CN106461526A - 用于确定颗粒混合物的颗粒尺寸和/或颗粒形状的设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于确定颗粒(T)的颗粒尺寸和/或颗粒形状的设备，所述颗粒(T)作为颗粒流被导引通过测量段(M)，所述设备包括：照明装置(4)，所述照明装置(4)用于从后侧照亮测量段(M)中的颗粒流；相机(5)，所述相机(5)用于从前侧捕获被照明装置(4)照亮的颗粒(T)的阴影投影；以及分析单元(7)，所述分析单元(7)使用相机(5)的捕获图像来确定所记录的颗粒(T)的颗粒尺寸和/或颗粒形状。相机(5)与投影装置(6)配对，所述投影装置(6)被布置在测量段(M)的前侧上并且被定位为相对于相机(5)成三角测量角α，以便将光线(L)投射到测量段(M)中的颗粒流的颗粒(T)上，所述光线被相机(5)捕获，在分析单元(7)中从光线(L)的形状确定关于所检测的颗粒(T)的深度信息和/或几何信息。
Description
本发明涉及一种用于确定颗粒混合物的颗粒的颗粒尺寸和/或颗粒形状的设备，该设备包括：输送装置，所述输送装置分离颗粒混合物的颗粒并随后将它们作为颗粒流传送通过测量段；照明装置，所述照明装置被设置在测量段的一侧——后侧，并且指向测量段，以便从后侧照亮测量段中的颗粒流；相机，所述相机被定位在测量段的前侧上，与照明装置对置并指向测量段，以便记录被照明装置照亮的颗粒的阴影投影；以及分析单元，所述分析单元借助相机照片来确定记录的颗粒的颗粒尺寸和/或颗粒形状。此外，发明涉及用于确定颗粒混合物的颗粒尺寸和/或颗粒形状的方法，其中，颗粒混合物的颗粒被分离并且随后作为颗粒流传送通过测量段，借助照明装置从测量段的后侧照亮颗粒流，被照亮的颗粒阴影投影被相机从测量段的前侧记录，并且借助相机照片来确定记录的颗粒的颗粒尺寸和/颗粒形状。
在数码图像处理的协助下分析块状材料的颗粒形状和尺寸是一种广泛使用的方法。这里做出与静态分析方法和动态分析方法之间的基本的区别。基于动态图像处理的用于确定颗粒混合物的颗粒尺寸和/或颗粒形状的设备是熟知的，例如，从DE 198 02 141C1、EP 0 348 469B1和EP 2 330 400A2。这些熟知的设备包括输送装置，所述输送装置具有用于颗粒块状材料的漏斗形状的存储容器以及振动板，该振动板用于分离从存储容器输送的颗粒，使得它们作为幕帘形状的颗粒流从振动板下落通过测量段。照明装置被分配给测量段，该照明装置被设置在测量段的后侧并且指向测量段，以便从后侧二维地照亮测量段中的颗粒流。此外，提供被定位在测量段的前侧的相机，该相机与照明装置对置并且其指向测量段，以便记录被照明装置照亮的颗粒的阴影投影。利用合适的分析程序，可以由每个单个的颗粒的阴影投影来确定尺寸参数和形状参数。阴影投影一般很好地适合于确定颗粒的外观。很容易将记录的数据二进制化，因为在理想的情况中，只有两件事被考虑，即：亮和暗。然而，只能获得关于表面轮廓的有限信息，因为记录的颗粒的朝向相机的前侧作为连续的黑色区域出现。
动态方法的优点是在相对短的时间内测量大的样本量。这导致测量的高统计可靠性。这个方法的缺点是一般只检测到每个颗粒的随机的定向的二维投影。由于动态方法的结果主要与来自筛查的数据对比，所以要求筛查处理和动态图像处理之间最佳可能的关联。当通过筛查确定尺寸时，所用的筛的筛网宽度对于颗粒被排序到的所谓的尺寸类别是决定性的。只有颗粒的最小投影表面小于筛网，颗粒才可以穿过筛网。由于在动态图像处理中，仅记录颗粒的随机的定向，所以不可避免地导致最小的投影表面也可以差别很大。颗粒的形状越偏离球体，越增加不确定性。通常，因此，在动态图像处理的协助下确定的不对称的颗粒的尺寸分布比在筛查的协助下获得的不对称的颗粒的尺寸分布宽。然而，对于具体的样本通过分析例程和校正建立两种测量方法之间的关联是可能的。然而，这关系到相当大的复杂性。因此，努力获得待测量的颗粒的三维数据。例如，在US 8,270,668B2中提出从不同的观察方向记录同一个颗粒若干次。这样做，通过在自由下落期间的不同时间记录颗粒的图像，落下的颗粒的自旋转被利用。
