基于电容层析成像的季冻土性态识别装置及识别方法

摘要

基于电容层析成像的季冻土性态识别装置及识别方法。无论是以低温箱环境温度作为试样的温度，还是以温度传感器监测的温度作为试样温度传感器，都存在一定的弊端，前者温度失准，后者试样受扰动。本发明包括：单向冻结系统、电容采集系统、层析成像系统；所述的单向冻结系统的冻结装置（5）安装于试样（7）的顶部，通过所述的冻结装置对试样进行从上到下的单向冻结；所述的试样位于所述的电容采集系统内，通过所述的电容采集系统采集到不同的电容量。本发明用于季冻土性态识别。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于电容层析成像的季冻土性态识别装置及识别方法。

背景技术

温度作为影响季冻土性的主要因素之一，微小的温度差异都会造成特性的不同，因此能够精准的测试试样温度，对季冻土试验尤为重要，现有关于季冻土试验中温度的测试，主要有两种方式，一是将试样直接置于低温箱中，根据低温箱设定的温度，等效为试样的温度；二是将温度传感器布置于试样内部，监测试样的温度；然而这两种测温方法均存在明显的弊端。

第一种测温方法将低温箱的温度等效为试样的温度，低温箱设定的温度并不能代表试样的温度，并且已有试验表明，试样放入低温箱，会对低温箱温度产生较大的影响，表现出“上冷下热，高冷低热、前热后冷”，并且即便试样表面达到目标温度，但是试样内部并没有达到目标温度，即出现“外冷芯热”的现象。

第二种测温方法通过试样内部的温度传感器实时监测试样的温度，虽然能够较准确的测试试样的温度，但是温度传感器探针只能监测指定位置点的温度，并不能全方位监测试样整体的温度，如果布设多个传感器，势必会对试样产生较大的扰动，严重影响季冻土的特性，并且布设多组传感器本身在季冻土试验中就不易实现。

因此，无论是以低温箱环境温度作为试样的温度，还是以温度传感器监测的温度作为试样温度传感器，都存在一定的弊端，前者温度失准，后者试样受扰动；二者均对季冻土特性产生较大影响，探索一种无损、精确的温度监测发方法对季冻土特性的快速识别具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种基于电容层析成像的季冻土性态识别装置及识别方法。

上述目的通过以下方案实现：

一种基于电容层析成像的季冻土性态识别装置，其组成包括单向冻结系统、电容采集系统、层析成像系统；

所述的单向冻结系统的冻结装置安装于试样的顶部，通过所述的冻结装置对试样进行从上到下的单向冻结；

所述的试样位于所述的电容采集系统内，通过所述的电容采集系统采集到不同的电容量。

所述的基于电容层析成像的季冻土性态识别装置，所述的电容采集系统包括有机玻璃模型，在所述的有机玻璃模型的外壁均匀非闭合对称布设正负电极板，在所述的电极板的外围用苯乙烯-苯板包裹，在所述的苯乙烯-苯板的外围包裹一层屏蔽罩。

所述的基于电容层析成像的季冻土性态识别装置，均匀非闭合对称布设于所述的有机玻璃模型外壁的电极板，其中一侧为正极板，一侧为负极板。

一种基于电容层析成像的季冻土性态识别装置的识别方法，该方法包括如下步骤：

ECT成像数学模型，由于季冻土的相变过程表现为固-液两相流；因此设其两相流的离散相和连续相的介电常数分别为

式中，

定义离散相的浓度

可计算出电容测量值

式中，

假设在极板长度的范围内，管道中每个截面介质的形态分布相同，由电力学基本原理，电容

式中，

质分布函数，

介质分布对灵敏度分布函数影响很小，式(5)可表示为：

式中，

所述的基于电容层析成像的季冻土性态识别装置的识别方法，所述的ECT图像重建原理为：

结合图像灰度的相关定义可将介质分布与图像灰度联系起来，从式(2)和式(3)可以得到：

式中，连续相和多相流在点 (

式中：

所述的基于电容层析成像的季冻土性态识别装置的识别方法，所述的在单向冻结作用下，试样在不同高度处表现为不同的冻结温度，也就产生不同的电容值，建立电容-温度模型，见公式(10)，重构温度场算法公式，见公式(11)-公式(15)，推导温度场-电容算法公式，基于温度场的离散分布点，通过插值算法实现ECT层析成像，推导过程如下：

式中：

根据温度实测数据，试样内部温度沿深度方向呈线性分布，试样内处于两对电极板间任意位置

式中，

所述的基于电容层析成像的季冻土性态识别装置的识别方法，基于温度-电容模型，结合插值连续性算法，在仅测试电容的情况下识别季冻土温度场及力学性态敏感温度区间的层析成像；提出的电容-温度函数线性插值算法，算法步骤如下：

（1）获取电容采集数据、时间以及其它相关参数；

（2）遍历采样时间，循环次数就是采样个数；

（3）根据试样箱坐标，寻找需要填充的全部像素点位置；

（4）按照电容-温度场换算简化算法，求解温度场分布；

（5）使用插值算法，重建图像输出显示。

有益效果：

1.本发明将电容层析成像技术引进季冻土性态测试中，不仅实现了季冻土在冻融过程中温度的精准测控，克服了以往试样温度不均匀，即表现出“外冷芯热，高冷低热”的现象；而且实现了冻融过程的无损监测，作为一种非侵入式温度测试技术，首先不会对试样造成任何的扰动，其次不会在移动试样过程中发生温度的改变，测试结果更加精准，因此在季冻土性态测试中，采用电容层析成像技术来测试试样冻融过程中的温度变化具有广阔的应用前景。

