一种透明材料内置裂纹起裂预警及扩展实时监测的方法

摘要

本发明提供了一种透明材料内置裂纹起裂预警及扩展实时监测的方法，在含有内置裂纹的材料受到外荷载作用过程中，图像采集单元对透明材料的实时状态进行图片采集，并通过传输单元将采集到的各个位置的实时图片传输到图像数字化单元进行数字化处理；图像处理单元将图像含有每个像素点RGB数据的矩阵通过前后照片数据对比，得到图像在时间尺度上的每一个像素点实时变化，实现所述透明材料内置裂纹起裂预警及扩展实时监测，方法合理，快速高效，可以实现透明材料内部裂纹的扩展的监测，通过前后过程图像实时对比后，依照阈值判定整个扩展过程。可以实现远程、实时监控，同时可以保证整个监控过程更加的精确，同时安全性也更高，具有极高的推广价值。

权利要求

1.一种透明材料内置裂纹起裂预警及扩展实时监测的方法，其特征在于：监测装置由光源、图像采集单元、传输单元、图像数字化单元以及图像处理单元组成；工作时，光源对含有预制三维内置裂纹的透明材料进行照射，图像采集单元对透明材料的实时状态进行图片采集，并通过传输单元将采集到的各个位置的实时图片传输到图像数字化单元进行数字化处理；图像处理单元将图像含有每个像素点RGB数据的矩阵通过前后照片数据对比，得到图像在一个方向上时间尺度上的每一个像素点实时变化，通过设置该方向上单个像素点数据差别阈值fc，并将像素点采用颜色进行突显，其中，超过差别阈值fc的像素点判别为差别重要的像素点，并设为一种颜色，未超过差别阈值fc的像素点设为差别不重要的像素点，并设为另一种颜色；同时设置超过差别阈值像素点的数目阈值fd，当超过数目阈值fd时，认为裂纹开始起裂，监测装置进行自动报警，实现所述透明材料内置裂纹起裂预警及扩展实时监测。

2.根据权利要求1所述的透明材料内置裂纹起裂预警及扩展实时监测的方法，其特征在于：通过三个不同方向的图像像素点RGB数据进行裂纹扩展的定位，用第四个方向的图像进行位置校核，达到裂纹的三维重构；所述三个不同方向分别为相互垂直的x方向、y方向以及不在x、y所在平面的方向；所述第四个方向为不同于所述三个不同方向的任意方向。

3.根据权利要求1所述的透明材料内置裂纹起裂预警及扩展实时监测的方法，其特征在于：所述像素点数据差别阈值fc是区分两个对比图像中差别重要像素点和差别不重要像素点的临界值，若max{|fij(R)-gij(R)|,|fij(G)-gij(G)|,|fij(B)-gij(B)|}≤fc，则该像素点为差别不重要的像素点；反之则为差别重要的像素点；式中f、g为两个图像的像素函数，i、j为图像竖直和水平方向的像素的单位坐标。

4.根据权利要求1所述的透明材料内置裂纹起裂预警及扩展实时监测的方法，其特征在于：所述数目阈值fd是判别裂纹是否起裂的临界值，其为：fd＝1％N，式中N为内部预制内置裂纹在图像数字化后的像素个数。

5.根据权利要求1所述的透明材料内置裂纹起裂预警及扩展实时监测的方法，其特征在于：将图像采集单元采集到的图片进行灰度化处理后再进行数字化处理，图像处理单元将图像含有每个像素点RGB数据的矩阵转化为每个像素点的R、G、B三个分量的平均值Y的矩阵，其中Y＝(R+G+B)/3。

6.根据权利要求1所述的透明材料内置裂纹起裂预警及扩展实时监测的方法，其特征在于：图像处理单元将图像含有每个像素点RGB数据的矩阵转化为每个像素点的灰度Y’的矩阵，其中Y’＝0.3R+0.59G+0.11B。

7.根据权利要求5或6所述的透明材料内置裂纹起裂预警及扩展实时监测的方法，其特征在于：所述像素点数据差别阈值fc是区分两个对比图像中差别重要像素点和差别不重要像素点的临界值，若max{|fij(Y)-gij(Y)|}≦fc,则该像素点为差别不重要的像素点；反之则为差别重要的像素点；式中f、g为两个图像的像素函数，i、j为图像竖直和水平方向的像素的单位坐标。

8.根据权利要求1或5所述的透明材料内置裂纹起裂预警及扩展实时监测的方法，其特征在于：所述预制三维内置裂纹的方法，包括以下步骤：取一完整透明材料，选定预制裂纹的位置，对预制裂纹尺寸、形状进行建模；通过透镜聚焦激光，所述激光的能量密度在进入透明材料及到达预制裂纹的位置之前低于透明材料的破坏阈值，在预制裂纹的位置超过透明材料的破坏阈值；激光脉冲使透明材料受热破裂，在预制裂纹的位置覆盖区域产生一破裂点；重复上述过程，在所述覆盖区域内形成由一组破裂点组成的破裂面，同时破裂面外边缘形成一圈整齐的裂纹扩展区并与所述破裂面相连，在预制裂纹的位置形成内置裂纹，而透明材料的其余部分保持原样。

9.根据权利要求8所述的透明材料内置裂纹起裂预警及扩展实时监测的方法，其特征在于：所述激光波长为532nm或1064nm，脉宽为1-30ns，脉冲能量为1-300mJ；所述破裂点大小为5-80μm；所述破裂点的水平距离0.005-0.1mm，垂直距离0.06-0.1mm；所述破裂面的层数为3-10层。

