本發(fā)明涉及一種多孔材料內(nèi)部水分飽和度變化空間分布的定量表征方法，屬于多孔介質(zhì)水分傳輸領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

多孔材料中水分遷移的定量表征非常重要。比如，在多孔材料中水分的遷移是造成體積變形的一個重要因素，而體積變形往往會對材料的使用性能產(chǎn)生很重要的影響，例如混凝土材料在干燥過程中的因為水分變化產(chǎn)生的干縮會產(chǎn)生裂紋直接影響混凝土的力學性能和耐久性能。

稱重法是水分遷移的傳統(tǒng)測量方法中最常用的一種。稱重法通過稱取樣品在不同時間點上的重量的變化來獲得整個樣品在水分遷移過程中水分的變化。這種方法雖然在宏觀上能夠獲得樣品整體的水分變化，但是卻不能獲得樣品內(nèi)部不同區(qū)域水分的分布梯度。針對這一情況，有人發(fā)展了一種預(yù)埋探測器來測量樣品內(nèi)部水分相對濕度變化的方法。預(yù)埋探測器測量水分變化的方法，通過在成型過程中將探測器埋入樣品的特定位置，待樣品成型完成后將探測器連接到電子設(shè)備來實時觀察特定位置的相對濕度變化。該方法能夠獲得樣品內(nèi)部水分相對濕度的變化，如果在樣品內(nèi)部的不同位置預(yù)埋探測器則可以獲得樣品內(nèi)部較為豐富的水分變化信息。但該方法對樣品的尺寸有要求；增加了樣品成型的難度；另外，預(yù)埋探測器也會對樣品的完整性造成一定影響。該方法雖然很復(fù)雜，但也只能獲得樣品在有限的幾個點的水分變化信息，不能獲得樣品內(nèi)部的全場的水分變化信息。

隨著成像技術(shù)的發(fā)展，用成像方法獲得樣品內(nèi)部整個的灰度信息從而計算樣品內(nèi)部組分的全場變化信息的方法受到科研人員的關(guān)注。有研究人員用核磁共振，伽馬射線，x射線等成像設(shè)備獲取樣品在水分遷移前后的圖像。先是用單次成像，后來發(fā)展為兩次成像的雙圖像法，比如灰度雙斷層成像(ct)方法受到越來越多的關(guān)注。然而傳統(tǒng)的雙ct法，不管是原位方法，還是異位方法都假設(shè)樣品沒有變形，而實際的水分遷移過程中總是伴隨著一定的變形，比如木材吸水膨脹，混凝土干燥收縮等等。

數(shù)字體積相關(guān)法(digitalvolumecorrelation，dvc)是一種可以計算物體內(nèi)部變形位移場和應(yīng)變場的計算方法。dvc是由bay等人在1999年將數(shù)字圖像相關(guān)法(dic)思想從二維平面擴展到三維空間而得到的一種可以計算物體內(nèi)部應(yīng)變的方法。dvc方法的基本原理是將變形前的三維圖像定義為參考圖像，將變形后的三維圖像定義為目標圖像，將以待求點為中心的立方體稱為子體塊。把參考圖像與目標圖像序列置于同一個三維虛擬網(wǎng)格中，利用圖像中待求點為中心子體塊的灰度分布確定它們之間的相關(guān)性。在目標圖像序列中搜索與以參考圖像中的待求點為中心的子體塊(參考子體塊)相關(guān)程度最高的子體塊(目標子體塊)，并把它作為該待求點在目標圖像中的新位置，兩者之間的位移變化量即為待求點的位移值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種多孔材料內(nèi)部水分飽和度變化空間分布的定量表征方法，該方法通過結(jié)合異位數(shù)字體積相關(guān)算法，將實際過程中水分遷移伴隨著一定的變形也考慮了進來，保證了結(jié)果的準確性和可靠性，克服了原位實驗的限制。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

