一种用于精准控温的冻土CT扫描装置及方法与流程

一种用于精准控温的冻土ct扫描装置及方法
技术领域
1.本发明涉及力学实验技术领域，特别涉及一种用于精准控温的冻土ct扫描装置及方法。


背景技术：

2.冻土是相对复杂的综合地质体，随外界环境的热扰动而产生敏感的响应。作为工程构筑物的地基，热扰动的影响必将导致工程稳定性发生变化。高寒高海拔地区自然环境恶劣，分布着大片连续和不连续多年冻土，对公路的建设和安全运营带来巨大挑战，冻土问题严重制约着西部地区高速公路的发展。冻土宏观力学响应通常与基质裂纹、孔隙等细观尺度相互联系，细观裂隙的形成、扩展、断裂及相互作用又是导致宏观裂纹形成的主要原因，故而应用检测手段探明冻土细观损伤演化机理，有利于开展宏观尺度和工程尺度的分析，对于冻土路基病害的破坏机理探究将提供重要的基础数据。ct作为一种无损检测技术以广泛用于土体细观损伤特性及扩展过程的识别，是用x射线束对被测物体的层面进行扫描，由探测器接收透过该层面的x射线，转变为可见光后，由光电转换变为电信号，再经模拟/数字转换器转为数字，输入计算机处理分析。
3.开展冻土细观基础理论研究，提供特定的低温环境对于细观损伤演化行为研究显得及其重要。问题一：现有的冻土ct扫描，大部分测试是样本在低温环境箱冻结后，应用ct快扫进行，粗略认为是某冻结温度下的ct扫描结果，但在扫描过程中，冻土样品以发生热交换，部分细观结构以改变，对于原状样品的影响会更大。问题二：传统的ct扫描协同降温方式采用恒温水浴来实现，而ct扫描是穿透物体通过密度识别来进行分析，恒温水浴将不可避免的对可视化扫描产生效果影响。问题三：低温环境的温度控制精度不准确。冻土是一种由土颗粒、空气、水、冰组成的四相体，温度的微弱改变都会对冻土的细观结构产生较大的影响，同时自然界的冻土所处环境及其复杂，温度涉及0℃到-80℃，设备精准控温将是开展冻土扫描的前提。问题四：可以实现低温ct扫描的部分设备，依旧存在着局部降温现象，这依旧将会对冻土细观结构产生影响，这是由于当冻土存在温度梯度时，土中水将由势能高处向势能低处转移，极易发生水分迁移现象，致使初始均匀分布含水率的冻土形成冻结缘、冻结锋面、冰透镜体，该现象将会造成机理分析研究出现错误。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述冻土样品冷冻时细观结构发生改变，ct扫描结果受影响的不足，提供一种用于精准控温的冻土ct扫描装置及方法，能够为冻土细观研究提供准确的基础试验条件，采用预冷和终冷方式组合进行制冷，同步温控调节冷源速度以达到高精度低温环境，避免冻土样品内结构发生改变，消除对ct扫描的影响，能够得到更真实的扫描结果，为后续的研究提供准确无误的基础数据。
5.为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
6.一种用于精准控温的冻土ct扫描装置，其装置包括射线源、探测器、主体和扫描
仓，主体设在射线源和探测器之间，主体和扫描仓能够被射线穿透，主体内设有空腔，扫描仓设在空腔内，扫描仓内用于放置冻土样品，扫描仓外壁和主体内壁之间为内腔，扫描仓和内腔分别连接有用于冷源循环的管道，扫描仓内还设有用于探测温度的测温装置。
7.通过将扫描仓设在主体内，在主体内部形成内腔和扫描仓，通过管道将冷源提供给内腔，能够使扫描仓内的冻土样品均匀进行预冷，再通过管道将冷源提供给扫描仓，进而对冻土样品进行冷源循环式冷冻，提供了预冷和终冷两种协同制冷方式，使冻土样品所处环境整体进行降温，最大程度降低了对冻土的干扰，能够避免实验时冻土样品与外界发生热交换，消除冻土样品的水分迁移现象，避免冻土样品内结构发生改变，消除对ct扫描的影响，能够得到更真实的扫描结果，为冻土细观损伤行为的判定提供依据。
8.在本发明较佳的实施方案中，上述用于冷源循环的管道包括进口管和出口管，进口管、出口管的一端分别连接冷浴系统，进口管、出口管的另一端分别连接主体并延伸至扫描仓内，进口管在内腔和扫描仓分别设有提供冷源的进口，出口管在内腔和扫描仓分别设有回流冷源的出口，进口管位于出口管上方，进口管在扫描仓内的冷源出口朝上开设；通过进口管和出口管的设计，能够分别为内腔和扫描仓提供冷源，通过进口管的冷源出口设置，避免冷源直吹冻土样品，通过进口管和出口管的上下设置，使得冷气从上到下运动，热气从下到上运动，在扫描仓内形成有效的冷源循环。
