一种集料颗粒CT扫描装样装置及方法与流程

一种集料颗粒ct扫描装样装置及方法
技术领域
1.本发明涉及土木工程集料颗粒三维成像技术领域，尤其涉及一种集料颗粒ct扫描装样装置及方法。


背景技术：

2.集料是沥青混合料、水泥混凝土等颗粒性建筑材料的重要组成部分，而铁路道砟本身就是集料，可知集料作为颗粒性材料在土木工程领域中发挥着举足轻重的应用。颗粒性材料的力学行为特性除了受集料本身强度的影响，其几何特性对材料的技术性能也存在着重要影响。
3.集料的形态学特性可分为形状、棱角及纹理三个尺度，但是当前集料的形态学评价方法主要针对的是集料的二维情形，如aims、masca等，其反映的只是集料某个投影方向的形态学特性，不能表征集料在“真三维”状况下的形态学特性。
4.集料三维形态学评价的关键是获取集料的三维轮廓并提出相应的评价指标。
5.x
‑
ray ct与三维扫描仪是当前主流的三维建模方法，相较于三维扫描仪，x
‑
ray ct具有更高的建模效率，但是采用直接将集料颗粒放入容器中进行扫描建模时，图像会出现集料颗粒粘连的特性增加了图像处理的复杂度。
6.此外，随着计算机技术、云计算、边缘计算等技术的发展，3d打印与数字化设计已成为当前的研究热点，其中集料的数字化建模便是基础性技术。
7.为此，本发明提出可用于集料颗粒ct扫描的辅助装置及三维建模方法，可精确、高效地实现集料的三维重构，可为集料的真三维形态学评价及颗粒性材料的3d打印与数字化设计提供基础。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种操作简便、精确、高效的集料颗粒ct扫描装样装置及方法。
9.本发明可精确、高效地实现集料的三维重构，可为集料的真三维形态学评价及颗粒性材料的3d打印与数字化设计提供基础。
10.本发明通过下述技术方案实现：
11.一种集料颗粒ct扫描装样装置，包括：基座4，以及位于基座4上的防倾覆套筒1；
12.在防倾覆套筒1内，自下而上设置有多层相互间隔的分隔板2，每层分隔板2之间由多根支撑杆3支撑固定；
13.分隔板2放置用于ct扫描的集料颗粒。
14.所述防倾覆套筒1形状为圆形或者矩形；
15.所述分隔板2的形状与防倾覆套筒1的截面形状相适配。
16.所述支撑杆3的形状为圆形柱体或矩形柱体。
17.所述防倾覆套筒1的内径(对角线)略大于分隔板2的直径(对角线)并小于基座4的
直径(对角线)。
18.当分隔板2上放置有集料颗粒时，支撑杆3的高度略大于集料颗粒的最大高度。
19.同层分隔板2之间的支撑杆3的高度相同。
20.所述防倾覆套筒1、分隔板2、支撑杆3、基座4为轻质材料，其密度与用于ct扫描的集料密度的差异较大，可为木材、泡沫、塑料或亚克力材质，不能为金属材料。
21.一种三维建模方法，通过所述集料颗粒ct扫描装样装置实现：
22.步骤一：使用粘接材料将清洗洁净且干燥的集料颗粒粘接在分隔板2上，各集料颗粒之间不接触；集料颗粒粘接完成后，将三个或以上数量的支撑杆3的下端粘结在分隔板2上表面，并使支撑杆3在分隔板2的周缘表面均等分布；
23.步骤二：根据目标扫描集料颗粒的数量及层数，按照步骤一的堆叠方式，逐层搭建试件，直至试件搭建至所需层数；
24.步骤三：将步骤二中堆叠后的试件套入防倾覆套筒1内；防倾覆套筒1的下端放置或者粘结在基座4的上表面，以防止试件倾覆；
25.步骤四：将整个试件放置在工业ct载物台上，试件放置稳定后，根据工业ct的最大功率或者电压值，选择将防倾覆套1取下或保留，接着使用工业ct对试件进行断层扫描；
26.步骤五：获取试件断层扫描图像后，采用图像处理算法识别图像中支撑杆3或防倾覆套筒1直径或者对角线的长度l，根据支撑杆3或者防倾覆套筒1直径或者对角线的真实长度l
real
计算像素的真实尺寸，实现ct图像像素的标定，计算公式如下：
[0027][0028]
其中：l为支撑杆3或防倾覆套筒1直径或对角线的长度；
[0029]
l
real
为支撑杆3或防倾覆套筒1直径或对角线的真实长度；
[0030]
res为像素的真实尺寸；
[0031]
步骤六：使用非局部均值滤波器对集料ct图像进行滤波处理，采用阈值分割算法对集料图像进行二值分割；
[0032]
步骤七：使用边界识别算法识别二值ct图像中的集料边缘位置及坐标，将坐标乘以步骤五得到的像素真实尺寸res，得到集料颗粒真实轮廓坐标并使用表面重构算法实现集料颗粒的三维建模。
[0033]
