CN105091754B - 一种便携式纤维分析仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种便携式纤维分析仪，用于检测植物纤维的长度和宽度。该装置包括进样流送模块、观测模块、摄像模块和图像分析模块。进样流送模块通过液位控制和定时器来实现自动进样；观测模块采用特殊的方形玻璃槽，既减少了纤维成像失焦问题，又有效地防止纤维堵塞；摄像模块由摄像头、显微镜头、LED光源和透镜组成；图像分析模块包括微型计算机和纤维分析程序。该装置具有精度高和便携的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种便携式纤维分析仪，具体涉及基于图像分析来检测纤维悬浮液中纤维长度和宽度的装置，属于纸浆纤维原料分析的测量技术领域。
背景技术
在造纸过程中，纸张的物理性质与光学性质直接取决于纤维的质量。纤维质量取决于纤维的种类和制浆方法。其中后者好坏的主要表征方法是分析纤维长度及其分布。
制浆造纸过程中实际纤维长度与目标纤维长度分布往往存在一定的偏差。为了响应这些偏差并及时进行调整或控制，目前普遍采用在线测量或分析纤维长度分布。相对于传统的筛分分级方法(如Bauer-McNett筛分方法)来确定纤维长度分布，在线测量分析法具有测量速度快和精度高的特点。
在线测量分析法的测量原理是使纤维在悬浮态条件下泵入透明的流动池内，拍摄得到图像并进行分析。目前主要纤维分析仪包括L&W Fibertester，Kajaani FS系列、纤维质量分析仪(FQA)和Galai CIS-100等。这些分析设备的主要缺点是价格高和设备体积庞大。
发明内容
本发明的目的是提供一种精度高和具便携性的纤维分析仪。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
提供一种便携式纤维分析仪，包括：进样流送模块、观测模块、摄像模块和图像分析模块。
进样模块由贮浆槽(1)、微型自吸泵(2)、微型蠕动泵(3)、进样管(4)、搅拌器(5)、硅胶管和控制电路板(6)组成。
进样流送模块中贮浆槽(1)用于存放待测试样，体积为50-150mL，其侧面开孔并通过管道与微型自吸泵(2)连接，其底面开孔通过管道与方形玻璃槽(7)的一端连接；微型自吸泵(2)的一端与进样管(4)连接，另一端与贮浆槽(1)连接；贮浆槽(1)内纤维悬浮液的浓度不高于0.001％；微型蠕动泵(3)的一端通过硅胶管与方形玻璃槽(7)连接，另一端与排浆口(13)连接；搅拌器(5)位于贮浆槽(1)的上方，转速范围为20-60rpm，用于保持纤维悬浮。
控制电路板(6)采用单片机来控制进样流送模块中微型自吸泵(2)的启停状态和微型蠕动泵(3)运行速度及启停状态。
当同时满足两个条件-未达到设定贮浆槽(1)液位和基于单片机的定时器归零，启动微型自吸泵(2)，当未能同时满足两个条件时，停止微型自吸泵(2)，同时启动定时器开始倒计时；液位控制是通过比较位于贮浆槽(1)侧壁上的两个金属探头(61)在都浸没与未都浸没两种情况下的电位与参考电位的高低来实现的。
微型蠕动泵(3)运行速度通过单片机采用脉冲宽度调制(PWM)模式进行调节，微型蠕动泵(3)的启停基于定时器归零与否，即启动定时器时，启动微型蠕动泵(3)，当定时器归零时，停止微型蠕动泵(3)。
观测模块为方形玻璃槽(7)，其材质采用光学玻璃，方形玻璃槽(7)的透光面为平面，观测面的中间部分为平面，与透光面的间距为0.3-0.8mm，中间部分经平滑过渡后的两端为平面，与透光面的间距为2-5mm，方形玻璃槽(7)一端与贮浆槽(1)连接，另一端与排浆口(13)连接。
摄像模块由显微镜头(8)、摄像头(9)、LED光源(10)和透镜(11)组成，摄像模块中摄像头(9)与显微镜头(8)相连，并与方形玻璃槽(7)观测面的中间平面正对，其通过USB接口与微型计算机连接；摄像头(9)采用全局电子快门的CCD或CMOS，最小曝光时间不高于0.01ms；LED光源(10)通过透镜(11)形成面光源，位于方形玻璃槽(7)的透光面一侧，与摄像头(9)正对。
