CN106705845B - 一种液体环境中气泡体积测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及水下测试技术领域，具体涉及一种液体环境中气泡体积测量方法，其特征在于包括：令X射线发生源产生的X射线穿透液体盛放容器，在图像增强器生成图像；用高速摄像机实时采集该图像，并用电脑对图像灰度值标定；依据参比试件实际尺寸与图像灰度值，获取在该条件下的灰度值与厚度的对应关系作为参考；在相同的X射线透射条件下，获取液体盛放容器中产生的被测气泡在X射线照射下所成影像，并计算该影像当中灰度值不同的各个区域的面积；参考由参比试件获得的灰度值与厚度的对应关系，确定不同区域气泡的厚度值，计算各个区域的体积，并测算气泡体积，本发明具有结构合理、运行可靠、工作稳定、操作简便等显著的优点。

Description

一种液体环境中气泡体积测量方法
技术领域
本发明涉及水下测试技术领域，具体涉及一种液体环境中气泡体积测量方法。
背景技术
在水下环境测试过程中，经常需要测量液体环境中气泡的体积，从中提取相关数据，以便于后续工作的开展。传统的气体收集方法可以准确的测量出一系列气泡的体积之和，但难以分辨出单一气泡的体积。但在某些特定的应用场合，需要是单一气泡的体积而非一系列气泡的体积之和。通过工业相机，技术人员可以获取气泡的影像，并以此为依据，将气泡近似为球形，通过气泡面积，估算其体积。事实上，气泡的形状并非标准的球形，尤其是在其产生初期。因此，这种方式存在较大的误差。
为进一步提高液体中单一气泡体积的测量精度，需采取更为先进的措施，对气泡体积进行精确测绘。X射线对物质具有较强的穿透能力，被广泛应用于医疗成像和工业探伤等行业。其工作原理是，当X射线穿过待检物体后，被物体吸收损耗的X射线与它的密度或浓度有关，经成像显示后得到能反映被测物体密度的灰白或彩色影像。利用X射线这一特征，可以实现对气泡体积的测量。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种结构合理、运行稳定、操作简便的基于X射线的液体环境中气泡体积测量方法。
本发明通过以下措施达到：
一种液体环境中气泡体积测量方法，其特征在于包括以下内容：选用参比试件，将其放置于液体盛放容器中，令X射线发生源产生的X射线穿透液体盛放容器，在图像增强器生成图像；用高速摄像机实时采集该图像，并用电脑对图像灰度值标定；依据参比试件实际尺寸与图像灰度值，获取在该条件下的灰度值与厚度的对应关系作为参考；然后，在相同的X射线透射条件下，在指定时刻，获取液体盛放容器中产生的被测气泡在X射线照射下所成影像，并计算该影像当中灰度值不同的各个区域的面积；最后，参考由参比试件获得的灰度值与厚度的对应关系，确定获得被测气泡影像中，不同区域气泡的厚度值，利用体积公式计算各个区域的体积，并利用积分方式测算气泡体积，完成测量过程。
本发明所述液体环境中气泡体积测量方法通过以下机构实现：微焦X射线源、专用焊接水箱、图像增强器、高速摄像机和计算机，其中微焦X射线源与图像增强器置于焊接水箱两侧，且两者之间形成的光路方向与焊接方向垂直，首先，在焊接水箱中放置一薄壁乒乓球，作为参比试件，然后启动摄像装置，获得图片；由于乒乓球是标准球体，其中心处空隙大，射线透射率最高，灰度值最小，记为Xmin；同理，边缘处灰度值最大，记为XmaX；根据图像灰度值不同，将乒乓球影像分成三个区域，区域一灰度值为X1，区域二灰度值为X2，区域三灰度值为X3，其中，
Xmin≤X1＜(XmaX-Xmin)/3+Xmin
(XmaX-Xmin)/3+Xmin≤X2＜2*(XmaX-Xmin)/3+Xmin
2*(XmaX-Xmin)/3+Xmin≤X3＜XmaX
对应获取的图片，利用计算机可以测量影像的最大直径为D，灰度值X1所处区域直径为D1，灰度值X2所处区域直径为D2，乒乓球的实际直径为d，因此，根据球形特点，可以计算灰度值X1所处区域厚度L1，灰度值X2所处区域厚度L2以及灰度值X3所处区域厚度L3，其中，