9.在本发明较佳的实施方案中，上述主体设有绝热材料层或主体由绝热材料制成，扫描仓设有导热材料层或扫描仓由导热材料制成；通过绝热材料的设置，能够减少或避免冷量的耗散，在内腔中提供稳定的预冷温度，通过导热材料的设置，能够使内腔中的冷量快速导入扫描仓内，实现短时间对扫描仓内的整体降温，有效避免了冻土样品产生水分迁移，减小对后期的细观分析影响。
10.在本发明较佳的实施方案中，上述进口管上设有压力阀和流量控制减压器；通过压力阀和流量控制减压器，能够对进口管提供的冷量进行调节，确保压力和流量稳定，保证冷量处于合适的范围，实现冷量和温度的精准控制。
11.在本发明较佳的实施方案中，上述扫描仓内壁还设有遍布内壁的散热片；通过散热片能够迅速将内腔传递的冷量导入扫描仓，实现最大程度的制冷效率。
12.在本发明较佳的实施方案中，上述测温装置包括内部测温计和热成像仪；通过内部测温计和热成像仪，能够对扫描仓内部的温度进行测量，将扫描仓内温度及时反馈给流量控制减压器以进行同步调整，能够实时进行控制。
13.在本发明较佳的实施方案中，上述进口管在内腔的冷源进口处设有一号电子开关，进口管在扫描仓的冷源出口处设有二号电子开关；出口管在内腔的冷源进口处设有三号电子开关，出口管在扫描仓的冷源出口处设有四号电子开关；通过四个电子开关的设置，能够分别对内腔和扫描仓内的进口管冷源出口和出口管的回流冷源出口进行开关调节，实现内腔内冷源提供和扫描仓内冷源提供独立进行。
14.在本发明较佳的实施方案中，上述主体外部的进口管设有入口测温计，主体外部的出口管设有出口测温计；通过入口测温计能够实时监测进口管处的冷源温度，通过出口测温计能够实时监测出口管处的冷源温度，从而确保冷量维持在恒定范围。
15.在本发明较佳的实施方案中，上述进口管和出口管分别采用两根，一根进口管和一根出口管分别连接至内腔，另一根进口管和另一根出口管分别连接至扫描仓；通过将连
接内腔和连接扫描仓的进口管和出口管分别设置，能够将提供给内腔的冷源通道和提供给扫描仓的冷源通道分开，独立进行设置，提供不同的冷源选择。
16.一种用于精准控温的冻土ct扫描方法，采用上述的用于精准控温的冻土ct扫描装置，扫描仓内设有放置冻土样品的载物台，扫描方法包括以下步骤：
17.s1、将初始状态的冻土样品安放在载物台上，将主体位置调节在射线源和探测器之间，调整扫描仓在主体内居中，将进口管、出口管分别与冷浴系统连接，装置安装完毕；
18.s2、打开一号电子开关、三号电子开关，关闭二号电子开关、四号电子开关，然后开启冷浴系统，通过压力阀调节输出冷量，通过入口测温计调节流量控制减压器，确保冷量处于预设的温度范围，冷源通过管道进入内腔开始循环，扫描仓整体降温，对冻土样品进行预冷；
19.s3、通过预冷使扫描仓内的温度均匀下降至实验温度，冻土样品中水分发生相变，且冻土样品未发生水分迁移，再打开二号电子开关、四号电子开关，冷源通过管道进入扫描仓；
20.s4、通过流量控制减压器调节冷量和流速，确保内部测温计的温度达到目标值、入口测温计和出口测温计的差值小于要求值，同时热成像仪显示的冻土样品内部温度均匀，完成冻土样品的冻结过程；
21.s5、内部测温计显示的温度不发生波动后，开始进行ct扫描，获取冻土样品的全断面三维图像，结束扫描后，关闭冷浴系统，待压力阀降为零后，关闭流量控制减压器、一号电子开关、二号电子开关、三号电子开关和四号电子开关，取出冻土样品。
22.通过将装置安装，确保扫描仓位于射线源和探测器之间，通过对冻土样品进行预冷，对扫描仓进行整体降温，能够均匀地将冷量传递至冻土样品，避免局部温差导致冻土样品内的水分迁移，通过对扫描仓进行终冷，完成对冻土样品的最终降温，实现冷冻，通过流量控制减压器进行恒温控制，保持温度的恒定，确保扫描仓内的温度维持在预设的范围，完成冻结，该方法能够通过预冷和终冷两种协同制冷方式，最大程度降低冷冻过程对实验的影响。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果：
