机运动反馈信号，并根据反馈的信号对控制模块发出控制命令，从而实现精确的运动控制和运动状态监视。
[0041]
如图4所示，本发明通过联动系统实现集料测试平台4的运转，1个步进电机通过传输轴承4-5驱动1层旋转台4-1，每层旋转台4-1设置3个联动机构，联动机构由锥齿轮和连接固件组成，通过联动机构将步进电机垂直向转动改变成水平向转动，从而实现集料测试平台4上所有被测集料3按照设定的固定速率同时进行水平旋转。
[0042]
上述集料三维形态特征快速测量装置还包括表征实验方法，所述表征实验方法包括以下步骤：
[0043]
s1：将干燥的被测集料3分别安放在集料测试平台4的凹槽4-6中间，保持集料稳定不动。
[0044]
s2：打开光照系统和图像采集系统，调试高速摄像机6的位置、放大倍数和焦距，使拍摄的集料图像清晰；
[0045]
s3：打开驱动系统，根据测试时间设定集料的旋转速度，然后，根据图像采集数量设置高速摄像机6的拍摄频率；
[0046]
s4：启动装置开始测量，图像采集系统连续获取集料各个方向的图像，测量过程中不得有振动和晃动；
[0047]
s5：测量结束后，将采集的图像传输到图像分析软件中，图像分析软件按照预设的集料区域对图像进行分区并二值化，从而获得所有目标集料的二值图像；
[0048]
s6：通过图像分析软件测量得到集料不同方向的形态特征参数，然后，按照下面公式计算集料的三维棱角指数与球度用以表征集料的三维棱角性和形状。三维棱角指数定义为集料周长与等效椭圆周长的比值按照面积进行加权，其比值越大表示集料的三维棱角性越好。球度定义为集料短轴长和次轴长之积与集料长轴长的比值的三次根号，球度结果取值范围为0-1，其越接近于1表示集料三维形状越近似于球状；
[0049]
s7：三维棱角指数：
[0050]
s8：其中，n为被测集料3的图像数量，pti为集料图像实际周长，pte为集料图像等效椭圆周长，ati为集料图像的实际面积；
[0051]
s9：球度：
[0052]
s10：其中：ds为集料短轴长，di为集料次轴长，dl为集料长轴长。为了获取集料的长轴长与次轴长，将集料投影图像中的各个像素点看作为向量x＝(a,b)t，其中a和b是与x、y轴有关的坐标值，通过这些向量组成所有像素点的协方差矩阵，并计算协方差矩阵的特征向量，然后，利用特征向量计算经过集料二维图像中心点的长轴与次轴的长度。
[0053]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。