10.根据权利要求8所述的透明材料内置裂纹起裂预警及扩展实时监测的方法，其特征在于：所述透明材料包括人工水晶、玻璃。

说明书

一种透明材料内置裂纹起裂预警及扩展实时监测的方法

技术领域

[0001] 本发明属于断裂力学技术领域，涉及一种透明材料内置裂纹起裂预警及扩展实时监测的方法，特别是基于数字图像的透明材料内置裂纹起裂预警和扩展实时监测的方法。

背景技术

[0002] 脆性材料内部裂纹的扩展问题严重影响工程稳定性及人民生命财产安全性，如岩石内部裂纹的扩展直至破坏，会造成水利、交通隧洞坍塌，边坡滑坡等灾难性后果，金属内裂纹扩展会造成机械设备的破坏。含有内置裂纹的脆性材料破坏演化规律一直是工程界关注的重要问题。

[0003] 按照裂纹发生位置来分，裂纹可以分为三类：1.内置裂纹；2.表面裂纹；3.贯穿裂纹。

[0004] 内置裂纹的定义是指存在于材料内部的三维裂纹，并且周围完全被完整材料介质包裹，未开裂至材料表面的裂纹。又叫三维深埋裂纹。

[0005] 表面裂纹的定义是指，有一面是开裂至材料表面的裂纹，裂纹其余部分都在材料内部。如用刀具刺入材料，但是未刺穿，刀具拔出后形成的裂纹就是表面裂纹。

[0006] 贯穿裂纹的定义是指，有两面开裂至材料表面的裂纹，裂纹其余部分都包裹在材料内部。如用刀具刺穿某一块体材料中间，拔出后形成的裂纹为贯穿裂纹。

[0007] 目前的内置裂纹的起裂预警及扩展实时监测技术并不成熟，存在很多缺点，且与本发明有本质不同。

[0008] 中国专利CN104766335A公开了一种岩土材料变形数字图像相关分析优化方法，通过数字图像分析方法分析岩土工程材料实时变形情况，但这种方法只适合二维、表面分析，此方法只针对表面应变监测，具有以下不足：1.无法开展内部裂纹监测2无法开展三维监测3无法开展裂纹监测。另，中国专利CN104569159A公开了一种混凝土裂缝精确定位方法，采用声发射的方法精确定位混凝土裂缝，将声发射传感作为混凝土骨料埋入混凝土中，通过监测声发射变化情况监测并定位混凝土裂缝。这种方法有以下缺点：1.不能真实反映混凝土的压载情况，2.他们是埋入式监测或接触式监测，不仅对试验材料的性能有影响，而且容易损坏试验仪器，增加试验成本，3.声发射是通过声音去“听”裂纹的扩展，并不能直接观测裂纹的扩展形貌特征，4.声波在材料内部会有折射、散射等现象，同时外部环境的噪音也会形成干扰，因此采用声发射定位技术并不成熟，误差非常大。和本发明中的“所见即所得”的精度差距巨大。

[0009] 因此，虽然数字图像技术已经用于物体的监测，但是，采用数字图像的处理方法，都是针对物体表面的变化监测，对于内置裂纹的扩展无能为力。并且，上述专利以及论文中均只能对表面裂纹或二维裂纹扩展进行监测，并不能实现内置裂纹扩展的预警及监测。

[0010] 此外，裂纹的发展在“加载作用”下实现，加载由于有力存在，采用接触式观察非常危险，很容易损伤仪器，如果用肉眼观察，十分危险，而且细微处难以辨别，包括声发射监测定位的手段也不能实现。

[0011] 因此，上述问题亟待解决。

发明内容

[0012] 发明目的：为了克服以上不足，本发明提供一种透明材料内置裂纹起裂预警及扩展实时监测的方法。

[0013] 技术方案：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种透明材料内置裂纹起裂预警及扩展实时监测的方法，包括以下步骤：监测装置由光源、图像采集单元、传输单元、图像数字化单元以及图像处理单元组成；工作时即对透明材料进行施压加载过程中(指含有内置裂纹的材料在外部荷载作用下，如温度荷载、拉压荷载、机械振动荷载等)，光源对含有内置裂纹的透明材料进行照射，增强采集图片的清晰度并减少前后图片对比的现场误差，图像采集单元对透明材料的实时状态进行图片采集，并通过传输单元将采集到的各个位置的实时图片传输到图像数字化单元进行数字化处理；图像处理单元将图像含有每个像素点RGB数据的矩阵通过前后照片数据对比，得到图像在时间尺度上的每一个像素点实时变化，通过设置该方向上单个像素点数据差别阀值fc，并将像素点采用颜色进行突显，其中，超过差别阀值fc的像素点判别为差别重要的像素点，并设为一种颜色，未超过差别阀值fc的像素点设为差别不重要的像素点，并另一种颜色；同时设置超过差别阀值像素点的数目阀值fd，当超过数目阀值fd时，认为裂纹开始起裂，监测装置进行自动报警，实现所述透明材料内置裂纹起裂预警及扩展实时监测。

