CN108240949A - 一种散体物料休止角的测定装置与测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于物料参数测定领域，具体涉及一种散体物料休止角测定装置与测定方法。利用数码相机获取散体物料堆积体图像，运用计算机图像处理获取堆积体轮廓曲线，以高斯分布函数拟合轮廓曲线提取点，以拟合曲线拐点处切线与水平轴所夹的锐角作为散体物料的休止角。本发明专用测定装置包括进料单元、堆料单元、图像采集单元和数据处理单元，所述的进料单元(100)、堆料单元(200)、图像采集单元(300)、数据处理单元(400)依次连接。本发明克服了现有休止角测定装置结果精度低、人为误差大的问题，提出一种散体物料休止角测定的装置及方法。本发明测定结果准确度高，误差小，且可根据需要更换下料漏斗和堆料平板，对不同散体物料具有良好的适用性。
Description
技术领域
本发明属于物料参数测定技术领域，具体涉及一种散体物料休止角测定装置与测定方法。
背景技术
散体物料在日常生产和生活中非常常见。在自然状态下，散体一般以堆积体的形式存在。堆积体的稳定性以及空间占用大小是散体物料使用中应该关注的问题。散体物料的休止角一般是指散体在自然堆积状态下，堆积体坡面与水平面所形成的最大夹角。散体物料的休止角与散体本身的性质密切相关。对散体物料休止角的研究对于研究散体物料性质、生产和运输、安全使用等都具有重要的意义。
现阶段大单元研究中将散体物料堆积体近似为圆锥体处理，通过测定散体物料堆积体的高度和直径，来计算散体物料堆积体的休止角，一般的计算公式为休止角
其中，H为堆积体高度，D为堆积体直径。
实际的堆积体形状并非理想的圆锥体，坡角往往不是规则的圆形，坡顶也并不是完整的锥角。于是也有人提出选取堆积体中部坡面较为平直的一段作为休止角的计算依据，然而选取的标准因人而异，导致所测休止角与实际情况会有差异。
另一方面，目前休止角测定装置计算休止角所用的参数大多采用绝对长度去度量。由于操作的误差，最终可能会导致测得的堆积体高度或直径会有较大的波动，使得测定结果出现较大的误差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有休止角测定装置结果精度低、人为误差大的问题，提出一种散体物料休止角测定的装置及方法。
观察散体物料的堆积体，发现堆积体轮廓与高斯分布的曲线相似，两端均为凹函数，中部为凸函数，而曲线的拐点两侧为近似平直的曲线。本发明通过高斯分布来计算散体物料堆积体的休止角。
高斯分布的一般公式为：
式中y0、A、w和xc均为待定常系数，π为圆周率，e为自然对数。
对其分别求一阶和二阶导数，得到其一阶导数方程：
二阶导数方程：
令其二阶导数为0，即：
f″(x)＝0
可以解得，拐点横坐标：
将x的值代入高斯分布的一阶导数方程，得到该点出的斜率：
斜率绝对值的反正切即为散体物料的休止角：
θ＝arctan|Sl|
具体地，本发明的技术方案如下所述：
一种散体物料休止角测定方法，其步骤包括：利用数码相机获取散体物料堆积体图像，利用计算机图像处理获取堆积体轮廓曲线，以高斯分布函数拟合轮廓曲线提取点，以拟合曲线拐点处切线与水平轴所夹的锐角作为散体物料的休止角；所述高斯分布函数的方程为：
上述方程式中各参数分别指代如下：
y0、A、w和xc——待定常系数，根据轮廓曲线提取点坐标由最小二乘法拟合得到；
π——圆周率；
e——自然对数；
x——堆积体轮廓图像水平方向提取点的横坐标；
f(x)——堆积体轮廓图像竖直方向提取点的纵坐标；
则散体物料的休止角为：
上述散体物料的休止角计算公式中参数指代的含义与所述的高斯分布函数的方程参数相同。
申请人提供了一种散体物料休止角测定方法的专用测定装置，该专用测定装置包括进料单元100、堆料单元200、图像采集单元300和数据处理单元400，所述的进料单元100、堆料单元200、图像采集单元300、数据处理单元400依次连接；所述的进料部分包括进料漏斗110)和漏斗支架120；进料漏斗110上设置有控制漏斗口开闭的漏斗阀门130；漏斗支架120上设置有竖向的滑槽121；进料漏斗由漏斗紧固螺栓140固定在漏斗支架120上(根据需要可调整进料漏斗110的高度)；所述的堆料部分200由堆积底座210和堆积平板220组成，堆积底座210上设有十字形凹槽211，对应的堆积平板220上有十字形突起221，使用时将突起221嵌入凹槽211中，实现堆积平板220在堆积底座210上的径向固定；图像采集部分300包括1个数码相机310、固定与支撑数码相机的云台320；图形处理部分400包括1台计算机410、数码相机310和数据线420，计算机410、数码相机310与数据线420相连；数码相机310采集的图像经数据线420传输到计算机410上，在计算机410上可进行图像的处理操作，并可完成数据的导出工作。