一種多孔材料內(nèi)部水分飽和度變化空間分布的定量表征方法，其特征在于，該方法用斷層掃描(ct)測試獲得的灰度信息計算水分飽和度，具體包括如下步驟：

步驟1，選取一種內(nèi)部水分會發(fā)生遷移變化的多孔材料；

步驟2，在水分變化前，用某個確定的ct測試條件，對步驟1的樣品進行第一次ct測試，獲得水分變化前樣品的三維ct數(shù)據(jù)g1(x，y，z)；

步驟3，在水分變化后，采用和步驟2相同的ct測試條件，對樣品進行第二次ct測試，獲得水分含量變化后樣品的三維ct數(shù)據(jù)g2(x，y，z)；

步驟4，通過ct測試獲得水的灰度值gw；

步驟5，選擇合適的計算區(qū)域、計算點間隔和子體塊大小，通過異位數(shù)字體積相關(guān)方法計算獲得樣品內(nèi)部水分飽和度變化的全場分布，采用一個子體塊作為計算對象；

步驟5.1：在步驟2的g1(x，y，z)中確定要計算的點(i，j，k)，假設(shè)以該計算點為中心選定的子體塊大小是r×r×r，其中，r為大于1的整數(shù)，用該計算點的子體塊圖像g1(i，j，k，r)作為參考圖像，通過異位數(shù)字體積相關(guān)方法的計算，在步驟3的g2(x，y，z)中獲得與參考圖像g1(i，j，k，r)在亞體素精度級別上相關(guān)性最高的子體塊圖像g2(i’，j’，k’，r)，并作為目標圖像；

步驟5.2：分別對步驟5.1中的參考圖像和目標圖像求灰度平均值和并分別作為兩者中心體素點(i，j，k)和(i’，j’，k’)的灰度值，它們的差值即反應(yīng)樣品內(nèi)部以體素點(i，j，k)為中心的子體塊灰度的變化；

步驟5.3：利用下列公式計算得到以體素點(i，j，k)為中心的子體塊水分飽和度的變化：

其中，步驟1中，所述多孔材料為水泥混凝土、巖石、陶瓷、磚瓦、木材、骨骼、顆粒堆積材料中的一種。

其中，步驟1中，所述水分發(fā)生遷移變化是指樣品的失水變化和吸水變化。

其中，所述三維ct數(shù)據(jù)是指通過x射線ct設(shè)備、伽馬射線ct設(shè)備、核磁共振ct設(shè)備或中子ct設(shè)備獲得的三維ct數(shù)據(jù)。本發(fā)發(fā)明方法采用ct掃描方式獲得圖像數(shù)據(jù)，是一種無損測量方法，保證了測量的精確性。

其中，所述x射線ct設(shè)備包括醫(yī)用x射線ct設(shè)備、工業(yè)x射線ct設(shè)備、顯微x射線ct設(shè)備、納米x射線ct設(shè)備或同步輻射x射線ct設(shè)備。

本發(fā)明方法中異位數(shù)字體積相關(guān)方法(dvc)是指利用改進的異位數(shù)字體積相關(guān)方法，采用了包括基于圖像配準的異位數(shù)字體積相關(guān)方法(zl201410003602.2)和基于位移梯度分解的異位數(shù)字體積相關(guān)方法(zl201410124388.6)。本發(fā)明方法利用改性的異位dvc方法來研究水分遷移前后多孔材料的全場變形。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案具有的有益效果為：

本發(fā)明方法從多孔材料樣品內(nèi)部水分變化前后的ct數(shù)據(jù)的灰度差別，可計算出水分飽和度的全場分布，解決了現(xiàn)有技術(shù)中觀測多孔材料內(nèi)部水分變化的難題；另外，本發(fā)明方法能從細觀尺度上反映材料內(nèi)部水分的變化情況，可以研究多孔材料內(nèi)部的水分變化及其影響，比如不同時期混凝土內(nèi)部水份變化以及變化的均勻程度，更重要的是本發(fā)明方法采用異位dvc方法對目標圖像和參考圖像的對應(yīng)子體塊進行匹配，考慮了材料變形的影響，保證了測量結(jié)果的準確性和可靠性；最后，本發(fā)明方法能夠彌補現(xiàn)有材料領(lǐng)域傳統(tǒng)測量水分變化方法不能很好的反應(yīng)樣品內(nèi)部水分變化信息的缺憾，并且高效、準確、無損，為水分變化的定量研究起到重要的推動作用。