静态图像处理方法具有高空间分辨率并且能够以入射光和透射光两者来操作。然而观察的样本量很小。此外，由于它们被放置在物体托架上，被检查的颗粒在优选的定向上。因此，不会观察到单个颗粒的静态的分布定向。可以通过特定的光学系统诸如例如共聚焦显微镜来克服这个缺点。然而，静态图像处理仍然关系到仅可以分析小的样本量的问题。
因此，下述发明的目标是设计初始指定类型的用于确定颗粒混合物的颗粒的颗粒尺寸和/或颗粒形状的设备和方法，其根据动态图像处理的原则工作，使得关于待测量的颗粒的几何的额外的信息被很容易地获得。
利用初始指定类型的设备来实现这个目标，通过将投影装置分配到相机，该投影装置设置在测量段的前侧，指向测量段并且被定位为与相机成三角测量角α，以便将光线投射到测量段中的颗粒流的颗粒上，所述光线也被相机记录，在分析单元中从光线的形状确定关于记录的颗粒的深度信息和/或几何信息。
此外，利用初始指定类型方法来实现目标，通过投影装置从测量段的前侧将光线投射到测量段中的颗粒流的颗粒上，并且用相机记录光线，从光线的形状可以确定关于记录的颗粒的深度信息和/或几何信息。
因此，发明基于用光切法(也被叫做线三角测量)的理念来确定颗粒的表面轮廓。为了这个目的，通过投影装置将窄的光线投射到待测量的颗粒的前侧上。投影装置相应地被设置在测量段的前侧上，但被定位为与相机有角度偏移，使得投影装置的投影轴与相机的光轴偏移三角测量角α。颗粒流通常在方向Y上在直线上被传送通过测量段，例如，自由下落。有利地，投影装置和相机随后被布置使得投影装置的投影轴和相机的光轴被设置在垂直(水平)于颗粒的Y移动的方向的X，Z平面中，并且在这个平面中被布置为彼此偏移三角测量角α。在操作期间，测量段的区域中的颗粒流从后侧被二维地照亮，以便产生被相机从测量段的前侧记录的阴影投影。此外，在相机的视野的狭窄的区域中，在投影装置的协助下，细的光线被投射到颗粒上。这个光线被下落颗粒部分地散射回，并且散射的光被相机检测。随后可以利用合适的分析软件由光线的形状获得关于测量的颗粒的深度信息和几何信息。与用已知的方式从阴影投影获得的轮廓信息一起，如果相机的帧速率足够的高，则可以计算测量的颗粒面对相机的侧的完整的重新构造。借助颗粒相对于产生的光线和相机的移动，获得在颗粒的移动Y方向的完全扫描。
为了获得颗粒的完全扫描，需要使用高帧速率的相机。因为颗粒仅在两个连续的图像之间移动几个像素，高于1000张/秒的帧速率是必要的。为了实现这个帧速率，许多相机具有只读出相机芯片的特定区域的选项。类似地，可以使用这样的相机，所述相机的CCD或CMOS芯片具有(可选地)对数的敏感性，以便补偿由待分析的块状材料的不均匀性引起的散射行为的区别。
根据发明的优选的实施例，做出规定使得相机和被分配给相机的投影装置被设置在测量段的后侧，以便产生和记录颗粒的后侧的光线，在分析单元中由光线的形状确定关于记录的颗粒的深度信息和/或几何信息。在这个实施例中，额外的投影装置和额外的相机被设置在测量段的后侧以便也产生和记录测量段中的颗粒的后侧的光线，并从光线的形状获得关于颗粒的后侧的轮廓信息。相应地，相机和投影装置在测量段的后侧被布置成彼此偏移三角测量角α并且优选地在垂直于待检测的颗粒的移动方向Y的平面X，Z(水平)中。这种布置被有利地做出使得在测量段的前侧和后侧的两个投影装置的投影轴和相机的光轴都被设置在共同的XZ平面中。
在测量装置后部的照明装置和投影装置有利地被脉冲或者计时使得它们交替地起作用并且颗粒由照明装置或者投影装置照亮。换言之，当投影光线产生时，颗粒不被照明装置照亮，使得光线可以被在测量段的后侧的相机良好地检测。
