CN103076265A - 一种颗粒分布和直径的测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种颗粒分布和直径的测量装置，其包括外壳体、喷嘴、激光器、相机、控制单元、计算机，并通过枢转装置及滑轨装置而随意调节激光器和相机位置和角度的方式利用高速摄影的方法来获得激光片光截面照射的颗粒的连续图像，并将该图像传送至计算机中进行分析，在进行颗粒直径和分步计算时，根据交比不变性原理进行图像畸变校正，省略了寻找控制点坐标点的过程，以简化实验操作步骤，本发明构造简单，调节容易，通过校正图像而使得测量结果更加精确。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量装置，具体地涉及一种颗粒分布和直径的测量装置。
背景技术
随着激光及计算机技术的飞速发展及广泛应用，以激光散射、衍射和干涉原理开发出了许多新的流场测试技术，其中可以实现粒度测量的方法主要有激光相位多普勒技术（Phase Doppler Patricle Analyzer, PDPA）、激光衍射散射技术和粒子图像测速测径技术（Particle Image Velocimetry and Sizing，PIVS）。PDPA测量时要求空间数据遍及测试系统，光路系统复杂，不便于调试，且只能完成流场的单点高精度测量。激光衍射散射技术得到的是通过激光光束的粒子散射信息，测试系统反应时间较长，不能进行瞬时测量。PIVS技术采用激光片光照明测试流场的粒子，用CCD摄像头获取垂直于流场方向截面内粒子的像，通过数字图像处理的方法来识别粒子的像和统计分析其所占像素的多少来确定其等效直径的大小，既解决了单点测量技术的不足，又实现了流场中粒度分布的瞬时测量，已成功应用于细水雾粒径测量和爆炸抛撒水雾粒度研究和火灾烟雾探测中。但该方法不具有普适性：成像系统比较复杂，需要将CCD摄像头、摄像头控制单元和帧捕捉卡配合使用，帧率仅为25FPS，使得高速粒子无法及时捕获；且在图像标定过程中采用多项式拟合的方法，该方法需要对每一种成像条件提供控制点坐标，实验操作步骤较为繁琐。此外，目前现有技术中，还没有能够对颗粒进行多角度多位置的测量装置，不能满足实际的工作需要。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种颗粒分布和直径的测量装置，其包括圆锥形的外壳体，在圆锥形外壳体内部的顶端设置有能够贯通外壳体内部和外部的通孔，在通孔处设置有喷嘴，该喷嘴与设置在外壳体外部的输送管道相连通，喷嘴喷射的方向朝向外壳体的内部，输送管道中的颗粒通过喷嘴喷射到外壳体内部，该外壳体的侧面封闭而底面敞开，在外壳体的侧面上分布至少2根从外壳体顶端连接出来并延伸至外壳体底面圆周上的支撑骨架，该支撑骨架与该圆锥形外壳体的母线重合，在支撑骨架上设置有升降机构，该升降机构连接有相机，该相机能通过升降机构能够沿支撑骨架上下移动，相机中镜头的方向对准圆锥形外壳体的内部并能够上下调节镜头方向，从而能够拍摄颗粒通过喷嘴喷射后在行程中初始、中间以及完成的不同阶段的图像，该圆锥形外壳体与电机相连接，该电机能够根据不同的测量需要控制圆锥形外壳体的锥角进行变化，从而控制外壳体圆锥形的敞开幅度以调整喷嘴喷射颗粒的喷射范围，在圆锥形外壳体的底面圆周上设置有滑轨，在滑轨上设置有激光器，该激光器能够通过其内部的片光系统向外壳体的内部发射激光片光，激光器与圆锥形外壳体底面圆周上的滑轨之间通过枢转结构连接，这样激光器能够沿底面滑轨进行圆周移动并能够调整激光器发出激光的入射方向，这样配置地调整激光射出方向与喷嘴喷射颗粒方向之间的照射夹角，以使激光能够照射在喷嘴喷射后的行程中初始、中间以及完成的不同阶段的颗粒上以发生不同角度的漫反射，从而分析处于不同阶段颗粒的直径，此外，该颗粒分布测量装置的喷嘴、电机、激光器以及相机都与控制单元连接，控制单元连接至计算机，计算机根据设定的不同程序通过控制单元控制喷嘴喷射的流量、外壳体的圆锥形敞开程度、激光器的入射方向和入射强度、相机的镜头位置和方向，以根据不同需要进行不同的颗粒测量，计算机还能够获取相机在不同位置拍摄的激光照射颗粒的连续运动图像，并通过软件进行颗粒直径以及分布的计算和分析。