24.1、该装置能够提供内腔和扫描仓双层结构，通过管道将冷源提供给内腔，进行预冷，再通过管道将冷源提供给扫描仓，进而冷冻，使冷源能够分别提供并传递给冻土样品，使冻土样品所处环境整体进行均匀降温；通过压力阀和流量控制减压器维持冷量和温度，实现温度的精准控制；通过主体和扫描仓材料的设置，能够避免实验时冻土样品与外界发生热交换，能够最大程度提高制冷效率；装置结构设计合理，功能齐全，操作方便，满足冻土科研领域技术要求。
25.2、该方法能够适用于各种条件下的低温冻土样品的ct无损扫描，采用预冷和终冷两种协同制冷方式，最大程度降低了对冻土的干扰，消除冻土样品的水分迁移现象，避免冻土样品内结构发生改变，消除对ct扫描的影响，能够得到更真实的扫描结果，为冻土细观损伤行为的判定提供依据。
附图说明
26.图1为本发明用于精准控温的冻土ct扫描装置的示意图；
27.图2为本发明用于精准控温的冻土ct扫描方法的步骤图。
28.图中标记：1-冷浴系统；2-压力阀；3-流量控制减压器；4-射线源；5-入口测温计；6-一号电子开关；7-二号电子开关；8-冻土样品；9-内腔；10-散热片；11-内部测温计；12-探测器；13-出口测温计；14-三号电子开关；15-四号电子开关；16-热成像仪；17-载物台；18-主体；19-扫描仓；20-进口管；21-出口管。
具体实施方式
29.下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
30.实施例1
31.请参照图1，本实施例提供一种用于精准控温的冻土ct扫描装置，该装置包括主体18、扫描仓19、散热片10、载物台17、射线源4、探测器12、内部测温计11、热成像仪16、进口管20、压力阀2、流量控制减压器3、入口测温计5、一号电子开关6、二号电子开关7、出口管21、出口测温计13、三号电子开关14、四号电子开关15和冷浴系统1，其中，载物台17设在扫描仓19内，扫描仓19设在主体18内，扫描仓19与主体18内壁之间为内腔9，主体18放置在射线源4和探测器12之间，进口管20和出口管21分别连接内腔9、扫描仓19，进口管20和出口管21连接冷浴系统1，通过进口管20和出口管21将冷源提供给内腔9，冷量导入扫描仓19的冻土样品8进行预冷，再通过管道将冷源提供给扫描仓19，进而对冻土样品8进行冷源循环式冷冻，使冻土样品8所处环境整体进行降温，最大程度降低了对冻土的干扰，能够避免实验时冻土样品8与外界发生热交换，消除冻土样品8的水分迁移现象，避免冻土样品8内结构发生改变，消除对ct扫描的影响。
32.本实施例中，主体18和扫描仓19均采用能够穿透射线的高聚物材料制成，如由聚醚醚酮制成，主体18和扫描仓19设为方体状或圆柱体状，主体18内设有空腔，扫描仓19固定在空腔内，扫描仓19外壁和主体18内壁之间为内腔9，主体18的内壁涂设有绝热材料层，主体18也可采用绝热材料制成，扫描仓19采用导热材料制成，也可采用导热材料层；通过绝热材料的设置，能够减少或避免冷量的耗散；扫描仓19内用于放置冻土样品8，载物台17固定在扫描仓19的底部，热成像仪16设在载物台17旁，内部测温计11固定在冻土样品8与扫描仓19内壁之间，扫描仓19内壁还设有遍布内壁的散热片10，散热片10在扫描仓19的内壁四周和顶底内壁等距布置，通过散热片10能够迅速将内腔9传递的冷量导入扫描仓19，实现最大程度的制冷效率；通过内部测温计11和热成像仪16，能够对扫描仓19内部的温度进行测量，将扫描仓19内温度及时反馈给流量控制减压器3以进行同步调整，能够实时进行控制；主体18放置在射线源4和探测器12之间，调整主体18位置，使扫描仓19居中，确保射线能够穿过扫描仓19进行探测。
33.本实施例中，扫描仓19和内腔9分别连接有用于冷源循环的管道，该管道包括进口管20和出口管21，进口管20和出口管21分别采用一根，也可采用两根进口管20和两根出口管21，当采用两根进口管20时，一根用于连接内腔9，另一根用于连接扫描仓19，两根出口管21，同样地，一根用于连接内腔9，另一根用于连接扫描仓19，此时，提供给内腔9的冷源可采用气体或液体，提供给扫描仓19的冷源采用气体，两者分开独立设置，提供不同的冷源选