至此，建立起影像灰度值与待测空腔薄壁结构厚度之间的对应关系，为后续气泡体积的测量提供依据；在焊接过程中，高速摄像机将获取的气泡影像数据存储到计算机中，利用计算机计算出灰度值X1所处区域面积S1，灰度值X2所处区域面积S2以及灰度值X3所处区域面积S3，从而可以精确地计算该气泡的体积V：V＝S1*L1+S2*L2+S3*L3。
本发明在工作时，X射线在穿过不同厚度的液体时，成像灰度有明显差异，利用该灰度差异值，可以估算液体厚度。气泡的存在，改变了液体的厚度。当X射线穿过液体中的气泡时，衰减减少，成像亮度增加。这样，可以根据灰度值，估算气泡厚度，之后，分别计算出灰度值相同区域的面积，厚度与对应面积的乘积即为体积，通过积分运算，得出气泡体积。基于上述原理，当容器中放置足量的液体后，首先在容器中放置一参比试件。该参比试件是全密封空心薄壁结构，其体积应接近待测气泡，并且易于根据其在X射线照射下的投影，推算出其投影区域中任意一点的厚度。令X射线发生源产生的X射线穿透液体盛放容器，在图像增强器生成图像，工业相机将其拍摄后，存储到电脑中。由于该参比试件为空心薄壁结构，射线穿透其不同区域时衰减程度不同，但液体盛放容器在射线穿透方向厚度均匀一致，因此，所产生影像的灰度差异与参比试件的厚度呈函数关系。在电脑中，将所获影像根据灰度值的差异等分成若干区域，等分数与测绘精度有关，份数越多，计算精度越高。由于参比试件尺寸已知，可以确定影像中每一点在摄像透射方向的厚度，从而得出不同灰度值对应的参比试件厚度，以便于后续测绘工作。L＝f(X),其中，L为参比试件的厚度，X为灰度值。然后，在相同试验条件下，在液体盛放容器中根据测试要求，产生待测的气泡。用相同的射线强度在射线成像装置上产生影像，并利用工业相机在相同曝光时间条件下，采集并将影像存储到电脑中。最后，对于获取的影像，利用软件计算不同灰度值(X1，X2……Xn)对应的面积(s1，s2……sn)；对于灰度值不同的各个区域，依据参比试件影像灰度值与参比试件厚度值的对应关系，确定被测气泡影像中，灰度值不同的各个区域其对应的气泡厚度值，L＝f(X)；最终，依据如下公式计算气泡体积：V＝f(X1)·s1+f(X2)·s2+……f(Xn)·sn，完成测量过程。
本发明与现有技术相比，具有结构合理、运行可靠、工作稳定、操作简便等显著的优点。
具体实施方式：
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明.
在研究水下焊接气泡特征时，需要对气泡体积、形貌进行实时观测。根据本发明所示的测绘方法，采取如下技术方案，较为精确地测绘了水下焊接过程中所产生气泡的体积：
该试验装置主要由微焦X射线源、专用焊接水箱、图像增强器、高速摄像机和计算机组成，微焦X射线源与图像增强器置于焊接水箱两侧，且两者之间形成的光路方向与焊接方向垂直。首先，在焊接水箱中放置一薄壁乒乓球，作为参比试件。然后启动摄像装置，获得图片。
由于乒乓球是标准球体，其中心处空隙大，射线透射率最高，灰度值最小，记为Xmin；同理，边缘处灰度值最大，记为XmaX。根据图像灰度值不同，将乒乓球影像分成三个区域，区域一灰度值为X1，区域二灰度值为X2，区域三灰度值为X3，其中，
Xmin≤X1＜(XmaX-Xmin)/3+Xmin
(XmaX-Xmin)/3+Xmin≤X2＜2*(XmaX-Xmin)/3+Xmin
2*(XmaX-Xmin)/3+Xmin≤X3＜XmaX
对应获取的图片，利用计算机可以测量影像的最大直径为D，灰度值X1所处区域直径为D1，灰度值X2所处区域直径为D2。乒乓球的实际直径为d，因此，根据球形特点，可以利用计算机计算灰度值X1所处区域厚度L1，灰度值X2所处区域厚度L2以及灰度值X3所处区域厚度L3，其中，
至此，建立起影像灰度值与待测空腔薄壁结构厚度之间的对应关系，为后续气泡体积的测量提供依据。
焊接过程中，高速摄像机将获取的气泡影像数据存储到计算机。利用计算机计算出灰度值X1所处区域面积S1，灰度值X2所处区域面积S2以及灰度值X3所处区域面积S3。从而可以较为精确地计算该气泡的体积V。
V＝S1*L1+S2*L2+S3*L3。
本发明与现有技术相比，具有结构合理、运行可靠、工作稳定、操作简便等显著的优点。