图像分析模块由微型计算机(12)和纤维分析程序组成；纤维分析程序包括以下步骤：1)基于差影法和阈值分割得到二值图像，2)基于二值图像形态学对于纤维图像进行骨架提取(skeleton)，根据骨架提取后纤维的投影面积来计算纤维长度，基于原二值图像中纤维的投影面积与纤维长度之比来计算纤维宽度，3)定义最小纤维长宽比和最小纤维长度，当分析对象的长宽比和长度分别都大于最小纤维长宽比和最小纤维长度，记为有效纤维并进行统计，4)最终输出纤维长度分布、纤维宽度分布、平均纤维长度和平均纤维宽度四个统计量。
本发明采用液位控制和定时器来实现自动进样，控制机构简单紧凑，采用特定的方形玻璃槽，既减少了纤维成像失焦问题，又有效地防止了纤维的堵塞。此外，本发明除需要220V交流供电外，无需其它附属设备，具有便携和操作简便的特点。
附图说明
图1本发明装置原理示意图
图2本发明装置结构示意图
图3观测槽的三维结构示意图
图4纤维分析原理示意图
具体实施方式
以下列举1个实例用于说明本发明的效果，但本发明的要求范围并非仅限于此。
如图1和图2，一种便携式纤维分析仪，包括进样流送模块、观测模块、摄像模块和图像分析模块。
进样模块由贮浆槽(1)、微型自吸泵(2)、微型蠕动泵(3)、进样管(4)、搅拌器(5)、硅胶管和控制电路板(6)组成。
进样流送模块中贮浆槽(1)用于存放待测试样，体积为100mL，其侧面开孔并通过塑料管与微型自吸泵(2)连接，其底面开孔通过管道与方形玻璃槽(7)的一端连接；微型自吸泵(2)的一端与进样管(4)连接，另一端与贮浆槽(1)连接；贮浆槽(1)内纤维悬浮液的浓度不高于0.001％；微型蠕动泵(3)的一端通过硅胶管与方形玻璃槽(7)连接，另一端与排浆口(13)连接；搅拌器(5)位于贮浆槽(1)的上方，转速范围为40rpm，用于保持纤维悬浮。
控制电路板(6)采用52单片机来控制进样流送模块中微型自吸泵(2)的启停状态和微型蠕动泵(3)运行速度及启停状态。
当同时满足两个条件-未达到设定贮浆槽(1)液位和基于单片机的定时器归零，启动微型自吸泵(2)，当未能同时满足两个条件时，停止微型自吸泵(2)，同时启动定时器开始倒计时。
液位控制是通过比较器LM393比较位于贮浆槽(1)侧壁上的两个金属探头(61)在都浸没与未都浸没两种情况下的电位和参考电位的高低来实现的。
微型蠕动泵(3)运行速度通过单片机采用脉冲宽度调制(PWM)模式进行调节，微型蠕动泵(3)的启停基于定时器归零与否，即启动定时器时，启动微型蠕动泵(3)，当定时器归零时，停止微型蠕动泵(3)。
如图3，观测模块为方形玻璃槽(7)，其材质采用光学玻璃，方形玻璃槽(7)的透光面为平面，观测面的中间部分为平面，与透光面的间距为0.5mm，中间部分经平滑过渡后的两端为平面，与透光面的间距为3mm，方形玻璃槽(7)一端与贮浆槽(1)连接，另一端与排浆口(13)连接。
摄像模块由显微镜头(8)、摄像头(9)、LED光源(10)和透镜(11)组成，摄像模块中摄像头(9)与显微镜头(8)相连，并与方形玻璃槽(7)观测面的中间平面正对，其通过USB接口与微型计算机连接。
摄像头(9)采用全局电子快门的CCD或CMOS，最小曝光时间不高于0.01ms，拍摄速度为10fps。
采用1W的LED光源(10)通过透镜(11)形成面光源，通过支架固定于方形玻璃槽(7)的透光面正下方，并与摄像头(9)正对。
图像分析模块由配置USB2.0以上接口的微型计算机(12)和纤维分析程序组成；纤维分析程序包括以下步骤(如图4)：
1)根据待测图像和背景图像进行差影法，消除不均一布光，再根据Ostu方法进行阈值分割，得到二值化图像；
2)基于二值图像形态学对于纤维图像进行骨架提取(如Matlab软件中bwmorph函数)，根据骨架提取后纤维的投影面积来计算纤维长度，基于原二值图像中纤维的投影面积与纤维长度之比来计算纤维宽度；