[0014] 本发明所述的透明材料内置裂纹起裂预警及扩展实时监测的方法，方法合理，可以实现透明材料内部裂纹的扩展的监测，并且是针对内置裂纹扩展的监测，尤其是“加载过程中”的透明材料内置裂纹。其中，图像数字化是将模拟图像转换为数字图像的过程。图像数字化是进行数字图像处理的前提。图像数字化必须以图像的电子化作为基础，把模拟图像转变成电子信号，随后才将其转换成数字图像信号。数字图像在计算机中是由矩形排列的一系列像素点构成，每个像素点是纵向和横向的线组成的区域，这些线宽度均相同。每一个像素点在计算机中是由三个像素颜色分量组成函数的函数值进行存储的，即红色分量(R)、绿色分量(G)、蓝色分量(B)。因此，一幅图像经过处理过后将会离散成一个三维矩阵函数：每一维(即R、G、B三维)是由的函数矩阵组成。如下所示：

[0015]

[0016] 式中f为图像的像素函数，i、j为图像竖直和水平方向的像素的单位坐标。

[0017] 通过前后过程图像实时对比后，依照阀值判定整个扩展过程。可以实现远程、实时监控，同时可以保证整个监控过程更加的精确，获得的数据也更加的准确，同时安全性也更高。其中，不断监测各个方向图片中颜色点的变化情况，即可得到透明材料中内置裂纹的实时扩展过程。并且，图像采集单元仪器的分辨率越高，可分辨的像素点尺寸越小，越精确。

[0018] 进一步的，上述的透明材料内置裂纹起裂预警及扩展实时监测的方法，通过其中三个不同方向的图像像素点RGB数据进行裂纹扩展的定位，用第四个方向的图像进行位置校核，达到裂纹的三维重构；所述三个不同方向分别为相互垂直的x方向、y方向以及不在x、y所在平面的方向；所述第四个方向为不同于所述三个不同方向的任意方向。四个方向的图像同时采集分析达到对内置裂纹扩展的三维重构，并且数字化处理可以通过其中三个不同方向的图像数据进行裂纹扩展的定位，用其余一个方向的图像进行位置校核，从而实现实时、高效、准确的监测。

[0019] 进一步的，上述的透明材料内置裂纹起裂预警及扩展实时监测的方法，所述像素点数据差别阀值fc是区分两个对比图像中差别重要像素点和差别不重要像素点的临界值，若max{|fij(R)-gij(R)|,|fij(G)-gij(G)|,|fij(B)-gij(B)|}≤fc，则该像素点为差别不重要的像素点；反之则为差别重要的像素点；式中f、g为两个图像的像素函数，i、j为图像竖直和水平方向的像素的单位坐标。

[0020] 进一步的，上述的透明材料内置裂纹起裂预警及扩展实时监测的方法，所述数目阀值fd是判别裂纹是否起裂的临界值，其为：fd＝1％N，式中N为内部预制三维封闭紧贴裂纹在图像数字化后的像素个数。

[0021] 作为本发明的另一种方式，上述的透明材料内置裂纹起裂预警及扩展实时监测的方法，将图像采集单元采集到的图片进行灰度化处理后再进行数字化处理，图像处理单元将图像含有每个像素点RGB数据的矩阵转化为每个像素点的R、G、B三个分量的平均值Y的矩阵，其中Y＝(R+G+B)/3。图像的灰度化处理是将彩色图像转化成为灰度图像的过程，彩色图像中的每个像素的颜色有R、G、B三个分量决定，而每个分量有255中值可取，这样一个像素点可以有1600多万(255*255*255)的颜色的变化范围。而灰度图像是R、G、B三个分量相同的一种特殊的彩色图像，其一个像素点的变化范围为255种，所以在数字图像处理种一般先将各种格式的图像转变成灰度图像以使后续的图像的计算量变得少一些。灰度图像的描述与彩色图像一样仍然反映了整幅图像的整体和局部的色度和亮度等级的分布和特征，但是数据处理是速度会更快，效率更高。

[0022] 作为本发明的另一种方式，上述的透明材料内置裂纹起裂预警及扩展实时监测的方法，图像处理单元将图像含有每个像素点RGB数据的矩阵转化为每个像素点的亮度Y的矩阵，其中Y＝0.3R+0.59G+0.11B。根据YUV的颜色空间中，Y的分量的物理意义是点的亮度，由该值反映亮度等级，根据RGB和YUV颜色空间的变化关系可建立亮度Y与R、G、B三个颜色分量的对应，同样可以快速高效获得对应的数据。

[0023] 进一步的，上述的透明材料内置裂纹起裂预警及扩展实时监测的方法，所述像素点数据差别阀值fc是区分两个对比图像中差别重要像素点和差别不重要像素点的临界值，若max{|fij(Y)-gij(Y)|}≦fc，则该像素点为差别不重要的像素点；反之则为差别重要的像素点；式中f、g为两个图像的像素函数，i、j为图像竖直和水平方向的像素的单位坐标。

