CN106872335A - 基于红外图像处理的多孔材料浸润性能测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于红外图像处理的多孔材料浸润性能测量装置，包括用于放置样品的升降平台、置于升降平台上方的红外热像仪、置于升降平台前方的高速摄像仪、接收红外热像仪和高速摄像仪测试数据的计算机、置于升降平台一侧的用于注射液体工质的注射器。本发明还公开了一种基于红外图像处理的多孔材料浸润性能测量方法。本发明可直接获得液滴在浸润多孔材料时液体的扩散过程及扩散区域形状，通过扩散区域形状进而评价多属材料浸润性能的均匀性优劣，有效地解决了吸液称重法中测量结果不全面的缺陷，尤其适合无色透明液体工质的扩散，为多孔材料浸润性的测试评价提供了可靠的手段。

Description

基于红外图像处理的多孔材料浸润性能测量装置及方法

技术领域

本发明涉及多孔材料浸润性能的测量领域，尤其涉及基于红外图像处理的多孔材料浸润性能测量装置及方法。

背景技术

多孔材料是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料，由于其内部分布着大量的有规律排布或随机分布的孔洞，因而具有良好的吸附性能及渗透性能，被广泛用作过滤材料，传质材料等。在这些应用中，浸润性是多孔材料的关键性指标，其反映了气体或液体在多孔材料中流动扩散性能，因而多孔材料浸润性能的测量对其应用起着至关重要的指导作用。

目前，针对多孔材料浸润性能测量方法主要分为两种：滴液观察法和吸液称重法。滴液观察法一般是采用高速摄像仪对液滴在多孔材料中的扩散过程进行记录，进而获得液滴在多孔材料中的扩散区域面积，扩散速度等数据。但由于所使用的液体工质大多是无色液体，因而用肉眼通常难以精确判断液滴在多孔材料中的扩散区域边界，为了突显液体工质在多孔材料中的扩散区域边界，研究者尝试在液体工质内加入荧光染料等感光元素，而这些添加剂可能会改变液体工质的物理性质(如表面张力、粘度等)，由此导致的测量失真无法剔除，影响了测量结果的准确性。吸液称重法是将部分多孔材料放入装有液体工质的容器中，通过多孔材料自身的毛细压力使液体工质在其多孔结构中流动，然后测量实验前后其质量的变化量来衡量多孔材料浸润性能的好坏。此方法可以在一定程度上反映多孔介质材料的浸润性，但无法对其浸润均匀性作出定量的评价，因此不能较全面的反映多孔材料的浸润性能。陆龙生等人在发明专利《基于数字图像处理多孔金属材料浸润性能测试装置》中提出了一种采用数字图像处理方法来精确观测无色液体在多孔材料中的运动的方法，此方法较好的解决了采用液滴观察法测量多孔材料浸润性时遇到的无色液体扩散区域边界难以精确判断的问题。然而，目前用于测量多孔材料浸润性能的方法还是寥寥可数，在面对种类繁多的多孔材料，这些方法有时可能无法完全的适合某些材料，因此，有必要提出一种采用新颖的方法，在选用液滴观察法测量多孔材料浸润性时，能够准确判断液体工质在多孔材料中浸润时的扩散区域边界，为多孔材料浸润性能定量测量提供一些新的思路。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供了可准确识别液滴浸润区域边界、定量获得浸润区域大小以及液滴扩散速度的基于红外图像处理的多孔材料浸润性能测量装置及方法。

本发明通过下述技术方案实现：

基于红外图像处理的多孔材料浸润性能测量装置，包括用于放置样品的升降平台、置于升降平台上方的红外热像仪、置于升降平台前方的高速摄像仪、与红外热像仪和高速摄像仪数据传输线连接的计算机、置于升降平台一侧的用于注射液体工质的注射器；所述计算机内安装有用于处理红外图像的红外热像仪配套的数据处理软件Research IR。