3)定义最小纤维长宽比和最小纤维长度，当分析对象的长宽比和长度分别都大于最小纤维长宽比(如15∶1)和最小纤维长度(如60μm)，记为有效纤维并进行统计；
4)最终输出纤维长度分布、纤维宽度分布、平均纤维长度和平均纤维宽度四个统计量。
纤维图像测量过程如下，当烧杯(14)加入完全分散的待测纤维悬浮液，把进样管(4)插入到烧杯(14)中，打开总电源，控制电路板(6)上基于单片机的定时器初始化归零。根据两个金属探头(61)间的电位和定时器为条件，判断是否需要启动微型自吸泵(2)。如果符合条件，则启动微型自吸泵(2)，同时启动定时器倒计时。如果不符合条件，则停止微型自吸泵(2)。当定时器启动时，控制电路板(6)启动微型蠕动泵(3)，等待1min后(即纤维悬浮液在观测槽平稳流动后)，控制电路板(6)可通过串口启动摄像头(9)拍摄。当定时器倒计时归零后(即关闭定时器)，将停止微型蠕动泵(3)和摄像头(9)拍摄。至此，一个试样测量完毕。
在下次测量前，只需要将烧杯(14)加入蒸馏水，重复以上的过程，用于清洗贮浆槽(1)、方形观测槽(7)和管道。
Claims (3)
1.一种便携式纤维分析仪，包括：
(a)进样流送模块：
由贮浆槽(1)、微型自吸泵(2)、微型蠕动泵(3)、进样管(4)、搅拌器(5)、硅胶管和控制电路板(6)组成；其特征在于所述的进样流送模块中贮浆槽(1)用于存放待测试样，体积为50-150mL，其侧面开孔并通过管道与微型自吸泵(2)连接，其底面开孔通过管道与方形玻璃槽(7)的一端连接；微型自吸泵(2)的一端与进样管(4)连接，另一端与贮浆槽(1)连接；贮浆槽(1)内纤维悬浮液的浓度不高于0.001％；微型蠕动泵(3)的一端通过硅胶管与方形玻璃槽(7)连接，另一端与排浆口(13)连接；搅拌器(5)位于贮浆槽(1)的上方，转速范围为20-60rpm；
(b)观测模块：
由方形玻璃槽(7)组成；
(c)摄像模块：
由显微镜头(8)、摄像头(9)、LED光源(10)和透镜(11)组成；摄像头(9)与显微镜头(8)相连，并与方形玻璃槽(7)观测面的中间平面正对，其通过USB接口与微型计算机(12)连接；摄像头(9)采用全局电子快门的CCD或CMOS，最小曝光时间不高于0.01ms；LED光源(10)通过透镜(11)形成面光源，位于方形玻璃槽(7)的透光面一侧，与摄像头(9)正对；
(d)图像分析模块：
由微型计算机(12)和纤维分析程序组成；
其特征在于控制电路板(6)采用单片机来控制进样流送模块中微型自吸泵(2)的启停状态和微型蠕动泵(3)运行速度及启停状态；当同时满足两个条件-未达到设定贮浆槽(1)液位和基于单片机的定时器归零，启动微型自吸泵(2)，当未能同时满足两个条件时，停止微型自吸泵(2)，同时启动定时器开始倒计时；液位控制是通过比较位于贮浆槽(1)侧壁上的两个金属探头(61)在都浸没与未都浸没两种情况下的电位与参考电位的高低来实现的；微型蠕动泵(3)运行速度通过单片机采用脉冲宽度调制(PWM)模式进行调节，微型蠕动泵(3)的启停基于定时器归零与否，即启动定时器时，启动微型蠕动泵(3)，当定时器归零时，停止微型蠕动泵(3)。
2.根据权利要求1所述的纤维分析仪，其特征在于所述的方形玻璃槽(7)，其观测面的中间部分为平面，与透光面的间距为0.3-0.8mm，中间部分经平滑过渡后的两端为平面，与透光面的间距为2-5mm。
3.根据权利要求1所述的纤维分析仪，其特征在于所述的图像分析模块包括微型计算机(12)和纤维分析程序；纤维分析程序包括以下步骤：1)基于差影法和阈值分割得到二值图像，2)基于二值图像形态学对于纤维图像进行骨架提取(skeleton)，根据骨架提取后纤维的投影面积来计算纤维长度，基于原二值图像中纤维的投影面积与纤维长度之比来计算纤维宽度，3)定义最小纤维长宽比和最小纤维长度来判断是否归入纤维并进行统计，4)最终输出纤维长度分布、纤维宽度分布、平均纤维长度和平均纤维宽度四个统计量。
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