在测量段的前侧和/或后侧上的用于产生细的光线的合适投影装置优选地包括激光器和/或至少一个LED作为光源。此外，透镜和/或衍射光学元件被优选地用于产生光线。
此外，在测量段的前侧和/或后侧上的投影装置被构造成产生不同颜色的投影光线。众所周知不同的材料具有不同的吸收和透射属性。这对散射回的光的量有直接的影响。因此具有可用的多个可能的投影颜色是有利的，所述多个可能的投影颜色可以取决于待测量的颗粒混合物的材料以便产生光线而被可选地使用。
根据发明的一个实施例，做出规定使得滤波装置被设置在测量段的前侧和/或后侧在相机的上游，以便过滤掉由待分析的颗粒的表面上的荧光激发产生的光。例如，滤波装置可以包括高通和或带通滤波器。
可替代地，或者此外，滤波装置也可以包括辨别被测量段中的颗粒散射的光的预定偏振方向的滤波器，并且这在测量透明颗粒时是尤其有利的。
在发明的进一步的发展中，做出规定使得分析单元被构造为通过合适的软件滤波和/或自适应算法，特别是亚像素和/或高斯适应，进一步处理由在测量段的前侧和/或后侧上的投影装置产生的光线的图像，从而获得光线的最高可能的分辨率。这个实施例带来了获得深度和形貌信息的高准确度。
此外，对于光线的算法确定有利的是限定每个记录的图像中的感兴趣的区域(ROI)。这显著地降低了分析程序的搜寻工作。为了确定这种区域，通过相应地分析连续的图片借助由相机记录的阴影投影来追踪颗粒是有帮助的。以此方式，可以预测追踪的颗粒什么时候将穿过光线的区域并且在随后记录的图像中限定对应的ROI，其中在记录的图像中分析光线。
以自身已知的方式，输送装置被构造为分离测量段上的颗粒混合物并且产生以自由下落移动通过测量段的颗粒幕帘的形式的颗粒流。这里不期望下落颗粒相对于下落平面的旋转。因为这个原因，输送装置优选地具有用于抵消下落颗粒相对于下落平面的旋转的工具，诸如例如导向板。
关于进一步的有利的实施例，参考参照附图的示例性实施例的如下描述。附图如下所示：
图1：根据本发明的用于确定颗粒混合物的颗粒的颗粒尺寸和/或形状的设备的原理图，以及
图2：颗粒的阴影投影，投影光线通过使用根据发明的设备获得。
图1示出根据本发明的用于确定颗粒混合物的颗粒的颗粒尺寸和/或形状的设备的原理图。设备包括输送装置1，所述输送装置1具有存储容器2和传送装置，漏斗形状的所述存储容器2用于颗粒块状材料，所述传送装置呈振动板3的形式，被定位在存储容器2的输出开口，其中振动板用于捕捉从存储容器2落出的颗粒T并将它们沿着振动板3运输到振动板3的自由输出端，在该处它们从振动板3落下。用这种方式，在竖直方向Y中移动的颗粒T的像幕帘的颗粒流在下落平面E中产生。在下落期间，颗粒T的旋转是不被期望的。因为这个原因，输送装置1具有抵消颗粒T的旋转或者阻止旋转的工具(未示出)，诸如例如导向板。捕捉容器(未示出)被设置在输送装置1下面，颗粒流被收集在捕捉容器中。
下落段的一部分被定义为测量段M。设备的照明装置4被分配给这个测量段M，该照明装置4被设置在测量段M的后侧，并且指向测量段M，以便从后侧二维地照亮测量段M中的颗粒流。此外，这个设置包括相机5，相机5被定位在测量段M的前侧、与照明装置4对置，并且指向测量段M，以便记录被照明装置4照亮的颗粒T的阴影投影。最后，设备包括被分配给相机5的投影装置6，所述投影装置6被设置在测量段M的前侧并且也指向测量段M。投影装置6用于将细光线L投射至测量段M中的颗粒T上，该光线也被相机5记录。因为这个目的，投影装置6被定位为与相机5有角度偏移使得投影装置6的投影轴P与相机5的光轴K围城一个三角测量角α。具体地，投影装置6和相机5被布置使得投影装置6的投影轴P和相机5的光轴K位于与颗粒T的移动方向Y或下落平面E相垂直的(即，水平的)X,Z平面中，并且被布置在这个平面中彼此偏移三角测量角α。
