CN107202552A - 一种用于旋转容器中液体或固体表面形貌测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于旋转容器中液体或固体表面形貌测量装置及方法，包括照相机，以及通过旋转轴同轴固定相连的斩波板和旋转容器，斩波板和旋转容器之间留有间隙；旋转容器上能够固定连接透明密封板；斩波板上开设有位置能够调整的斩波窗口，在斩波窗口的上方设置有激光器；照相机的镜头位于斩波板和透明密封板之间，且朝向透明密封板。本发明加入斩波窗口的激光投影方法来获得稳定的表面投影线，采用同步斩波的长时间多圈测量方法获得高亮度和对比度的液体表面投影线，适用于转速高的液体或固体测量，同时克服液体在高速运行与静止状态下形貌不同的难度，经过图像处理方法和优化整合，能够快速的得到旋转状态下的液体或固体的表面形貌。

Description

一种用于旋转容器中液体或固体表面形貌测量装置及方法

技术领域

本发明属于形貌测量方法领域，具体涉及一种用于旋转容器中液体或固体表面形貌测量装置及方法。

背景技术

为了定量研究物体的三维形貌特征，需要采用必要的测量方法得到物体的表面轮廓参数，进而达到重建物体表面特征的目的。随着工业的发展，为了确保产品质量，很多拥有复杂曲面表面的产品需要通过测量产品表面形貌的测量及监测判别产品的性能，如水轮机叶片、飞机等的外壳形状等。

目前，静态物体的表面三维形貌测量方法已经比较成熟，趋于商业化的产品也有问世。运动物体的表面形貌测量方法还处于起步阶段，其中，关于旋转容器中液体的表面形貌测量的研究就相对较少。测量物体表面三维形貌的方法主要有接触式测量和非接触式测量。接触式测量拥有比较高的精确度，但是速度比较慢，容易对容器产生损伤。非接触测量方法主要是光学测量方法，主要包括激光扫描方法、计算机体层摄影、立体测量和结构光测量方法。激光扫描法设备昂贵，可行性低。结构光测量方法比较成熟，一般为相位法和云纹法。相位法需要从不同角度同时摄取被测物进行三维重建，不适用于转速很高的旋转运动液体表面测量。同时，液体在旋转容器中高速运行时状态与静止状态下形貌不同，就给在高速下测量液体表面形貌测量提高了难度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种用于旋转容器中液体或固体表面形貌测量装置及方法，能够用于旋转运动容器中液体或固体的表面形貌测量，结构简单且易于实现。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

包括照相机，以及通过旋转轴同轴固定相连的斩波板和旋转容器，斩波板和旋转容器之间留有间隙；旋转容器上能够固定连接透明密封板；斩波板上开设有位置能够调整的斩波窗口，在斩波窗口的上方设置有激光器；照相机的镜头位于斩波板和透明密封板之间，且朝向透明密封板。

进一步地，激光器采用线型激光器。

进一步地，透明密封板上设置刻度盘；透明密封板的材质为亚克力，厚度为1mm。

进一步地，斩波窗口为扇形；斩波窗口的最大半径大于或等于所测液体或固体的最大半径。

进一步地，照相机的镜头和水平面之间有30°到60°的夹角。

本发明方法的技术方案是：包括以下步骤：

步骤一：先在带有旋转轴的旋转容器中加入待测的液体或固体，盖上透明密封板并固定；旋转轴伸出透明密封板，在旋转轴上端固定连接带有斩波窗口的斩波板，斩波窗口的上方设置有激光器；

步骤二，通过旋转轴带动旋转容器、透明密封板和斩波板同步转动，启动激光器发出激光束，激光束穿过斩波窗口和透明密封板，在旋转容器中待测的液体或固体表面产生投影线；

步骤三：采用长时间曝光的多圈测量方法，通过照相机对待测的液体或固体表面拍照，获得投影线信息图片；对投影线信息图片进行图像处理，获取二维图像；

步骤四：对获得的二维图像进行优化整合，绘制旋转容器中液体或固体表面形貌。

进一步地，步骤二中的转速为300rad/min。

进一步地，步骤三中，长时间曝光的多圈测量方法条件为：照相机的相机光圈大小为8，曝光时间为25s，感光度为100。

进一步地，步骤三中的图像处理包括：

(a)对获得的投影线信息图片进行裁剪、调整饱和度并将投影线信息图片中的激光信息提取得到激光光路图的轮廓，得到初始图像；

(b)根据激光器的主要色，提取初始图像中的色素信息，并采用极大值检测法，提取色素分量图像上每列像素点最大值处的位置坐标，得到由各列最大点位置坐标组成的曲线；

(c)采用加权均值法对步骤(b)得到的曲线进行图像光滑处理，得到消噪的图像曲线；

(d)对投影线信息图片进行灰度处理，利用投影线信息图片中旋转容器长宽比，计算照相机的倾斜角度；通过照相机的倾斜角度与投影线信息图片和实物的比例，计算出投影线信息图片中的曲线的高度与实际待测的液体或固体高度的比例，获得实际待测的液体或固体高度；