[0024] 进一步的，上述的透明材料内置裂纹起裂预警及扩展实时监测的方法，所述内部预制三维内置裂纹的方法，包括以下步骤：取一完整透明材料，选定预制裂纹的位置，对预制裂纹尺寸、形状进行建模；通过透镜聚焦激光，所述激光的能量密度在进入透明材料及到达预制裂纹的位置之前低于透明材料的破坏阈值，在预制裂纹的位置超过透明材料的破坏阈值；激光脉冲使透明材料受热破裂，在预制裂纹的位置覆盖区域产生一破裂点；重复上述过程，在所述覆盖区域内形成由一组破裂点组成的破裂面，同时破裂面外边缘形成一圈整齐的裂纹扩展区并与所述破裂面相连，在预制裂纹的位置形成三维内置裂纹，而透明材料的其余部分保持原样。内部三维内置裂纹的方法，方法简单、合理，主要原理是首先在选定预制裂纹处利用激光形成单个破裂点；在单个破裂点周围不断入射脉冲激光能量，这些能量的持续输入，一方面不断制造破裂点，另一方面会对先制作的破裂点发生热力学作用造成其不断损伤扩展，最终连成一个破裂面；最外围破裂点，其外边缘无破裂点，会在热力学作用下往外边缘方向扩展而形成一个大的扩展区(环面)；扩展面与破裂面一起组成了三维内置裂纹。此外，预制三维内置裂纹的方法快速高效，建模和制作在1小时之内可完成，且在常温环境下就可以实现，可以高真实性地在透明材料上内部生成可控裂纹，得到的裂隙可以是一个平整面，仅是一个面上，方向一致，整体性很强；也可以是一个可控曲面，可以根据设计图纸做成各种形状的裂纹。并且，无其他多余裂隙，边缘整齐，试件完整无破坏，且能够制作真实无厚度裂纹，不受材料形状限制。此外，试件透明度高，脆性度高。本发明所述的模拟透明材料内部三维封闭紧贴裂纹的方法，材料脆性度可达到1/16-1/25；2)断裂韧度级别在～1MPa/m1/2。

[0025] 上述在选定预制裂纹处利用激光形成单个破裂点的基本原理包括下面三个步骤：

[0026] (1)当入射激光通过透镜在介质内聚焦等方式，聚焦处激光能量密度达到一定阈值时(与材料相关)，此时，介质在激光作用下，中性分子出现轴向非线性电离现象。电离作用造成焦点部位的介质中性分子电离形成等离子体，即由原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质，尺度大于德拜长度的宏观电中性电离气体，常被视为是固、液、气外，物质存在的第四态。

[0027] (2)聚焦部位介质转化生成的等离子体在激光作用下发生非线性逆韧致吸收作用，激光能量被等离子体强烈吸收转变为大量的热能和化学能，称之为激光能量沉积。同时，激光无法继续透射，对后面介质产生屏蔽效应。部分透射后，出现激光脉冲强度降低，波形畸变等。除此之外，介质对激光的本征吸收也产生了热效应。

[0028] (3)逆韧致吸收产生的大量能量，造成局部高温高压，引起应力致使高脆性介质在聚焦处破裂甚至微爆、熔融成为此处发生的现象之一，或称为“电介质击穿”，形成破裂点。

[0029] 进一步的，上述的透明材料内部三维内置裂纹起裂预警及扩展实时监测的方法，所述激光波长为532nm或1064nm，脉宽为1-30ns，脉冲能量为1-300mJ；所述破裂点大小为5-80μm；所述破裂点的水平距离0.005-0.1mm，垂直距离0.06-0.1mm；所述破裂面的层数为3-
10层。应用条件要求低，应用方便。其中，对于形成破坏点的激光能量，在宏观上称之为介质“能量破坏阈值”。破裂点5-80μm，在视觉上可辨别，微破裂点大小可以通过控制激光参数实现。

[0030] 此外，还可以通过超声激励的方式精确控制透明材料内部三维内置裂纹的尺寸，包括以下步骤：在透明脆性材料内部预制三维深埋裂纹，将超声波激励枪放置到透明脆性材料表面，超声波发生器产生超声波，超声波通过材料表面往材料内部传输，并穿透整个材料体，超声波穿过裂纹时由于裂纹处与两侧存在介质过渡，在裂纹处产生机械振动与周围不同，从而对裂纹产生力学扰动，超声波的机械振动转化为裂纹处的机械能，裂纹尖端的机械振动作用使裂纹扩展，直至内部预制裂纹扩展开裂到满足要求尺寸，停止超声波的输入。方法简单、合理，快速高效，操作简便，控制准确，使用经济。通过控制超声波参数(频率、振幅、功率、作用时间)，可控制能量的输入的大小，进而可控制扩展尺寸。通过超声波输入方向控制裂纹扩展方向，两方面达到对三维深埋裂纹尺寸的控制。当超声波能量达到一定程度，可以使三维深埋裂纹扩展开裂为贯穿破坏，形成贯穿裂纹。其中，所述超声波能量公式为E＝2π2f2A2ρ，其中f为换能器发出超声波频率；A为超声波振幅；ρ为材料密度。此外，通过控制超声波输入的启停，还能控制超声波输入的时间长短。并且，所述f的范围为20-
100kHz，A的范围为30-200μm。

[0031] 进一步的，上述的透明材料内部三维内置裂纹起裂预警及扩展实时监测的方法，所述透明材料包括人工水晶、玻璃。可以推广使用到所有的透明材料上，适应性好，应用成本低，应用前景广阔。

[0032] 作为本发明的一种改进，上述透明材料按照重量组分计，包括以下组分：

[0033]

[0034]

[0035] 作为本发明的一种改进，上述透明材料脆性度可达到1/16-1/25。结果的可信度更高，可以更优的模拟裂纹，并且组分合理，

[0036] 作为本发明的一种优选方式，上述透明材料按照重量组分计，包括以下组分：

[0037]

[0038]