为了产生细的光线L，投影装置6包括激光器或者LED作为光源。此外，投影装置6包括用于产生光线L的透镜/或衍射光学元件。此外，投影装置6被构造为产生不同颜色的投影光线。众所周知不同的材料具有不同的吸收透射性能。这对散射回的光的量有直接的影响。因此具有可用的多个可能的投影颜色是有利的，所述多个可能的投影颜色可以取决于待测量的颗粒混合物的材料而被可选地使用，以便产生光线L。
最后，根据发明的设备包括分析单元7，所述分析单元7联接到相机5，以便分析由相机5记录的图像。因为这个目的，分析单元7被设置有对应的分析软件使得该分析单元7可以分析记录的阴影投影和记录的光线L，以便获得与由相机5记录的颗粒的颗粒尺寸和/或颗粒形状相关的信息。
因为这个目的，分析装置7被构造为借助合适的软件滤波器和/或自适应算法，具体地，借助亚像素和/或高斯适应，进一步处理由投影装置6产生的光线L的图像，从而获得光线的单像素分辨率。这个实施例带来高的精确度。
最后，用于光线的算法确定的分析单元7在每个记录的图像中限定感兴趣的区域(ROI)。这显著地降低了分析程序的搜寻工作。具体地，分析单元7分析相机5的连续的图像，以便基于连续的图像来追踪各个颗粒的阴影投影。通过这种方式可以预测颗粒什么时候将进入产生的光线的区域使得对应的ROI可以在随后记录的图像中被限定。
在操作期间，待检查的颗粒经由振动板3在下落平面E的方向传送并且由此被分离。随着颗粒T到达在附图中的右边的振动板3的输出端，颗粒T进入自由下落。照明装置4从测量段M的后侧照亮颗粒并且因此产生被测量段M的前侧上的相机5记录的阴影投影。
此外，细的光线L在投影装置6的协助下被投射进相机视野的狭窄的区域。这个光线L被下落颗粒T部分地散射回并且散射的光也被相机5检测。随后可以在分析单元中借助分析单元中的合适的分析软件，从由阴影投影获得的轮廓信息和从光线的形状获得的额外的信息，计算记录的颗粒T朝向相机5的侧的完整重新构造。在这里Y方向的全扫描通过颗粒T的相对于光线L和相机5的移动而实现。
为了实现颗粒的全扫描，使用高帧速率的相机是必要的。因为两个连续的图像之间的颗粒仅移动几个像素，高于1000张/秒的帧速率是必需的。为了实现这个帧速率，许多相机具有只读出相机芯片的特定区域的选项。类似地，可以使用这样的相机，所述相机的CCD或CMOS芯片具有(可选地)对数的敏感性，以便补偿由于待分析的块状材料的不均匀性引起的散射行为的区别。
此外，以未图示的方式，存在分配给相机5的滤波装置，该滤波装置用于过滤掉由在待分析的颗粒的表面上的荧光激发产生的光。例如，滤波装置可以具有高通和/或带通滤波器。
类似的，滤波装置可以具有辨别被测量段中的颗粒散射的光的预定偏振方向，并且这在测量透明颗粒时是尤其有利的。
图2示出具有投影光线L的下落颗粒的阴影投影的图解图示。颗粒是圆柱体。附图示出只有外部轮廓可以被阴影投影确定。可以清楚的从图2看出关于颗粒T的额外的形状信息可以通过投影光线获得。光线L的产生在颗粒的三维测量之外提供了进一步的优点。在颗粒T不精确的沿下落平面E移动的情况中，如图1中所示，当记录阴影投影时，发生透视误差。如果颗粒T的轨迹较靠近相机5(较小的Z值)，则对于相机5而言颗粒T看起来较大；然而如果颗粒T的轨迹远离相机5(较大的Z值)，则对于相机5而言颗粒T看起来较小。在投影光线L的协助下确定颗粒T的精确的Z位置是可能的。因此，通过使用线性光学，阴影投影的透视误差可以被补偿。
Claims (24)