附圖說明

圖1a為實施例中泡沫混凝土干縮第0天的三維x射線ct數(shù)據(jù)；

圖1b為實施例中泡沫混凝土干縮第3天的三維x射線ct數(shù)據(jù)；

圖2a為干縮第0天的切片數(shù)據(jù)；

圖2b為干縮第3天的切片數(shù)據(jù)；線框內(nèi)的區(qū)域為計算區(qū)域；

圖3a為水分飽和度變化的全場三維分布；

圖3b為水分飽和度變化的全場二維分布。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步說明，但是本發(fā)明要求保護的范圍并不局限于此。

本發(fā)明多孔材料內(nèi)部水分飽和度變化空間分布的定量表征方法能夠應(yīng)用于各種多孔材料中水分遷移的研究。

本實施例選用泡沫混凝土的內(nèi)部水分變化作為研究實驗，所選取水分變化前后的時間分別為干縮第0天和第3天。

步驟1，制備40x40x160mm大小的泡沫混凝土樣品，拆模后放入養(yǎng)護室在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護3天；

步驟2，從養(yǎng)護室中取出樣品放入徐變室(溫度23℃，濕度60％)記為干縮第0天，進行第一次x射線掃描成像，設(shè)定x射線ct實驗參數(shù)(加速電壓195千伏，加速電流0.34毫安，放大倍數(shù)3.14倍，每幅投影1秒測量時間)，得到第一次x射線掃描成像的三維圖像數(shù)據(jù)g1(x，y，z)，如圖1a，掃描完后將樣品放入徐變室繼續(xù)干燥；

步驟3，在徐變室放置3天后，將樣品從徐變室拿出并對樣品進行第二次x射線ct測試，樣品在樣品臺上的位置盡量保持與第一次x射線掃描成像時相同，x射線ct實驗參數(shù)與步驟2相同，得到第二次x射線掃描成像的三維圖像數(shù)據(jù)g2(x，y，z)，如圖1b；

步驟4，通過斷層照相測試獲得水的灰度值gw，本實驗測得的水分灰度值為80；

步驟5，在ct圖像中選擇計算區(qū)域大小為550x530x100體素，如圖1和圖2所示，間隔點為10，選定的子體塊大小21×21×21體素，通過異位dvc方法計算獲得樣品內(nèi)部水分飽和度的全場分布，如圖3所示，下面以一個子體塊的計算為例；

步驟5.1：在步驟2的g1(x，y，z)中確定要計算的點(200，300，150)，用該計算點的子體塊圖像g1(200，300，150，21)作為參考圖像，通過異位dvc方法的計算，在步驟3的g2(x，y，z)中獲得與參考圖像g1(200，300，150，21)在亞體素精度級別上相關(guān)性最高的子體塊圖像g2(202.2，304.1，154.5，21)，并作為目標圖像；

步驟5.2：分別對保存下來的參考圖像和目標圖像求灰度平均值和并分別作為兩者中心體素點(200，300，150)和(202.2，304.1，154.5)的灰度值，它們的差值即反應(yīng)體素點(200，300，150)為中心的子體塊水分飽和度的變化；

步驟5.3：利用下列公式計算得到樣品內(nèi)部水分飽和度在以體素點(200，300，150)為中心的子體塊上的變化：

本發(fā)明方法基于水分變化前后多孔樣品的前后兩次斷層照相(ct)獲得三維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，利用改進的異位數(shù)字體積相關(guān)方法將水分變化前后的三維圖像數(shù)據(jù)在材料內(nèi)部每個子體塊上進行相關(guān)性程度最高的匹配，然后通過灰度計算獲得水分飽和度變化的全場分布。本發(fā)明借助于ct的三維和無損特性，可在不破壞樣品的前提下，實現(xiàn)多孔材料內(nèi)部水分飽和度變化空間分布的定量表征，而且可針對同一個樣品給出水分含量隨整個實驗過程的演化情況。

顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而這些屬于本發(fā)明的精神所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之中。