[0039] 作为本发明的一种优选方式，上述条件下效果最优。

[0040] 进一步的，上述透明材料的制备工艺，包括以下步骤：

[0041] 1)将纳米二氧化硅溶解在甲苯和水溶液中，混合均匀后加入甲基丙烯酸-3-甲氧基硅丙酯，40℃下磁力搅拌24h，备用；

[0042] 2)将三烯丙基异三聚氰酸酯溶解在去离子水中，在搅拌的条件下，逐滴滴加步骤1)中所得分散液，滴加完成后，搅拌20-40min后，在超声波细胞粉碎仪中超声30-50min，备用；

[0043] 3)将步骤2)中制备的混合物倒入反应釜中，搅拌并通入氮气保护，逐滴滴加聚乙烯醇，升温至到50-100℃，反应4-6h后，降温后经铜网过滤出料，经过乙醇洗涤、抽滤后的产物在真空烘箱中烘干，备用；

[0044] 4)将步骤3)中所得的产物和研磨后的石英砂、硼酸、碳酸钡、碳酸钙、碳酸锌、碳酸钠、白云母粉，锆英砂、三氧化二砷、二氧化钛、氧化镧，充分混和均匀后倒入石英坩埚内，置于能够精确控温的硅钼棒电炉中熔制，1250-1500℃熔融，1300-1600℃高温澄清，熔制结束后倒出玻璃液，通过模具成型；将得到的成型品放入硅碳棒电炉中，520℃保温180min，以2℃/min的降温速率降温至300℃，300℃保温60min，以5℃/min的降温速率降温至50℃，关炉，自然冷却至室温，得所述透明材料。

[0045] 透明材料的制备工艺方法合理，制备周期短，可以进行大规模应用。

[0046] 有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明所述的透明材料内部三维内置裂纹起裂预警及扩展实时监测的方法，方法合理，快速高效，可以实现透明材料内部裂纹的扩展的监测，并且是针对内部三维内置裂纹扩展的监测。通过前后过程图像实时对比后，依照阈值判定整个扩展过程。可以实现远程、实时监控，同时可以保证整个监控过程更加的精确，获得的数据也更加的准确，同时安全性也更高，具有极高的推广价值。

附图说明

[0047] 图1为本发明所述的透明材料内部三维内置裂纹的实物图；

[0048] 图2为本发明所述透明材料内部三维内置裂纹扩展后的实物图；

[0049] 图3为本发明所述透明材料内部三维内置裂纹起裂预警及扩展实时监测的方法获得的监测图；

[0050] 图4为本发明所述的透明材料预制内部三维内置裂纹之前的示意图；

[0051] 图5为本发明所述的预制内部三维内置裂纹的透明材料的主视图；

[0052] 图6为本发明所述的预制内部三维内置裂纹的透明材料的侧视图；

[0053] 图7-11为本发明实施例4所述的开展透明脆性材料内部三维内置裂纹的实验过程；

[0054] 图12为本发明实施例5所述的V型内置裂纹；

[0055] 图13为本发明实施例5所述的X型内置裂纹；

[0056] 图14为本发明实施例5所述的Z型内置裂纹；

[0057] 图15-16为本发明实施例6所述的透明材料预制内部三维内置裂纹的示意图；

[0058] 图17-18为本发明实施例6所述的透明材料预制内部三维内置裂纹的示意图；

[0059] 图19-20为本发明实施例7所述的透明材料预制内部三维内置裂纹的示意图。

具体实施方式

[0060] 下面将通过几个具体实施例，进一步阐明本发明，这些实施例只是为了说明问题，并不是一种限制。

[0061] 实施例1

[0062] 一种如图1-3所示的透明材料内部三维内置裂纹起裂预警及扩展实时监测的方法，包括以下步骤：监测装置由光源、图像采集单元、传输单元、图像数字化单元以及图像处理单元组成；工作时即对材料施加荷载(如拉、压荷载、温度荷载等)过程中，光源对内部预制三维封闭紧贴裂纹的透明材料进行照射，增强采集图片的清晰度并减少前后图片对比的现场误差，图像采集单元对透明材料的实时状态进行图片采集，并通过传输单元将采集到的各个位置的实时图片传输到图像数字化单元进行数字化处理；图像处理单元将图像含有每个像素点RGB数据的矩阵通过前后照片数据对比，得到图像在一个方向上时间尺度上的每一个像素点实时变化，通过设置该方向上单个像素点数据差别阀值fc，并将像素点采用颜色进行突显，其中，超过差别阀值fc的像素点判别为差别重要的像素点，并设为一种颜色，未超过差别阀值fc的像素点设为差别不重要的像素点，并另一种颜色；同时设置超过差别阀值像素点的数目阀值fd，当超过数目阀值fd时，认为裂纹开始起裂，监测装置进行自动报警，实现所述透明材料内部三维内置裂纹起裂预警及扩展实时监测。

[0063] 其中，通过其中三个不同方向的图像像素点RGB数据进行裂纹扩展的定位，用第四个方向的图像进行位置校核，达到裂纹的三维重构；所述三个不同方向分别为相互垂直的x方向、y方向以及不在x、y所在平面的方向；所述第四个方向为不同于所述三个不同方向的任意方向。所述像素点数据差别阀值fc是区分两个对比图像中差别重要像素点和差别不重要像素点的临界值，若max{|fij(R)-gij(R)|,|fij(G)-gij(G)|,|fij(B)-gij(B)|}≤fc，则该像素点为差别不重要的像素点；反之则为差别重要的像素点；式中f、g为两个图像的像素函数，i、j为图像竖直和水平方向的像素的单位坐标。并且，所述数目阀值fd是判别裂纹是否起裂的临界值，其为：fd＝1％N，式中N为内部预制三维封闭紧贴裂纹在图像数字化后的像素个数。