1.一种用于确定颗粒混合物的颗粒(T)的颗粒尺寸和/或颗粒形状的设备，所述设备包括：输送装置(1)，所述输送装置(1)分离所述颗粒混合物的所述颗粒(T)并且随后将它们作为颗粒流传送通过测量段(M)；照明装置(4)，所述照明装置(4)被设置在所述测量段(M)的一侧——后侧，并且指向所述测量段(M)，以便从所述后侧照亮所述测量段(M)中的所述颗粒流；相机(5)，所述相机(5)被定位在所述测量段(M)的前侧，与所述照明装置(4)对置并且指向所述测量段(M)，以便记录被所述照明装置(4)照亮的所述颗粒(T)的阴影投影；以及分析单元(7)，所述分析单元(7)借助所述相机(5)的照片来确定所记录的颗粒(T)的颗粒尺寸和/或颗粒形状，其特征在于，存在分配给所述相机(5)的投影装置(6)，所述投影装置(6)被设置在所述测量段(M)的所述前侧，指向所述测量段(M)并且被定位为相对于所述相机(5)成三角测量角α，以便将光线(L)投射到所述测量段(M)中的所述颗粒流的所述颗粒(T)上，所述光线也被所述相机(5)记录，在所述分析单元中从所述光线(L)的形状确定关于所记录的颗粒(T)的深度信息和/或几何信息。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，相机和被分配给所述相机的投影装置被设置在所述测量段(M)的所述后侧上，以便产生和记录在所述颗粒的所述后侧上的光线，在所述分析单元中从所述光线的形状确定关于所记录的颗粒的深度信息和/或几何信息。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，在所述测量段的所述后侧上的所述照明装置和所述投影装置被脉冲或者计时使得它们交替起作用。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其特征在于，在所述测量段(M)的所述前侧和/或所述后侧上的所述投影装置(6)具有激光器和/或至少一个LED作为光源。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其特征在于，在所述测量段的所述前侧和/或所述后侧上的所述投影装置(6)具有光源和额外的透镜和/或衍射光学元件，以便产生所述光线。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其特征在于，在所述测量段的所述前侧和/或所述后侧上的所述投影装置(6)被构造为产生不同颜色的投影光线。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其特征在于，滤波装置被设置在所述测量段的所述前侧和/或所述后侧的所述相机的上游，以便过滤掉由在待分析的所述颗粒的表面上的荧光激发产生的光。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述滤波材料包括高通和/或带通滤波器。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其特征在于，所述滤波装置包括用于辨别被所述测量段中的所述颗粒散射的光的预定偏振方向的滤波器。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其特征在于，所述分析单元(7)被构造为通过合适的软件滤波器和/或自适应算法，特别是通过亚像素和/或高斯适应，进一步处理由在所述测量段的所述前侧和/或所述后侧上的所述投影装置产生的所述光线的图像，从而获得所述光线的最高可能的分辨率。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其特征在于，所述分析单元(7)被构造为借助由所述相机(5)记录的所述阴影投影来追踪各个颗粒并且计算所追踪的颗粒什么时候将进入所产生的光线(L)的区域，所述分析单元(7)然后在随后记录的图像内限定对应的感兴趣区域，所述感兴趣区域用于所述光线的算法确定。