择；而本实施例中，内腔9和扫描仓19共用进口管20和出口管21，通过进口管20和出口管21提供冷气，进口管20位于出口管21上方，由于温度较高的流体会向上运动，通过进口管20和出口管21的上下设置，使得冷气从上到下运动，热气从下到上运动，在扫描仓19内形成有效的冷源循环；进口管20、出口管21的一端分别连接冷浴系统1，冷浴系统1采用现有的供冷气设备，进口管20、出口管21的另一端分别连接主体18并延伸至扫描仓19内，进口管20在内腔9和扫描仓19分别设有提供冷源的进口，出口管21在内腔9和扫描仓19分别设有回流冷源的出口，进口管20在扫描仓19内的冷源出口朝上开设，通过进口管20和出口管21的设计，能够分别为内腔9和扫描仓19提供冷源，通过进口管20的冷源出口设置，避免冷源直吹冻土样品8。
34.本实施例中，位于主体18外的进口管20上还设置有压力阀2和流量控制减压器3，通过压力阀2和流量控制减压器3，能够对进口管20提供的冷量进行调节，确保压力和流量稳定，保证冷量处于合适的范围，实现冷量和温度的精准控制；进口管20在内腔9的冷源进口处设有一号电子开关6，进口管20在扫描仓19的冷源出口处设有二号电子开关7，出口管21在内腔9的冷源进口处设有三号电子开关14，出口管21在扫描仓19的冷源出口处设有四号电子开关15，四个电子开关均采用现有的电磁阀，其电路连接在主体18外壁设置按钮，以便操作，主体18外部的进口管20设有入口测温计5，通过入口测温计5能够实时监测进口管20处的冷源温度，主体18外部的出口管21设有出口测温计13，通过出口测温计13能够实时监测出口管21处的冷源温度，监测温度确保冷量维持在恒定范围；通过四个电子开关的设置，能够分别对内腔9和扫描仓19内的进口管20冷源出口和出口管21的回流冷源出口进行开关调节，实现内腔9内冷源提供和扫描仓19内冷源提供独立进行。
35.实施例2
36.请参照图2，本实施例提供一种用于精准控温的冻土ct扫描方法，采用实施例1中的用于精准控温的冻土ct扫描装置，扫描仓19内设有放置冻土样品8的载物台17，扫描方法包括以下步骤：
37.s1、将初始状态的冻土样品8安放在载物台17上，将主体18位置调节在射线源4和探测器12之间，调整扫描仓19在主体18内居中，将进口管20、出口管21分别与冷浴系统1连接，装置安装完毕，确保扫描仓19位于射线源4和探测器12之间，并检查装置的安全性；
38.s2、打开一号电子开关6、三号电子开关14，关闭二号电子开关7、四号电子开关15，然后开启冷浴系统1，通过压力阀2调节输出冷量，通过入口测温计5调节流量控制减压器3，确保冷量处于预设的温度范围，冷源通过管道进入内腔9开始循环，对扫描仓19进行整体降温，实现对冻土样品8进行预冷，预冷降温的目的是为了有效避免对土体样品造成单点过冷降温而造成的水分迁移，影响后期细观分析结果；
39.s3、扫描仓19和散热片10均匀地将内腔9中的冷量传递至冻土样品8，通过预冷使扫描仓19内的温度均匀下降至实验温度，冻土样品8中水分发生相变，且冻土样品8未发生水分迁移，再打开二号电子开关7、四号电子开关15，冷源通过管道进入扫描仓19并在扫描仓19内部形成有效的循环，持续一段时间直至内部测温计11显示温度目标值，对扫描仓19进行终冷，终冷能够使冻土样品8温度均匀降低至冷冻，避免因温差导致的冻土样品8内的水分迁移；
40.s4、通过流量控制减压器3调节冷量和流速，进行恒温控制，确保内部测温计11的
温度达到目标值、入口测温计5和出口测温计13的差值小于要求值，同时热成像仪16显示的冻土样品8内部温度均匀，确保扫描仓19内的温度维持在预设的范围一段时间，完成冻土样品8的降温冻结过程；
41.s5、内部测温计11显示的温度不发生波动后，开始进行ct扫描，获取冻土样品8的全断面三维图像，结束扫描后，关闭冷浴系统1，待压力阀2降为零后，关闭流量控制减压器3、一号电子开关6、二号电子开关7、三号电子开关14和四号电子开关15，取出冻土样品8。
42.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。