优选的是，当计算机获得颗粒的连续运动图像后，首先顺序采用去除噪声、中值滤波、图像局部灰度均匀算法、边缘修正以及图像二值化以进行预处理，获得初始图像，然后提取图像中目标直线构造初始多变形，进一步进行膨胀和腐蚀的二值化操作以获得完整畸变图像，然后根据交比不变性在二维坐标内对畸变图像进行校正，省略了寻找控制点坐标的过程，具体地，根据交比不变性，畸变图像点坐标与校正图像点坐标的关系式为：
式中，为畸变图像的长度，为畸变图像的高度，二者均能够测量得出；为校正图像的长度，为物距，为相机观测方向与激光片光前向的夹角，则只需通过在计算机中设定物距和角度值，就能够根据畸变图像获得校正图像，以实现颗粒图像的几何校正，最后根据校正图像通过统计分析所占像素的多少来确定颗粒等效直径的大小和分布状况。
优选的是，激光器产生厚度1mm，发散角为60°的激光片光。
优选的是，在每根支撑骨架上都设置有相机。
优选的是，当设置至少2个相机时，相机采用相对喷射方向对称的位置放置。
优选的是，所述相机为具有变焦镜头的CCD相机或者CMOS相机。
优选的是，所述相机的曝光时间在1/80-1-5000范围内。
采用本发明的系统能够通过可随意调节激光器和相机位置和角度的方式利用高速摄影的方法来获得激光片光截面照射的颗粒的连续图像，帧率达数千FPS，从而捕获更多的粒子，同时在进行颗粒直径和分步计算时，根据交比不变性原理进行图像畸变校正，省略了寻找控制点坐标点的过程，以简化实验操作步骤。
附图说明
图1是根据本发明中一个代表性实施例的颗粒分布和直径的测量装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将参考附图1对本发明中一个详细的代表性实施例进行描述。
图1示出了一种颗粒分布和直径的测量装置，其包括圆锥形的外壳体1，在圆锥形外壳体1内部的顶端设置有能够贯通外壳体1内部外部的通孔，在通孔处设置有喷嘴3，该喷嘴3与设置在外壳体1外部的输送管道8相连通，喷嘴3喷射的方向朝向外壳体1的内部，输送管道8中的颗粒通过喷嘴3喷射到外壳体内部，该外壳体1的侧面封闭而底面敞开，在外壳体1的侧面上分布至少2根从外壳体1顶端连接出来并延伸至外壳体1底面圆周上的支撑骨架2，该支撑骨架2与该圆锥形外壳体1的母线重合，在支撑骨架2上设置有升降机构，该升降机构连接有相机7，可以选择在每根支撑骨架2上都设置有相机7或者相对喷射方向对称放置，该相机7可以选择具有变焦镜头的CCD相机或者CMOS相机，该相机7的曝光时间在1/80-1-5000范围内，该相机7还能通过升降机构能够沿支撑骨架2上下移动，相机7中镜头的方向对准圆锥形外壳体1的内部并能够上下调节镜头方向，从而能够拍摄颗粒通过喷嘴3喷射后在行程中初始、中间以及完成的不同阶段的图像，该圆锥形外壳体1与电机4相连接，该电机4能够根据不同的测量需要控制圆锥形外壳体1的锥角进行变化，从而调整喷嘴3喷射颗粒的喷射范围，在圆锥形外壳体1的底面圆周上设置有滑轨，在滑轨9上设置有激光器5，该激光器5能够通过其内部的片光系统向外壳体1的内部发射激光片光，具体地可产生厚度1mm，发散角为60°的激光片光，波长的大小取决于所采用的激光器，激光器5与圆锥形外壳体1底面圆周上的滑轨9之间通过枢转结构6连接，这样激光器5能够沿底面滑轨进行圆周移动并能够调整激光器5发出激光的入射方向，这样配置地调整激光射出方向与喷嘴3喷射颗粒方向之间的照射夹角，以使激光能够照射在喷嘴3喷射后的行程中初始、中间以及完成的不同阶段的颗粒上以发生不同角度的漫反射，从而分析处于不同阶段颗粒的直径。
此外，该颗粒分布测量装置的喷嘴3、电机4、激光器5以及相机7都与控制单元9连接，控制单元9连接至计算机10，计算机10根据设定的不同程序通过控制单元控制喷嘴3喷射的流量、外壳体1的圆锥形敞开程度、激光器的入射方向和入射强度、相机7的镜头位置和方向，以根据不同需要进行不同的颗粒测量，计算机10还可以通过控制单元9获取相机7在不同位置拍摄的激光照射颗粒的连续运动图像，并通过软件进行颗粒直径以及分布的计算和分析。
当计算机10获得颗粒的连续运动图像后，首先顺序采用去除噪声、中值滤波、图像局部灰度均匀算法、边缘修正以及图像二值化以进行预处理，获得初始图像，然后提取图像中目标直线构造初始多变形，进一步进行膨胀和腐蚀的二值化操作以获得完整畸变图像，然后根据交比不变性在二维坐标内对畸变图像进行校正，省略了寻找控制点坐标的过程，具体地，根据交比不变性，畸变图像点坐标与校正图像点坐标的关系式为：