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其特征在于，所述颗粒流在方向(Y)上以直线或者基本以直线被传送通过所述测量段(M)，并且所述相机(5)和所分配的投影装置(6)在与所述颗粒移动的所述方向(Y)垂直的平面(X，Z)中，被设置在所述测量段(M)的所述前侧和/或所述后侧。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其特征在于，所述输送装置(1)被构造为在所述测量段上方分离颗粒混合物并且产生自由下落移动通过所述测量段的以颗粒帘幕的形式的颗粒流。
14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述输送装置被设计为防止下落的颗粒相对于下落平面的旋转。
15.一种用于确定颗粒混合物的颗粒(T)的颗粒尺寸和/或颗粒形状的方法，其中
-所述颗粒混合物的所述颗粒(T)被分离并且然后作为颗粒流被传送通过测量段(M)，
-借助照明装置(4)从所述测量段(M)的后侧照亮所述颗粒流，-由相机(5)从所述测量段的前侧记录被照亮的颗粒(T)的阴影投影，以及
-借助所述相机(5)的照片来确定所记录的颗粒(T)的颗粒尺寸和/或颗粒形状，其特征在于，光线(L)被投影装置(6)从所述测量段(M)的所述前侧投射到所述测量段(M)中的所述颗粒流的所述颗粒(T)上并且所述光线(L)被所述相机(5)记录，从所述光线(L)的形状确定关于所记录的颗粒(T)的深度信息和/或几何信息。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，光线被投影装置从所述测量段的所述后侧投射到所述测量段中的所述颗粒流的所述颗粒上并且所述光线被设置在所述测量段的后侧的相机记录，从所述光线的形状确定关于所记录的颗粒的深度信息和/或几何信息。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，在所述测量段的所述后侧的所述照明装置和所述投影装置被脉冲或计时使得它们交替起作用。
18.根据权利要求15至17中的任一项所述的方法，其特征在于，过滤掉由在所述颗粒流中的所述颗粒的表面上的荧光激发产生的光。
19.根据权利要求15至18中的任一项所述的方法，其特征在于，辨别由所述颗粒散射的光的预定偏振方向。
20.根据权利要求15至19中的任一项所述的方法，其特征在于，在所述测量段的所述前侧和/或所述后侧上在所述颗粒上产生的所述光线的图像被进一步通过合适的软件滤波器和/或自适应算法处理，特别地，通过亚像素和/或高斯适应处理，从而获得所述光线的最高可能的分辨率。
21.根据权利要求15至20中的任一项所述的方法，其特征在于，借助由所述相机记录的所述阴影投影来追踪各个颗粒并且计算所追踪的颗粒什么时候将通过所产生的光线的区域，然后在随后记录的图像内限定对应的感兴趣区域，所述感兴趣区域被用于所述光线的算法确定。
22.根据权利要求15至21中的任一项所述的方法，其特征在于，所述颗粒流在方向(Y)上以直线或者基本以直线被传送通过所述测量段(M)，并且所述相机(5)和所分配的投影装置(6)在与所述颗粒移动的所述方向(Y)垂直的平面(X，Z)中，被设置在所述测量段(M)的所述前侧和/或所述后侧上。
23.根据权利要求15至22中的任一项所述的方法，其特征在于，所述颗粒混合物在所述测量段上方被分离并且产生自由下落移动通过所述测量段(M)的以颗粒幕帘形式的颗粒流。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，下落的颗粒相对于下落平面的旋转被防止。
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