(e)结合实际待测的液体或固体高度和消噪的图像曲线，获得二维图像。

进一步地，步骤四中的图像优化整合具体包括：

(a)通过补偿处理及数据对准步骤，对不同条件下得到的二维图像进行基准统一，统一以原旋转容器中心作为坐标原点；

(b)数据插值处理及数据合成处理将离散的二维图像曲线拟合为初始三维图像；

(c)数据表面光滑处理将初始三维图像进行表面消噪，完成旋转容器中液体或固体表面形貌的绘制。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过采用透明密封板，实现透光与密封双重功能；通过设置斩波窗口、激光器和照相机等，能够在斩波窗口与固定的激光器重合时，使激光透过斩波窗口投影到旋转容器内待测液体或固体表面，产生投影，通过照相机长时间多圈测量拍摄，获取投影信息，通过对投影信息处理可以获取高转速测量旋转运动条件下容器内液体或固体的表面形貌特征；本发明结构简单，易于实现，能够用于旋转运动容器中液体或固体的表面形貌测量。

进一步地，采用了扇形斩波窗口获得稳定的表面投影线，屏蔽和消除了与测量无关的光线干扰。

进一步地，本发明透明密封板上设置刻度盘，来确定斩波窗口的固定位置。

本发明方法测量对象为旋转容器中的运动液体或固体表面，采用透明密封板实现密封与透光作用，加入斩波窗口的线型激光投影方法来获得稳定的表面投影线，采用同步斩波的长时间多圈测量方法获得高亮度和对比度的液体表面投影线，相当于对每圈的投影光线进行叠加和平均，适用于转速高的液体或固体测量，同时克服液体在高速运行时状态与静止状态下形貌不同的难度；并将得到的投影线信息应用图像处理方法获取二维图像，进而进行优化整合，绘制出液体表面形貌的三维图像。本发明能够快速的得到旋转状态下的液体或固体的表面形貌，操作比较简单，且成本较低。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为处理初始图像；

图3为90mT、300rad/min测量角度为3°条件下二维结果图；

图4为90mT、300rad/min条件下三维合成的表面形貌图；

图5为90mT、300rad/min条件下沿周向展开三维表面形貌图。

其中：1-照相机；2-,激光器；3-斩波板；4-透明密封板；5-旋转容器；6-斩波窗口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所述，本发明用于旋转容器中液体或固体表面形貌测量方法的实验结构，由照相机1、激光器2、斩波板3、透明密封板4、旋转容器5，斩波窗口6组成。斩波板3和旋转容器5通过旋转轴同轴固定相连，斩波板3和旋转容器5之间留有间隙；旋转容器5上能够固定连接透明密封板4，比如粘合连接，保证斩波板3、透明密封板4和旋转容器5同步运动，并保证旋转容器5的密封效果良好；斩波板3上开设有斩波窗口6，斩波板3的上方静止固定设置有激光器2，激光器2由一个磁力表座固定在一个水平实验台上，通过调节磁力表座使激光器2位于斩波窗口上方，且激光器2的中心位于斩波窗口6的中心正上方，激光器2采用线型激光器，加入斩波窗口6的目的在于当斩波板3随着旋转容器5转动时，只有当斩波窗口6与固定的激光器2重合时，才有激光透过斩波窗口6投影到旋转容器5内待测液体或固体表面。

照相机1的镜头位于斩波板3和透明密封板4之间，且朝向透明密封板4。照相机1的镜头和水平面之间有30°到60°的夹角。

透明密封板4上设置刻度盘，来确定斩波窗口6的固定位置；透明密封板4的材质为高透光率的亚克力，厚度为1mm，透光性很高，激光可以透过透明密封板4照射到待测液体或固体表面，实现密封旋转容器5内液体密封与透光的双重性能。