[0064] 如图3所示，在本实施例中，此为像素点数字化后容差25的前后两个过程对比图，图中画圈位置为三维封闭紧贴裂纹扩展处。

[0065] 实施例2

[0066] 一种透明材料内置裂纹起裂预警及扩展实时监测的方法，包括以下步骤：监测装置由光源、图像采集单元、传输单元、图像数字化单元以及图像处理单元组成；工作时，光源对内部预制三维封闭紧贴裂纹的透明材料进行照射，增强采集图片的清晰度并减少前后图片对比的现场误差，图像采集单元对透明材料的实时状态进行图片采集，并通过传输单元将采集到的各个位置的实时图片传输到图像数字化单元进行数字化处理，将图像采集单元采集到的图片进行灰度化处理后再进行数字化处理，图像处理单元将图像含有每个像素点RGB数据的矩阵转化为每个像素点的R、G、B三个分量的平均值Y的矩阵，其中Y＝(R+G+B)/3；图像处理单元将图像含有每个像素点Y数据的矩阵通过前后照片数据对比，得到图像在一个方向上时间尺度上的每一个像素点实时变化，通过设置该方向上单个像素点数据差别阀值fc，并将像素点采用颜色进行突显，其中，超过差别阀值fc的像素点判别为差别重要的像素点，并设为一种颜色，未超过差别阀值fc的像素点设为差别不重要的像素点，并另一种颜色；同时设置超过差别阀值像素点的数目阀值fd，当超过数目阀值fd时，认为裂纹开始起裂，监测装置进行自动报警，实现所述透明材料内部三维内置裂纹起裂预警及扩展实时监测。
其中，所述像素点数据差别阀值fc是区分两个对比图像中差别重要像素点和差别不重要像素点的临界值，若max{|fij(Y)-gij(Y)|}≦fc，则该像素点为差别不重要的像素点；反之则为差别重要的像素点；式中f、g为两个图像的像素函数，i、j为图像竖直和水平方向的像素的单位坐标。并且，所述数目阀值fd是判别裂纹是否起裂的临界值，其为：fd＝1％N，式中N为内部预制三维封闭紧贴裂纹在图像数字化后的像素个数。

[0067] 实施例3

[0068] 一种透明材料内部三维内置裂纹起裂预警及扩展实时监测的方法，包括以下步骤：监测装置由光源、图像采集单元、传输单元、图像数字化单元以及图像处理单元组成；工作时，光源对内部预制三维封闭紧贴裂纹的透明材料进行照射，增强采集图片的清晰度并减少前后图片对比的现场误差，图像采集单元对透明材料的实时状态进行图片采集，并通过传输单元将采集到的各个位置的实时图片传输到图像数字化单元进行数字化处理，将图像采集单元采集到的图片进行灰度化处理后再进行数字化处理，图像处理单元将图像含有每个像素点RGB数据的矩阵转化为每个像素点的亮度Y的矩阵，其中Y＝0.3R+0.59G+0.11B；图像处理单元将图像含有每个像素点Y数据的矩阵通过前后照片数据对比，得到图像在一个方向上时间尺度上的每一个像素点实时变化，通过设置该方向上单个像素点数据差别阀值fc，并将像素点采用颜色进行突显，其中，超过差别阀值fc的像素点判别为差别重要的像素点，并设为一种颜色，未超过差别阀值fc的像素点设为差别不重要的像素点，并另一种颜色；同时设置超过差别阀值像素点的数目阀值fd，当超过数目阀值fd时，认为裂纹开始起裂，监测装置进行自动报警，实现所述透明材料内部三维内置裂纹起裂预警及扩展实时监测。
其中，所述像素点数据差别阀值fc是区分两个对比图像中差别重要像素点和差别不重要像素点的临界值，若max{|fij(Y)-gij(Y)|}≦fc，则该像素点为差别不重要的像素点；反之则为差别重要的像素点；式中f、g为两个图像的像素函数，i、j为图像竖直和水平方向的像素的单位坐标。并且，所述数目阀值fd是判别裂纹是否起裂的临界值，其为：fd＝1％N，式中N为内部预制三维封闭紧贴裂纹在图像数字化后的像素个数。

[0069] 实施例4：

[0070] 一种透明材料内部预制三维内置裂纹的方法，包括以下步骤：取一完整人工水晶，选定预制裂纹的位置，对预制裂纹尺寸、形状进行建模；通过透镜聚焦激光，所述激光的能量密度在进入人工水晶及到达预制裂纹的位置之前低于人工水晶的破坏阈值，在预制裂纹的位置超过人工水晶的破坏阈值；激光脉冲使透明材料受热破裂，在预制裂纹的位置覆盖区域产生一破裂点；重复上述过程，在所述覆盖区域内形成由一组破裂点组成的破裂面，同时破裂面外边缘形成一圈整齐的裂纹扩展区并与所述破裂面相连，在预制裂纹的位置形成三维内置裂纹，而人工水晶的其余部分保持原样。其中，所述激光波长为532nm，脉宽为1ns，脉冲能量为1mJ。所述破裂点大小为5μm，所述破裂点的水平距离0.005mm，垂直距离0.06mm，且破裂面的层数为3层。可以成功得到带有预制裂纹的人工水晶。如图4-6所示，在透明的人工水晶上得到的裂隙是一个平整面，仅是一个面上，方向一致，整体性很强，并无其他多余裂隙，边缘整齐。将其应用在研究预制裂纹扩展及破坏的脆性材料(如岩石、混凝土、陶瓷等)实验研究中。