进一步地，所述注射器通过活动支架设置在升降平台的一侧，所述活动支架能够沿着任意方向自由移动。

采用所述测量装置进行多孔材料浸润性能测量的方法，包括如下步骤：

(1)取待测试多孔材料样品置于升降平台并固定；

(2)调节红外热像仪使待测试样本在Research IR软件中呈现清晰的红外图像；

(3)移动活动支架，将注射器置于待测试样品上方，与样品的角度为30°～40°，其针尖距待测样品的距离大约为3-5mm；

(4)调节高速摄像仪的焦距，使注射器针尖在高速摄像仪显示界面呈现清晰的图像；

(5)同时开启红外热像仪和高速摄像仪的录像功能，用注射器缓慢地挤出10μl液体工质，使其滴在在样品上，红外热像仪和高速摄像仪会分别记录液体工质在样品内部和表面的扩散过程，并将监测记录传送至计算机储存；

(6)采用图像比例法处理高速摄像仪的监测记录，获得液体工质液滴浸润多孔材料时的表面接触线大小；

(7)处理红外热像仪的录像文件以确定液体工质液滴浸润多孔材料时的内部扩散边界，获得液体工质液滴在浸润多孔材料时的内部扩散区域大小以及扩散速率。

进一步地，所述步骤(7)具体包括步骤：

(7-1)借助高速摄像仪的监测记录，获得在红外热像仪的录像文件中液滴扩散起始点所对应的帧数，其中在高速摄像仪的监测记录中，选取液滴刚与多孔材料样品接触的时刻为液滴扩散起始点；

(7-2)在软件Research IR中，读取液滴扩散起始点时的红外图像，在图像中绘制一条与样品边线平行且长度相等的参考线，此时在该红外录像中实际距离与温度数据采集点的比例系数λ可表示为：

λ＝L/L_R (1)

其中L为样品边线长度，单位为毫米，L_R为参考线上温度数据采集点的数量；

(7-3)在红外图像中绘制若干经过液滴扩散影响区域的测量线L_mi(i＝1,2,…,n),这些测量线L_mi将会与液滴的扩散区域边界产生两个交点，从红外图像处理软件ResearchIR中读取测量线L_mi上的温度分布曲线；

(7-4)计算测量线L_mi的温度分布曲线的温度梯度，其计算公式如下：

其中T为温度值，x为温度测量线上温度数据采集点的位置，j为温度数据采集点的编号，和分别为相邻两个温度数据采集点的温度差和距离，绘制出温度梯度曲线，找出温度梯度曲线的极值点P₁和P₂，这两个极值点便为测量线L_mi与液滴扩散区域边界的两个交点；

(7-5)对于各向同性的多孔材料，液滴在其中的扩散区域边界近似为圆形，针对扩散区域边界近似为圆形的扩散区域边界，采用等效扩散直径D_e来定量衡量液滴扩散区域的大小，其计算公式如下：

其中n为选取用于计算液滴扩散区域的测量线的数量，i为测量线的编号，O为液滴扩散区域圆心，P液滴浸润区域与未浸润区域的边界点，圆心点O在红外图像中选择为微量注射器针尖的位置；

(7-6)在Research IR中读取下一帧数的红外图像，重复步骤(7-4)～步骤(7-5)，获得此时刻时液滴浸润扩散区域的直径大小，通过计算多个连续帧数的红外图像最后获得液滴浸润多孔材料时的扩散速率。

进一步地，所述的步骤(7-5)中，所述等效扩散直径D_e精度与测量线的数量n成正比。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

本发明基于不同的材料具有不同的红外发射系数这一理论基础，利用液滴在浸润多孔材料时，在红外热像仪所采集的红外图像中液体浸润区域与未浸润区域的交界处温度会发生突变这一现象，通过计算温度分布曲线的温度梯度曲线，进而准确地定位液滴在多孔材料中浸润时扩散区域的边界，同时该方法还可以通过记录红外录像的方法定量计算液滴扩散速率，解决了滴液观察法通过可见光观测时所产生的液滴扩散区域边缘模糊不易定位的问题。