斩波板3与旋转容器5转子之间固定连接同步运动但相对角度位置可通过螺栓调节，斩波窗口6为扇形；通过控制斩波窗口6的位置就可以控制激光器2在旋转容器5内液体或固体表面的投影位置；斩波窗口6的最大半径大于或等于所测液体或固体的最大半径。

本发明方法包括以下步骤：

步骤一：先在带有旋转轴的旋转容器5中加入待测的液体或固体，盖上透明密封板4并固定；旋转轴伸出透明密封板4，在旋转轴上端固定连接带有斩波窗口6的斩波板3，斩波窗口6的上方设置有激光器2；

步骤二，通过旋转轴带动待测液体或固体、旋转容器5、透明密封板4和斩波板3同步转动，转速可以设置为300rad/min；启动激光器2发出激光束，激光束穿过斩波窗口6和透明密封板4，在旋转容器5中待测的液体或固体表面产生投影线；

步骤三：照相机1拍摄位置位于斩波板3和透明密封板4之间；采用长时间曝光的多圈测量方法，通过照相机1对待测的液体或固体表面拍照，获得投影线信息图片；对投影线信息图片进行图像处理，获取二维图像；调整旋转容器5与扇形斩波窗口6之间不同相对位置，得到不同情况下的投影线信息，重复步骤三，得到不同相对位置情况下的二维图像；其中：

照相机1以30度至60度之间角度拍摄，照相机1的竖直位置介于斩波挡板3与透明密封板4之间。长时间曝光的多圈测量方法条件为：照相机1的相机光圈大小为8，曝光时间为25s，感光度为100。照相机1一次可拍摄的时间为转子转动多圈的时间。

图像处理主要包括：图像裁剪、图像的灰度处理、图像的色素提取、图像色素极大值检测法及图像曲线光滑处理。具体步骤如下：

(a)对获得的投影线信息图片进行裁剪、调整饱和度并将投影线信息图片中的激光信息提取得到激光光路图的轮廓，得到初始图像；

(b)根据激光器2的主要色，提取初始图像中的色素信息，并采用极大值检测法，提取色素分量图像上每列像素点最大值处的位置坐标，得到由各列最大点位置坐标组成的曲线；

(c)根据极大值检测法得到的图像曲线进行图像光滑处理，处理过程中采用加权均值法进行，得到消噪的图像曲线。

(d)对投影线信息图片进行灰度处理，利用投影线信息图片中旋转容器5长宽比，计算照相机1的倾斜角度；通过照相机1的倾斜角度与投影线信息图片和实物的比例，计算出投影线信息图片中的曲线的高度与实际待测的液体或固体高度的比例，获得实际待测的液体或固体高度。其中，投影线信息图片与实物的比例可以通过计算投影线信息图片上某一位置的像素值与实际中的同一相对位置的实际尺寸值的比例得到，在本发明中，选择旋转容器5直径为标准进行计算。

(e)根据实际待测的液体或固体高度，代入消噪的图像曲线，获得二维图像。

步骤四：对获得的二维图像进行优化整合，绘制旋转容器5中液体或固体表面形貌。

优化整合包括：依据相机的测量角度、透明密封板厚度影响的补偿处理、数据对准、数据插值处理、数据表面光滑处理、数据合成等过程。

(a)通过补偿处理及数据对准步骤，对不同条件下得到的二维图像曲线进行基准统一，统一以原旋转容器5中心作为坐标原点。

(b)数据插值处理及数据合成处理将离散的二维图像曲线拟合为初始三维图像。

(c)数据表面光滑处理将初始三维图像进行表面消噪，使结果平滑。

本发明测量对象为旋转容器5中的运动液体或固体表面；采用透明密封板4实现密封与透光作用；采用加入斩波窗口6的线型激光1投影方法获得稳定的表面投影线；采用长时间多圈测量方法提取表面投影线信息，应用图像处理方法获取二维图像；对得到的二维图像进行优化整合，绘制液体表面形貌的三维图像。

下面以在旋转容器5中充入磁流体作为示例，通过测量旋转容器5中的磁流体的表面形貌来判别本发明测量方法的可行性。

本发明测量方法结构操作简单，可行性较高。在旋转容器5中加入磁场强度为90mT的磁铁，由于磁流体是由磁性颗粒分散在溶剂中形成的悬浮状智能型液体，具有磁化响应和磁流变效应，加入磁铁之后，会产生质量分布的变化。本发明中加入磁铁会使磁流体在旋转容器5中产生一定的质量凸起，实验的目的在于测量磁流体的凸起质量的表面形貌。在实验中，设定旋转容器5的转速为300rad/min，以3度为间隔逐渐转动斩波板3，进而调整斩波窗口6的位置，相机光圈大小选择8，曝光时间选择25s，感光度选择为100进行测量。