式中，为畸变图像的长度，为畸变图像的高度，二者均能够测量得出；为校正图像的长度，为物距，为相机观测方向与激光片光前向的夹角，则只需通过设定物距和角度值，就可以根据畸变图像获得校正图像，以实现颗粒图像的几何校正。
最后根据校正图像通过统计分析所占像素的多少来确定颗粒等效直径的大小和分布状况：
本发明的一个代表性实施例参照附图得到了详细的描述。这些详细的描述仅仅给本领域技术人员更进一步的相信内容，以用于实施本发明的优选方面，并且不会对本发明的范围进行限制。仅有权利要求用于确定本发明的保护范围。因此，在前述详细描述中的特征和步骤的结合不是必要的用于在最宽广的范围内实施本发明，并且可替换地仅对本发明的特别详细描述的代表性实施例给出教导。此外，为了获得本发明的附加有用实施例，在说明书中给出教导的各种不同的特征可通过多种方式结合，然而这些方式没有特别地被例举出来。
Claims (7)
1.一种颗粒分布和直径的测量装置，其包括圆锥形的外壳体，在圆锥形外壳体内部的顶端设置有能够贯通外壳体内部和外部的通孔，在通孔处设置有喷嘴，该喷嘴与设置在外壳体外部的输送管道相连通，喷嘴喷射的方向朝向外壳体的内部，输送管道中的颗粒通过喷嘴喷射到外壳体内部，该外壳体的侧面封闭而底面敞开，在外壳体的侧面上分布至少2根从外壳体顶端连接出来并延伸至外壳体底面圆周上的支撑骨架，该支撑骨架与该圆锥形外壳体的母线重合，在支撑骨架上设置有升降机构，该升降机构连接有相机，该相机能通过升降机构能够沿支撑骨架上下移动，相机中镜头的方向对准圆锥形外壳体的内部并能够上下调节镜头方向，从而能够拍摄颗粒通过喷嘴喷射后在行程中初始、中间以及完成的不同阶段的图像，该圆锥形外壳体与电机相连接，该电机能够根据不同的测量需要控制圆锥形外壳体的锥角进行变化，从而控制外壳体圆锥形的敞开幅度以调整喷嘴喷射颗粒的喷射范围，在圆锥形外壳体的底面圆周上设置有滑轨，在滑轨上设置有激光器，该激光器能够通过其内部的片光系统向外壳体的内部发射激光片光，激光器与圆锥形外壳体底面圆周上的滑轨之间通过枢转结构连接，这样激光器能够沿底面滑轨进行圆周移动并能够调整激光器发出激光的入射方向，这样配置地调整激光射出方向与喷嘴喷射颗粒方向之间的照射夹角，以使激光能够照射在喷嘴喷射后的行程中初始、中间以及完成的不同阶段的颗粒上以发生不同角度的漫反射，从而分析处于不同阶段颗粒的直径，此外，该颗粒分布测量装置的喷嘴、电机、激光器以及相机都与控制单元连接，控制单元连接至计算机，计算机根据设定的不同程序通过控制单元控制喷嘴喷射的流量、外壳体的圆锥形敞开程度、激光器的入射方向和入射强度、相机的镜头位置和方向，以根据不同需要进行不同的颗粒测量，计算机还能够通过控制单元获取相机在不同位置拍摄的激光照射颗粒的连续运动图像，并通过软件进行颗粒直径以及分布的计算和分析。
2.根据权利要求1所述的颗粒分布和直径的测量装置，其特征在于：当计算机获得颗粒的连续运动图像后，首先顺序采用去除噪声、中值滤波、图像局部灰度均匀算法、边缘修正以及图像二值化以进行预处理，获得初始图像，然后提取图像中目标直线构造初始多变形，进一步进行膨胀和腐蚀的二值化操作以获得完整畸变图像，然后根据交比不变性在二维坐标内对畸变图像进行校正，省略了寻找控制点坐标的过程，具体地，根据交比不变性，畸变图像点坐标与校正图像点坐标的关系式为：
式中，为畸变图像的长度，为畸变图像的高度，二者均能够测量得出；为校正图像的长度，为物距，为相机观测方向与激光片光前向的夹角，则只需通过在计算机中设定物距和角度值，就能够根据畸变图像获得校正图像，以实现颗粒图像的几何校正，最后根据校正图像统计分析所占像素的比例来确定颗粒等效直径的大小和分布状况。
3.根据权利要求2所述的颗粒分布和直径的测量装置，其特征在于：激光器产生厚度1mm，发散角为60°的激光片光。
4. 根据权利要求3所述的颗粒分布和直径的测量装置，其特征在于：在每根支撑骨架上都设置有相机。
5.根据权利要求4所述的颗粒分布和直径的测量装置，其特征在于：当设置至少2个相机时，相机采用相对喷射方向对称的位置放置。
6.根据权利要求5所述的颗粒分布和直径的测量装置，其特征在于：所述相机为具有变焦镜头的CCD相机或者CMOS相机。
7.根据权利要求6所述的颗粒分布和直径的测量装置，其特征在于：所述相机的曝光时间在1/80-1-5000范围内。
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