特别的此测量方法尤其适用于对无色透明的液体工质在多孔材料中的浸润性测量，且无需添加荧光染料等添加剂，不会引起工质物性发生改变，从而能够准确地获得多孔材料浸润性能。

本发明可直接获得液滴在浸润多孔材料时液体的扩散过程及扩散区域形状，通过扩散区域形状进而评价多属材料浸润性能的均匀性优劣，有效地解决了吸液称重法中测量结果不全面的缺陷，还能够拓展应用于其它需要分辨两相交界面的测试。

附图说明

图1为本发明测试装置示意图。

图2为本发明测试装置上的样品俯视示意图。

图3为红外图像法确定液滴浸润区域的边界点的操作示意图。

图4为测量线上的温度分布曲线。

图5为测量线上的温度梯度曲线。

图6为一种测量线的分布方式示意图。

图7为A样品的表面显微形貌示意图。

图8为B样品的表面显微形貌示意图。

图9为液滴在A样品上浸润时所对应的不同时刻的红外图像。

图10为液滴浸润A样品和B样品时的表面扩散及内部扩散区域大小随时间变化曲线。

图11为液滴浸润A样品和B样品时内部扩散速率随时间变化曲线。

图中：样品1；注射器2；红外热像仪3；计算机4；液体工质5；升降平台6；高速摄像仪7。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。

实施例一

如图1和图2所示，基于红外图像处理的多孔材料浸润性能测量装置，包括用于放置样品1的升降平台6、置于升降平台6上方的红外热像仪3、置于升降平台6前方的高速摄像仪7、与红外热像仪3和高速摄像仪7数据传输线连接的计算机4、置于升降平台6一侧的用于注射液体工质5的注射器2；所述计算机4内安装有用于处理红外图像的红外热像仪配套的数据处理软件Research IR。

所述注射器2通过活动支架设置在升降平台6的一侧，所述活动支架能够沿着任意方向自由移动，方便对注射器2的位置和姿态进行必要的调整。

实施例二

采用所述测量装置进行多孔材料浸润性能测量的方法，选用A、B两种不同结构参数的碳纤维毡多孔材料作为待测多孔材料，尺寸大小为40mm×40mm，它们的结构参数分别是：A样品(见图7)：孔隙率为88.6％；B样品(见图8)：孔隙率为77.1％；配制质量分数为50％的乙醇水溶液作为液体工质5，包括如下步骤：

(1)将A样品放置在升降平台上6并固定；

(2)调节红外热像仪3使A样品在软件Research IR中呈现清晰的红外图像；

(3)移动活动支架，使注射器2的针尖距离样品A上方4mm，注射器2与样品的角度大约为30°～40°；

(4)调节高速摄像仪7焦距，使注射器2的针尖在高速摄像仪7中呈现清晰的图像；

(5)同时开启红外热像仪3和高速摄影仪7的录像功能，其中红外热像仪3和高速摄像仪7的录像帧数分别为25帧/s和100帧/s，然后从注射器2中缓慢地挤出10μl的乙醇水溶液，使其滴在样品A上，红外热像仪3和高速摄像仪7会分别记录液体工质5在样品1内部和表面的扩散过程(见图9)，并将监测记录传送至计算机4储存，大约等待1min后关闭红外热像仪3及高速摄像仪7的录像功能；

(6)读取高速摄像仪记录的连续图片，运用图像比例法计算乙醇水溶液在样品A表面运动时所形成的表面接触线随时间变化的曲线，其中扩散0时刻定义为液滴刚与样品A接触的时刻；

(7)处理红外热像仪3的录像文件以确定液体工质5液滴浸润多孔材料时的内部扩散边界，获得液体工质5液滴在浸润多孔材料时的内部扩散区域大小以及扩散速率，具体包括：

(7-1)借助高速摄像仪7的监测记录，获得在红外热像仪3的录像文件中液滴扩散起始点所对应的帧数，在红外录像文件中选定由步骤(6)所确定的0时刻的帧数，以此帧数为起点在Research IR对红外图像进行处理；