图像处理采用Matlab软件进行；首先对获得的投影线信息图片进行裁剪处理，提高投影线信息图片色彩饱和度提高激光光线对比度。为了减少Matlab软件需要处理的数据大小，将实验结果中拍摄得到的投影线信息图片进行裁剪、调整饱和度并将投影线信息图片中的激光信息智能提取得到激光光路图的轮廓，进而得到Matlab处理的初始图像，初始图像如图2所示。

由于在拍摄过程照相机有一定的倾斜角度，图片也会在水平方向上有一定的偏移角度。在图像处理过程中，必须要对这两个角度进行处理来保证程序结果的准确性与可靠性。由于投影线信息图片中的旋转容器5长宽比是照相机角度的余弦值，在程序中选择旋转容器5的长宽计算长宽比，便可以得到照相机的倾斜角度，通过照相机的倾斜角度与投影线信息图片和实物的比例可以计算出投影线信息图片中的曲线的高度与实际高度的比例。在计算提取出磁流变液光束的曲线之后，可以计算得到实际的磁流变液表面的光束曲线并进行实际的计算比较。在计算倾斜角度时，需要将投影线信息图片转化为灰度图像，并提取出图像的等高图，再进行选点处理。在拍摄过程中，仍然存在有水平倾斜的现象。解决图像水平倾斜的方法可以通过画图软件进行旋转校正。但是画图软件的水平校正的角度有限制，不能做到精确处理。由于这种原因，用MATLAB程序处理会得到更加准确的结果。在图像处理过程中，选择一条本应是水平直线的线段，计算这条线段的斜率，便可以得到图像的水平倾斜角度。在matlab图像处理中将图2中初始图像按照计算得到的水平倾斜角度计算旋转，便可以较为准确的解决水平方向上的倾斜问题。

通过计算投影线信息图片中旋转容器5的长宽比计算照相机拍摄的倾斜角度和照片与实际旋转容器5的比例，利用此倾斜角度和比例可以将处理得到的激光光图转化为现实条件下的磁流体液面高度。

由于激光源的主要色为红色，在处理中提取旋转后的初始图像的红色色素信息进行分析。分析图像信息的方法采用极大值检测法，提取红色分量图像上每列像素点最大值处的位置坐标，最后得到由各列最大点位置坐标组成的曲线。极大值算法程序的处理过程是对初始图像沿行进行纵向(每列)扫描，扫描单位是一个像素，在每次扫描的过程中会得到一个或者多个颜色最深的点，将这些点都记录下来。经过多次扫描之后，整个图形就扫描完毕，得到的各个颜色最深的点在同一张图像上绘制出来，并进行光滑处理。由于需要得到实际情况下的磁流体液面高度，需要将图片中的磁流体液面高度进行转化。首先需要计算转化基准，主要为照相机1的垂直方向的倾斜角度和水平方向的倾斜角度，根据转化基准与转化比例求得真实高度，并求得磁流体表面曲线，其中转化比例主要是指照片图像与实物图的比例尺。将磁流体表面曲线进行插值处理，方便与其他曲线进行合并分析。在实验中，将各个角度磁流体的表面形貌分别测量出来并分别处理出二维图像，将所有角度的结果按照角度分布进行整合为三维，即为所要求的磁流体表面形貌。

得到的二维曲线，如图3所示。图3为斩波窗口6移动至3度情况下拍摄得到的照片的二维处理结果。将所有角度的结果按照角度分布整合为三维，并根据计算得到的三维曲线计算磁流体在加入磁场之后的质心与凸出质量，进去计算不平衡量。三维合成的表面形貌图如图4所示。将图4沿周向展开，展开三维图如图5所示。计算得到的在90mT,300rad/min磁流体凸出质量产生的不平衡量为9.374gmm。

对本方法进行相关验证实验，采用德国SCHENCK型号为HV2-30立式硬支撑动平衡机，通过其内置传感器和计算机，计算磁流体产生的不平衡量。通过动平衡机测量可以得到在300rad/min，磁场强度为90mT条件下，磁流体在磁场作用下产生的不平衡量为9.3gmm。