2.ECT是一种可视化温度监测新技术，通过测试不同温度下试样的电容值，建立季冻土电容-温度-力学指标关系，通过得到试样的电容分布规律，反算其温度场分布及力学性态，实现对季冻土性态的温度无损、快捷监测。

3.通过测得的电容值计算出被测物场内介质分布特点及规律。然后图像重建算法直观显示出被测物截面图像；尤其是电容测试在低温下具有很好的稳定性，在季冻土性态监测中具有很大的优势。

4.该识别装置及方法具有不破坏原有物体性状、结构简单、成本较低、实时性好、对人体无伤害、适用范围广，并且该测试技术具有快速、安全、价廉等优点，所以尽管问世时间不长但发展迅猛，但获得广泛运用。

附图说明

附图1是本发明的季冻土电容层析成像系统（ECT）示意图；

附图2是本发明的电容采集系统示意图；

附图3是本发明的待测试样布设示意图；

附图4是本发明的灰度成像示意图；

附图5是试样温度线性插值计算示意图；

图中：1、电极板；2、有机玻璃模型；3、监测系统；4、导电夹；5、冻结装置；6、水浴冰箱；7、试样；8、成像系统；9、保温苯板；10、屏蔽罩；1-1、正极板；1-2、负极板。

具体实施方式

实施例1：

一种基于电容层析成像的季冻土性态识别装置，其组成包括单向冻结系统、电容采集系统、层析成像系统；

所述的单向冻结系统的冻结装置5安装于试样7的顶部，通过所述的冻结装置对试样进行从上到下的单向冻结；

所述的冻结系统由冻结装置5和水浴冰箱6连接组成，冻结装置安装于试样的顶部，水域冰箱可设定目标温度通过冻结装置对试样进行从上到下的单向冻结，试样在不同高度表现出不同的冻结温度。

水域冰箱6可设置不同目标的冻结温度，将防冻液循环至制冷顶板5作为试验的冻结源，制冷顶板由铝合金制作，避免锈蚀和冷量的耗散，达到精确的目标冻结温度，制冷顶板置于试样的顶部，实现试样从上到下的单向冻结，不同冻结程度下试样的介电常数不同，通过对称正电极板1-1和负电极板1-2采集试样的介电常数。

所述的试样位于所述的电容采集系统内，通过所述的电容采集系统采集到不同的电容量。

电极板1通过采集系统采集到不同的电容量；再通过数据转化、处理到成像系统，通过图像重建算法，构建试样不同高度出的温度灰度图像，通过不同颜色及深度分析试样的温度变化。

在单向冻结作用下，试样在不同高度处表现为不同的冻结温度，会产生不同的电容值，以此建立电容-温度模型，重构温度场算法，基于温度场的离散分布点，通过插值算法实现ECT层析成像，试样内处于两对电极板间任意位置

实施例2：

根据实施例1所述的基于电容层析成像的季冻土性态识别装置，所述的电容采集系统包括有机玻璃模型2，在所述的有机玻璃模型的外壁均匀非闭合对称布设正负电极板1，在所述的电极板的外围用苯乙烯-苯板9包裹，减少试样周围和外界的冷热交换，确保在试样顶部施加冷源后，可以实现从上到下的单向冻结，在所述的苯乙烯-苯板的外围包裹一层屏蔽罩10，防止外界电磁干扰。

实施例3：

根据实施例1或2所述的基于电容层析成像的季冻土性态识别装置，均匀非闭合对称布设于所述的有机玻璃模型外壁的电极板，其中一侧为正极板1-1，一侧为负极板1-2。

实施例4：

一种基于电容层析成像的季冻土性态识别装置的识别方法，该方法包括如下步骤：

ECT成像数学模型，由于季冻土的相变过程表现为固-液两相流；因此设其两相流的离散相和连续相的介电常数分别为

式中，

定义离散相的浓度

可计算出电容测量值

式中，

假设在极板长度的范围内，管道中每个截面介质的形态分布相同，由电力学基本原理，电容

式中，

质分布函数，

介质分布对灵敏度分布函数影响很小，式(5)可表示为：

式中，

实施例5：

根据实施例1或2或3或4所述的基于电容层析成像的季冻土性态识别装置的识别方法，所述的ECT图像重建原理为：

结合图像灰度的相关定义可将介质分布与图像灰度联系起来，从式(2)和式(3)可以得到：

式中，连续相和多相流在点 (

式中：

实施例6：

根据实施例1或2或3或4或5所述的基于电容层析成像的季冻土性态识别装置的识别方法，所述的在单向冻结作用下，试样在不同高度处表现为不同的冻结温度，也就产生不同的电容值，建立电容-温度模型，见公式(10)，重构温度场算法公式，见公式(11)-公式(15)，推导温度场-电容算法公式，基于温度场的离散分布点，通过插值算法实现ECT层析成像，推导过程如下：

式中：

根据温度实测数据，试样内部温度沿深度方向呈线性分布，试样内处于两对电极板间任意位置

式中，

实施例7：

根据实施例1或2或3或4或5或6所述的基于电容层析成像的季冻土性态识别装置的识别方法，基于温度-电容模型，结合插值连续性算法，在仅测试电容的情况下识别季冻土温度场及力学性态敏感温度区间的层析成像；提出的电容-温度函数线性插值算法，算法步骤如下：

（1）获取电容采集数据、时间以及其它相关参数；

（2）遍历采样时间，循环次数就是采样个数；

（3）根据试样箱坐标，寻找需要填充的全部像素点位置；

（4）按照电容-温度场换算简化算法，求解温度场分布；

（5）使用插值算法，重建图像输出显示。