(7-2)在软件Research IR中，读取液滴扩散起始点时的红外图像，在图像中绘制与样品A的边线(L＝40mm)平行且大小相等的参考线(见图3)，读取参考线所对应的温度数据采集点的数量，计算该红外录像所对应的比例系数

λ＝L/L_R (1)

其中L为样品边线长度，单位为毫米，L_R为参考线上温度数据采集点的数量；

(7-3)如图6所示，在红外图像中绘制经过液滴扩散影响区域的6条测量线L_m1～L_m6，从红外图像处理软件Research IR中分别读取测量线上的温度分布曲线(见图4)；

(7-4)计算其温度梯度其计算公式如下：

其中T为温度值，x为温度测量线上温度数据采集点的位置，j为温度数据采集点的编号，和分别为相邻两个温度数据采集点的温度差和距离，绘制出温度梯度曲线(见图5)，找出温度梯度曲线的极值点P₁和P₂，这两个极值点P₁和P₂便为测量线与液滴扩散区域边界的两个交点，即落在液滴扩散边界上；

(7-5)液滴在样品A上的扩散区域近似圆形，因此选用等效直径D_e的方法来表征液滴扩散区域的大小，等效直径可表示为：

其中6为选取用于计算液滴扩散区域的测量线的数量，i为测量线的编号，O为液滴扩散区域圆心，P为液滴浸润区域与未浸润区域的边界点，圆心点O在红外图像中选择为微量注射器针尖的位置；

(7-6)在红外录像中选取不同帧数的红外图像，重复步骤步骤(7-4)～步骤(7-5)，计算不同时刻液滴在样品A内部扩散区域的大小，求得内部扩散区域直径随时间变化的曲线(见图10)，内部扩散速度曲线可以通过求微分计算获得(见图11)。

在完成对样品A的测试后，从升降平台上取下样品A，换上样品B并重复上述操作，求得液滴在浸润样品B时内部扩散区域直径随时间变化的曲线(见图10)，内部扩散速度曲线可以通过求微分计算获得(见图11)。详情不再赘述。

具体而言，如图6所示，所述步骤(7-2)中的六条测量线的分布规律如下：

首先，经过圆心点O沿水平方向绘制第一条测量线L_m1；第二步，经过圆心点O绘制与L_m1垂直的第二条测量线L_m2；第三步，以L_m1为参照线，绘制与L_m1垂直的两条测量线L_m3和L_m4，它们分别经过半径OP₁₁和OP₁₂的中点；第四步，同理以L_m2为参照线，绘制与L_m2垂直的两条测量线L_m5和L_m6，它们分别经过半径OP₂₁和OP₂₂的中点。

如上所述，本发明分别采用高速摄像仪和红外热像仪记录液滴在多孔材料表面及内部的扩散过程，运用不同物体所对应的红外发射率不同这一理论基础，通过计算红外热像仪所采集温度数据点的温度梯度，精确地获得了液滴浸润多孔材料时的内部扩散边界点，进而获得液滴在浸润多孔材料时内部扩散区域直径和液滴扩散速率，解决了滴液观察法中液滴扩散区域边缘模糊不易定位的问题，尤其适合无色透明液体工质的扩散，为多孔材料浸润性的测试评价提供了一种可靠的手段，此方法还能够拓展应用于其它材料浸润性的测试。

本发明实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于红外图像处理的多孔材料浸润性能测量装置，其特征在于：包括用于放置样品(1)的升降平台(6)、置于升降平台(6)上方的红外热像仪(3)、置于升降平台(6)前方的高速摄像仪(7)、与红外热像仪(3)和高速摄像仪(7)数据传输线连接的计算机(4)、置于升降平台(6)一侧的用于注射液体工质(5)的注射器(2)；所述计算机(4)内安装有用于处理红外图像的红外热像仪配套的数据处理软件Research IR。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述注射器(2)通过活动支架设置在升降平台(6)的一侧，所述活动支架能够沿着任意方向自由移动。