[0071] 进行脆性透明材料内部三维内置封闭紧贴裂纹的研究，实验设备：加载装置：三思纵横WAW-600微机控制电液伺服加载系统，包含最大试验力600kN的万能试验机，DSCC-5000多通道电液伺服闭环控制系统单轴压缩实验，采用力控制的加载方式，加载速率为1000N/s。

[0072] 未施压时，如图7所示；

[0073] 0-90kN为压实阶段，如图8所示，未施压之前的细小裂纹被压实；

[0074] 压力达到90kN后，如图9所示，预制裂隙下端开始发生微小扩展，扩展范围持续扩大，此为裂纹萌生阶段。

[0075] 230kN时，如图10所示，试件顶部出现了可能由应力集中，产生的表面裂缝，但其并未对预制裂纹的扩展造成影响。内置裂纹端部的翼形裂纹继续扩展，变长；

[0076] 压力达到420kN，如图11所示，试件深埋裂纹扩展至试样边缘，整个试件破坏。

[0077] 实施例5：

[0078] 如图12-14所示，采用实施例1的方法还可以制作V、X、Z型裂纹，用于测量不同类型内置裂纹的破坏过程并进行监测，并探究这三种裂纹与单裂纹扩展、贯通的区别。其中，所述激光波长为1064nm，脉宽为30ns，脉冲能量为300mJ。所述破裂点大小为80μm，所述破裂点的水平距离0.1mm，垂直距离0.1mm，且破裂面的层数为10层。

[0079] 实施例6：

[0080] 如图15-16所示，在圆柱形的人工水晶上采用实施例4的方法同样可以制作裂纹，学术名称为巴西圆盘，用于测量脆性材料内部裂纹对其的抗拉强度、弹性模量和断裂韧度等的影响及内置裂纹在拉应力作用下的扩展。其中，所述激光波长为532nm，脉宽为20ns，脉冲能量为48.9mJ。所述破裂点大小为20μm，所述破裂点的水平距离0.01mm，垂直距离0.08mm，且破裂面的层数为6层。

[0081] 实施例7：

[0082] 如图17-18所示，在人工水晶上开一孔洞，采用实施例4的方法模拟圆形地下洞室，裂纹用来模拟洞室岩体之内的断裂面。其中，所述激光波长为532nm，脉宽为10ns，脉冲能量为69mJ。所述破裂点大小为20μm，所述破裂点的水平距离0.005mm，垂直距离0.06mm，且破裂面的层数为8层。

[0083] 实施例8：

[0084] 如图19-20所示，在人工水晶上开一孔洞，采用实施例4的方法模拟另一种圆形地下洞室，裂纹用来模拟洞室岩体之内的断裂面。其中，所述激光波长为1064nm，脉宽为25ns，脉冲能量为110mJ。所述破裂点大小为30μm，所述破裂点的水平距离0.009mm，垂直距离0.07mm，且破裂面的层数为4层。

[0085] 实施例9：

[0086] 一种透明材料内部三维内置裂纹的方法，包括以下步骤：取一完整透明材料，选定预制裂纹的位置，对预制裂纹尺寸、形状进行建模；通过透镜聚焦激光，所述激光的能量密度在进入透明材料及到达预制裂纹的位置之前低于透明材料的破坏阈值，在预制裂纹的位置超过透明材料的破坏阈值；激光脉冲使透明材料受热破裂，在预制裂纹的位置覆盖区域产生一破裂点；重复上述过程，在所述覆盖区域内形成由一组破裂点组成的破裂面，同时破裂面外边缘形成一圈整齐的裂纹扩展区并与所述破裂面相连，在预制裂纹的位置形成内部三维内置裂纹，而透明材料的其余部分保持原样。其中，所述激光波长为532nm，脉宽为10ns，脉冲能量为5mJ。所述破裂点大小为5μm，所述破裂点的水平距离0.005mm，垂直距离
0.06mm，且破裂面的层数为3层。

[0087] 上述的透明材料按照重量组分计，包括以下组分：

[0088]

[0089]

[0090] 所述透明材料的制备工艺，包括以下步骤：

[0091] 1)将纳米二氧化硅溶解在甲苯和水溶液中，混合均匀后加入甲基丙烯酸-3-甲氧基硅丙酯，40℃下磁力搅拌24h，备用；

[0092] 2)将三烯丙基异三聚氰酸酯溶解在去离子水中，在搅拌的条件下，逐滴滴加步骤1)中所得分散液，滴加完成后，搅拌20min后，在超声波细胞粉碎仪中超声30min，备用；

[0093] 3)将步骤2)中制备的混合物倒入反应釜中，搅拌并通入氮气保护，逐滴滴加聚乙烯醇，升温至到50℃，反应4h后，降温后经铜网过滤出料，经过乙醇洗涤、抽滤后的产物在真空烘箱中烘干，备用；

[0094] 4)将步骤3)中所得的产物和研磨后的石英砂、硼酸、碳酸钡、碳酸钙、碳酸锌、碳酸钠、白云母粉，锆英砂、三氧化二砷、二氧化钛、氧化镧，充分混和均匀后倒入石英坩埚内，置于能够精确控温的硅钼棒电炉中熔制，1250℃熔融，1300℃高温澄清，熔制结束后倒出玻璃液，通过模具成型；将得到的成型品放入硅碳棒电炉中，520℃保温180min，以2℃/min的降温速率降温至300℃，300℃保温60min，以5℃/min的降温速率降温至50℃，关炉，自然冷却至室温，得所述透明材料。