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
[0034]
1、本发明采用分层分隔板的设计结构，能实现多集料颗粒及不同粒径集料的成像，提高了集料的建模效率。
[0035]
2、本发明装样装置，组装拆卸方便，可根据不同应用需求，随时组件，无需特殊零件，场地等。
[0036]
3、本发明设计简单合理便于操作，便于推广，可为集料三维形态学评价、3d打印及颗粒性材料数字化设计提供基础数据。
[0037]
4、本发明所有部件取材容易，造价低廉。
附图说明
[0038]
图1为本发明集料颗粒ct扫描装样装置结构示意图。
[0039]
图2为集料颗粒二值图像。
具体实施方式
[0040]
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
[0041]
实施例
[0042]
如图1
‑
2所示。本发明公开了一种一种集料颗粒ct扫描装样装置，包括：基座4，以及位于基座4上的防倾覆套筒1；
[0043]
在防倾覆套筒1内，自下而上设置有多层相互间隔的分隔板2，每层分隔板2之间由多根支撑杆3支撑固定；分隔板2放置用于ct扫描的集料颗粒。
[0044]
所述防倾覆套筒1形状为圆形或者矩形；所述分隔板2的形状与防倾覆套筒1的截面形状相适配，当然根据实际应用情况，也可以是其他形状。
[0045]
所述支撑杆3的形状为圆形柱体或矩形柱体，当然根据实际应用情况，也可以是其他形状。
[0046]
所述防倾覆套筒1的内径(对角线)略大于分隔板2的直径(对角线)并小于基座4的直径(对角线)。
[0047]
当分隔板2上放置有集料颗粒时，支撑杆3的高度略大于集料颗粒的最大高度，以保证集料颗粒不与上层分隔板2底面接触。
[0048]
同层分隔板2之间的支撑杆3的高度相同，然而层与层之间的高度可以有差异，具体高度根据不同大小的集料颗粒而定。
[0049]
所述防倾覆套筒1、分隔板2、支撑杆3、基座4为轻质材料，其密度与用于ct扫描的集料密度的差异较大，可为木材、泡沫、塑料或亚克力材质，不能为金属材料。
[0050]
本发明实施例，所用防倾覆套筒1为上下贯通的圆筒，内径为114mm，外径为120mm，高度为200mm；分隔板3与基座4均呈圆盘状，直径分别为110mm、140mm，厚度均为2mm；防倾覆套筒1与基座4的材质为亚克力，分隔板2的材质均为瓦楞板；支撑杆3为高度为22mm，直径为7mm的圆柱状塑料。
[0051]
本发明三维建模方法，通过下述步骤实现：
[0052]
步骤一：使用粘接材料将清洗洁净且干燥的集料颗粒粘接在分隔板2上，各集料颗粒之间不接触；集料颗粒粘接完成后，将三个或以上数量的支撑杆3的下端粘结在分隔板2上表面，并使支撑杆3在分隔板2的周缘表面均等分布；
[0053]
步骤二：根据目标扫描集料颗粒的数量及层数，按照步骤一的堆叠方式，逐层搭建试件，直至试件搭建至所需层数；
[0054]
步骤三：将步骤二中堆叠后的试件套入防倾覆套筒1内；防倾覆套筒1的下端放置或者粘结在基座4的上表面，以防止试件倾覆；
[0055]
步骤四：将整个试件放置在工业ct载物台上，试件放置稳定后，根据工业ct的最大功率或者电压值，选择将防倾覆套1取下或保留，接着使用工业ct对试件进行断层扫描；扫描完成后使用vg studio max 2.0软件进行ct图像的重构。
[0056]
步骤五、利用步骤四重构得到的ct图像，采用hough变换算法识别支撑杆3外边缘的圆形，并计算圆形的直径，本实施例识别得到圆形的直径为46，根据支撑杆真实的直径7mm可得到像素的真实尺寸为0.1522mm。
[0057]
步骤六、使用非局部均值滤波器对集料ct图像进行处理滤波处理，使用阈值分割算法对图像进行二值分割。
[0058]
步骤七、使用边界识别算法识别二值ct图像中的集料边缘位置及坐标，将坐标乘以上述步骤五得到的像素真实尺寸0.1522mm，得到集料颗粒真实轮廓坐标并使用表面重构算法实现集料颗粒的三维建模，建模完成后，即可将进行集料三维形态学评价、3d打印及颗粒性材料的数字化仿真与设计。
[0059]
本发明实施例使用粒径为16mm的石灰岩集料进行试验，所用的x
‑
ray扫描仪为yxlon公司生产的compact
‑
225型工业ct。
[0060]
如上所述，便可较好地实现本发明。
[0061]
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。