Claims (2)

1.一种液体环境中气泡体积的实时测量方法，其特征在于：其包括以下步骤：选用参比试件，将其放置于液体盛放容器中，令X射线发生源产生的X射线穿透液体盛放容器，在图像增强器生成图像；用高速摄像机实时采集该图像，并用电脑对图像灰度值标定；依据参比试件实际尺寸与图像灰度值，获取在该条件下的灰度值与厚度的对应关系作为参考；然后，在相同的X射线透射条件下，在指定时刻，获取液体盛放容器中产生的被测气泡在X射线照射下所成影像，并计算该影像当中灰度值不同的各个区域的面积；最后，参考由参比试件获得的灰度值与厚度的对应关系，确定获得被测气泡影像中，不同区域气泡的厚度值，利用体积公式计算各个区域的体积，并利用积分方式测算气泡体积，完成测量过程；
所述参比试件是全密封空心薄壁结构，其体积应接近待测气泡，并且易于根据其在X射线照射下的投影，推算出其投影区域中任意一点的厚度；
所述液体盛放容器放置于射线源与X射线成像装置之间，且在射线照射方向厚度均匀一致，另外，该液体盛放容器能够借助其他辅助设备，产生需要测试的气泡；
所述测量过程包括参比试件在X射线照射下成像过程、被测气泡在X射线照射下成像过程等两个不同的成像过程，在两次成像过程中，成像条件保持不变，即X射线源、X射线成像装置以及工业相机其工作参数不变；X射线发生源、液体盛放容器、X射线成像装置、工业相机之间的相对位置保持不变；液体盛放容器中液体的类型保持不变；
在测量过程中，需要通过参比试件，确定在特定成像条件下影像灰度值与气泡厚度之间对应关系，根据参比试件X射线照射下的投影，推算出其投影区域中任意一点的厚度，提取该点的灰度值，建立影像灰度值与气泡厚度之间对应关系，用于后续测量工作。
2.根据权利要求1所述的一种液体环境中气泡体积的实时测量方法，其特征在于所述液体环境中气泡体积测量方法通过以下机构实现：微焦X射线源、专用焊接水箱、图像增强器、高速摄像机和计算机，其中微焦X射线源与图像增强器置于焊接水箱两侧，且两者之间形成的光路方向与焊接方向垂直，首先，在焊接水箱中放置一薄壁乒乓球，作为参比试件，然后启动摄像装置，获得图片；由于乒乓球是标准球体，其中心处空隙大，射线透射率最高，灰度值最小，记为Xmin；同理，边缘处灰度值最大，记为XmaX；根据图像灰度值不同，将乒乓球影像分成三个区域，区域一灰度值为X1，区域二灰度值为X2，区域三灰度值为X3，其中，
Xmin≤X1＜(XmaX -Xmin)/3+ Xmin
(XmaX -Xmin)/3+ Xmin≤X2＜2*(XmaX -Xmin)/3+ Xmin
2*(XmaX -Xmin)/3+ Xmin≤X3＜XmaX
对应获取的图片，利用计算机可以测量影像的最大直径为D，灰度值X1所处区域直径为D1，灰度值X2所处区域直径为D2，乒乓球的实际直径为d，因此，根据球形特点，可以计算灰度值X1所处区域厚度L1，灰度值X2所处区域厚度L2以及灰度值X3所处区域厚度L3，其中，
至此，建立起影像灰度值与待测空腔薄壁结构厚度之间的对应关系，为后续气泡体积的测量提供依据；在焊接过程中，高速摄像机将获取的气泡影像数据存储到计算机中，利用计算机计算出灰度值X1所处区域面积S1，灰度值X2所处区域面积S2以及灰度值X3所处区域面积S3，从而可以精确地计算该气泡的体积V：V= S1*L1+ S2*L2+ S3*L3。
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水中气泡图像处理方法及运动特性研究;王红一;《中国博士学位论文全文数据库信息科技辑》;20120515(第5期);正文第13-17页，第32-33页

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