通过比较测量形貌得到的结果和动平衡机得到的实验结果，可以得到测量形貌的测量误差为0.8％。通过上述实验表明，本发明的方法能够完成旋转容器中液体的表面形貌的测量。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所做的进一步详尽说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (10)

1.一种用于旋转容器中液体或固体表面形貌测量装置，其特征在于：包括照相机(1)，以及通过旋转轴同轴固定相连的斩波板(3)和旋转容器(5)，斩波板(3)和旋转容器(5)之间留有间隙；旋转容器(5)上能够固定连接透明密封板(4)；斩波板(3)上开设有位置能够调整的斩波窗口(6)，在斩波窗口(6)的上方设置有激光器(2)；照相机(1)的镜头位于斩波板(3)和透明密封板(4)之间，且朝向透明密封板(4)。

2.根据权利要求1所述的一种用于旋转容器中液体或固体表面形貌测量装置，其特征在于：激光器(2)采用线型激光器。

3.根据权利要求1所述的一种用于旋转容器中液体或固体表面形貌测量装置，其特征在于：透明密封板(4)上设置刻度盘；透明密封板(4)的材质为亚克力，厚度为1mm。

4.根据权利要求1所述的一种用于旋转容器中液体或固体表面形貌测量装置，其特征在于：斩波窗口(6)为扇形；斩波窗口(6)的最大半径大于或等于所测液体或固体的最大半径。

5.根据权利要求1所述的一种用于旋转容器中液体或固体表面形貌测量装置，其特征在于：照相机(1)的镜头和水平面之间有30°到60°的夹角。

6.一种用于旋转容器中液体或固体表面形貌测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：先在带有旋转轴的旋转容器(5)中加入待测的液体或固体，盖上透明密封板(4)并固定；旋转轴伸出透明密封板(4)，在旋转轴上端固定连接带有斩波窗口(6)的斩波板(3)，斩波窗口(6)的上方设置有激光器(2)；

步骤二，通过旋转轴带动旋转容器(5)、透明密封板(4)和斩波板(3)同步转动，启动激光器(2)发出激光束，激光束穿过斩波窗口(6)和透明密封板(4)，在旋转容器(5)中待测的液体或固体表面产生投影线；

步骤三：采用长时间曝光的多圈测量方法，通过照相机(1)对待测的液体或固体表面拍照，获得投影线信息图片；对投影线信息图片进行图像处理，获取二维图像；

步骤四：对获得的二维图像进行优化整合，绘制旋转容器(5)中液体或固体表面形貌。

7.根据权利要求6所述的一种用于旋转容器中液体或固体表面形貌测量方法，其特征在于：步骤二中的转速为300rad/min。

8.根据权利要求6所述的一种用于旋转容器中液体或固体表面形貌测量方法，其特征在于：步骤三中，长时间曝光的多圈测量方法条件为：照相机(1)的相机光圈大小为8，曝光时间为25s，感光度为100。

9.根据权利要求6所述的一种用于旋转容器中液体或固体表面形貌测量方法，其特征在于：步骤三中的图像处理包括：

(a)对获得的投影线信息图片进行裁剪、调整饱和度并将投影线信息图片中的激光信息提取得到激光光路图的轮廓，得到初始图像；

(b)根据激光器(2)的主要色，提取初始图像中的色素信息，并采用极大值检测法，提取色素分量图像上每列像素点最大值处的位置坐标，得到由各列最大点位置坐标组成的曲线；

(c)采用加权均值法对步骤(b)得到的曲线进行图像光滑处理，得到消噪的图像曲线；

(d)对投影线信息图片进行灰度处理，利用投影线信息图片中旋转容器(5)长宽比，计算照相机(1)的倾斜角度；通过照相机(1)的倾斜角度与投影线信息图片和实物的比例，计算出投影线信息图片中的曲线的高度与实际待测的液体或固体高度的比例，获得实际待测的液体或固体高度；

(e)结合实际待测的液体或固体高度和消噪的图像曲线，获得二维图像。

10.根据权利要求6所述的一种用于旋转容器中液体或固体表面形貌测量方法，其特征在于：步骤四中的图像优化整合具体包括：

(a)通过补偿处理及数据对准步骤，对不同条件下得到的二维图像进行基准统一，统一以原旋转容器(5)中心作为坐标原点；

(b)数据插值处理及数据合成处理将离散的二维图像曲线拟合为初始三维图像；

(c)数据表面光滑处理将初始三维图像进行表面消噪，完成旋转容器(5)中液体或固体表面形貌的绘制。