3.采用权利要求1或2所述测量装置进行多孔材料浸润性能测量的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)取待测试多孔材料样品(1)置于升降平台(6)并固定；

(2)调节红外热像仪(3)使待测试样本在Research IR软件中呈现清晰的红外图像；

(3)移动活动支架，将注射器(2)置于待测试样品上方，与样品(1)的角度为30°～40°，其针尖距待测样品的距离大约为3-5mm；

(4)调节高速摄像仪(7)的焦距，使注射器针尖在高速摄像仪显示界面呈现清晰的图像；

(5)同时开启红外热像仪(3)和高速摄像仪(7)的录像功能，用注射器(2)缓慢地挤出10μl液体工质(5)，使其滴在在样品(1)上，红外热像仪(3)和高速摄像仪(7)会分别记录液体工质(5)在样品(1)内部和表面的扩散过程，并将监测记录传送至计算机(4)储存；

(6)采用图像比例法处理高速摄像仪(7)的监测记录，获得液体工质(5)液滴浸润多孔材料时的表面接触线大小；

(7)处理红外热像仪(3)的录像文件以确定液体工质(5)液滴浸润多孔材料时的内部扩散边界，获得液体工质(5)液滴在浸润多孔材料时的内部扩散区域大小以及扩散速率。

4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于：所述步骤(7)具体包括步骤：

(7-1)借助高速摄像仪(7)的监测记录，获得在红外热像仪(3)的录像文件中液滴扩散起始点所对应的帧数，其中在高速摄像仪(7)的监测记录中，选取液滴刚与多孔材料样品接触的时刻为液滴扩散起始点；

(7-2)在软件Research IR中，读取液滴扩散起始点时的红外图像，在图像中绘制一条与样品边线平行且长度相等的参考线，此时在该红外录像中实际距离与温度数据采集点的比例系数λ可表示为：

λ＝L/L_R (1)

其中L样品边线长度，单位为毫米，L_R为参考线上温度数据采集点的数量；

(7-3)在红外图像中绘制若干经过液滴扩散影响区域的测量线L_mi(i＝1,2,…,n),这些测量线L_mi将会与液滴的扩散区域边界产生两个交点，从红外图像处理软件Research IR中读取测量线L_mi上的温度分布曲线；

(7-4)计算测量线L_mi的温度分布曲线的温度梯度，其计算公式如下：

$\frac{\▿T}{\▿x}=\frac{|T_{j+1}-T_j|}{x_{j+1}-x_j}---\left(2\right)$

其中T为温度值，x为温度测量线上温度数据采集点的位置，j为温度数据采集点的编号，和分别为相邻两个温度数据采集点的温度差和距离，绘制出温度梯度曲线，找出温度梯度曲线的极值点P₁和P₂，这两个极值点便为测量线L_mi与液滴扩散区域边界的两个交点；

(7-5)对于各向同性的多孔材料，液滴在其中的扩散区域边界近似为圆形，针对扩散区域边界近似为圆形的扩散区域边界，采用等效扩散直径D_e来定量衡量液滴扩散区域的大小，其计算公式如下：

$D_e=\frac{\mathrm{\λ}}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}(\stackrel{\‾}{{\mathrm{OP}}_{i1}}+\stackrel{\‾}{{\mathrm{OP}}_{i2}})---\left(3\right)$

其中n为选取用于计算液滴扩散区域的测量线的数量，i为测量线的编号，O为液滴扩散区域圆心，P为液滴浸润区域与未浸润区域的边界点，圆心点O在红外图像中选择为微量注射器针尖的位置；

(7-6)在Research IR中读取下一帧数的红外图像，重复步骤(7-4)～步骤(7-5)，获得此时刻时液滴浸润扩散区域的直径大小，通过计算多个连续帧数的红外图像最后获得液滴浸润多孔材料时的扩散速率。

5.根据权利要求4所述的红外录像文件的处理方法，其特种在于：所述的步骤(7-5)中，所述等效扩散直径D_e精度与测量线的数量n成正比。