[0095] 实施例10：

[0096] 一种透明材料内部预制三维内置裂纹的方法，包括以下步骤：取一完整透明材料，选定预制裂纹的位置，对预制裂纹尺寸、形状进行建模；通过透镜聚焦激光，所述激光的能量密度在进入透明材料及到达预制裂纹的位置之前低于透明材料的破坏阈值，在预制裂纹的位置超过透明材料的破坏阈值；激光脉冲使透明材料受热破裂，在预制裂纹的位置覆盖区域产生一破裂点；重复上述过程，在所述覆盖区域内形成由一组破裂点组成的破裂面，同时破裂面外边缘形成一圈整齐的裂纹扩展区并与所述破裂面相连，在预制裂纹的位置形成三维内置裂纹，而透明材料的其余部分保持原样。其中，所述激光波长为1064nm，脉宽为30ns，脉冲能量为300mJ。所述破裂点大小为80μm，所述破裂点的水平距离0.1mm，垂直距离
0.1mm，且破裂面的层数为10层。

[0097] 上述的透明材料按照重量组分计，包括以下组分：

[0098]

[0099]

[0100] 所述透明材料的制备工艺，包括以下步骤：

[0101] 1)将纳米二氧化硅溶解在甲苯和水溶液中，混合均匀后加入甲基丙烯酸-3-甲氧基硅丙酯，40℃下磁力搅拌24h，备用；

[0102] 2)将三烯丙基异三聚氰酸酯溶解在去离子水中，在搅拌的条件下，逐滴滴加步骤1)中所得分散液，滴加完成后，搅拌40min后，在超声波细胞粉碎仪中超声50min，备用；

[0103] 3)将步骤2)中制备的混合物倒入反应釜中，搅拌并通入氮气保护，逐滴滴加聚乙烯醇，升温至到100℃，反应6h后，降温后经铜网过滤出料，经过乙醇洗涤、抽滤后的产物在真空烘箱中烘干，备用；

[0104] 4)将步骤3)中所得的产物和研磨后的石英砂、硼酸、碳酸钡、碳酸钙、碳酸锌、碳酸钠、白云母粉，锆英砂、三氧化二砷、二氧化钛、氧化镧，充分混和均匀后倒入石英坩埚内，置于能够精确控温的硅钼棒电炉中熔制，1500℃熔融，1600℃高温澄清，熔制结束后倒出玻璃液，通过模具成型；将得到的成型品放入硅碳棒电炉中，520℃保温180min，以2℃/min的降温速率降温至300℃，300℃保温60min，以5℃/min的降温速率降温至50℃，关炉，自然冷却至室温，得所述透明材料。

[0105] 实施例11：

[0106] 一种透明材料内部预制三维内置裂纹的方法，包括以下步骤：取一完整透明材料，选定预制裂纹的位置，对预制裂纹尺寸、形状进行建模；通过透镜聚焦激光，所述激光的能量密度在进入透明材料及到达预制裂纹的位置之前低于透明材料的破坏阈值，在预制裂纹的位置超过透明材料的破坏阈值；激光脉冲使透明材料受热破裂，在预制裂纹的位置覆盖区域产生一破裂点；重复上述过程，在所述覆盖区域内形成由一组破裂点组成的破裂面，同时破裂面外边缘形成一圈整齐的裂纹扩展区并与所述破裂面相连，在预制裂纹的位置形成三维内置裂纹，而透明材料的其余部分保持原样。其中，所述激光波长为532nm，脉宽为25ns，脉冲能量为160mJ。所述破裂点大小为40μm，所述破裂点的水平距离0.05mm，垂直距离
0.08mm，且破裂面的层数为7层。

[0107] 上述的透明材料按照重量组分计，包括以下组分：

[0108]

[0109]

[0110] 所述透明材料的制备工艺，包括以下步骤：

[0111] 1)将纳米二氧化硅溶解在甲苯和水溶液中，混合均匀后加入甲基丙烯酸-3-甲氧基硅丙酯，40℃下磁力搅拌24h，备用；

[0112] 2)将三烯丙基异三聚氰酸酯溶解在去离子水中，在搅拌的条件下，逐滴滴加步骤1)中所得分散液，滴加完成后，搅拌30min后，在超声波细胞粉碎仪中超声40min，备用；

[0113] 3)将步骤2)中制备的混合物倒入反应釜中，搅拌并通入氮气保护，逐滴滴加聚乙烯醇，升温至到80℃，反应5h后，降温后经铜网过滤出料，经过乙醇洗涤、抽滤后的产物在真空烘箱中烘干，备用；

[0114] 4)将步骤3)中所得的产物和研磨后的石英砂、硼酸、碳酸钡、碳酸钙、碳酸锌、碳酸钠、白云母粉，锆英砂、三氧化二砷、二氧化钛、氧化镧，充分混和均匀后倒入石英坩埚内，置于能够精确控温的硅钼棒电炉中熔制，1400℃熔融，1500℃高温澄清，熔制结束后倒出玻璃液，通过模具成型；将得到的成型品放入硅碳棒电炉中，520℃保温180min，以2℃/min的降温速率降温至300℃，300℃保温60min，以5℃/min的降温速率降温至50℃，关炉，自然冷却至室温，得所述透明材料。

[0115] 上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。