具体地，图像的处理按以下步骤：
(1)选取堆积体图像，微调图像角度，使堆积体呈水平。
(2)对堆积体图像进行灰度变换、二值化处理，提取堆积体轮廓。
(3)获取轮廓点坐标，使用高斯分布对轮廓点散点图进行最小二乘法拟合，获取拟合曲线函数。
(4)根据拟合曲线函数计算散体物料休止角。若有多个相机，则计算所有结果算术平均值，所得数值作为休止角。
本发明的有益效果：
(1)以高斯分布对散体物料堆积体轮廓进行拟合，以曲线拐点处切线与水平轴所夹锐角作为散体物料的休止角，可以有效减小人为操作的误差。
(2)通过图像处理的方式获取堆积体轮廓，获取堆积体的相对大小即可。不需要测量堆积体的直径和高度等的具体数值，有效减小了测定误差。
(3)具有良好的适用性，适宜于测定常见散体物料的休止角，并可根据需要更换下料漏斗和堆料平板。
附图说明
图1：是本发明的技术流程框图。
图2：是本发明专用装置的总体结构示意图。
图3：是本发明堆料单元结构示意图。附图标记说明：
图3A：是本发明堆料单元堆积平板结构示意图。
图3B：是本发明堆料单元堆积底座结构示意图。
图4：是本发明进料单元的结构示意图。
图5：是本发明图像处理流程示意图。即使用蚯蚓粪基质实际堆积时图像处理各阶段的图像示意图，附图标记吗：图5A：是本发明图像处理流程中蚯蚓粪基质堆积体原始图像示意图；图5B：是本发明图像处理流程中蚯蚓粪基质堆积体轮廓图像示意图；图5C是本发明图像处理流程中蚯蚓粪基质堆积体轮廓高斯分布拟合图像示意图。
附图标记编号：
100-进料单元
110-进料漏斗；120-漏斗支架；121-滑槽；130-漏斗阀门；140-紧固螺栓
200-堆料单元
210-堆积底座；211-十字形凹槽；220-堆积平板；221-十字形突起
300-图像采集单元
310-数码相机；3云台
400-数据处理单元
410-计算机；420-数据线
具体实施方式
实施例1
一种散体物料休止角测定装置，包括进料单元100、堆料单元200、图像采集单元300和数据处理单元400，所述的进料部分包括进料漏斗110和漏斗支架120，进料漏斗110上设置有控制漏斗口开闭的漏斗阀门130，漏斗支架120上设置有竖向的滑槽121，进料漏斗由漏斗紧固螺栓140固定在漏斗支架120上(根据需要可调整进料漏斗110的高度)；所述的堆料部分200由堆积底座210和堆积平板220组成，堆积底座210上设有十字形凹槽211，对应的堆积平板220上有十字形突起221，使用时将突起221嵌入凹槽211中，实现堆积平板220在堆积底座210上的径向固定；图像采集部分300包括1个数码相机310和固定和支撑数码相机的云台320；图形处理部分400包括1台计算机410及连接数码相机310与计算机410的数据线420；数码相机310采集的图像经数据线420传输到计算机410上，在计算机410上可进行图像的处理操作，并可完成数据的导出工作。
将与所需测定的散体物料(例如本实施例中使用蚯蚓粪为基质)配套的进料漏斗110水平置于漏斗支架120上，调整好进料漏斗110的高度，拧紧漏斗紧固螺栓140，将进料漏斗110固定。关闭漏斗阀门130。将于所需测定的散体物料配套的堆积平板220置于堆积底座210之上，堆积平板220上的十字突起221嵌入堆积底座210的对应的凹槽211中，确保堆积平板220径向固定。调整漏斗支架120，使得进料漏斗110与堆积平板220的轴线重合。将数码相机310安装在云台320上，调整云台320，使数码相机310中轴线与堆积体预计高度处于同一水平面。使用数据线420连接数码相机310与计算机410，数码相机310所拍摄的照片通过数据线420传输至计算机410。试验开始时，将适量散体物料倒入进料漏斗110中，打开漏斗阀门130，散体物料经出料漏斗110的漏斗口，堆积于堆料平板220上。待堆积体稳定后，使用数码相机310对堆积体进行拍照并通过数据线420将照片(图5A)传输至计算机410。各单元置于试验台500上。利用计算机410，分别对数码相机310所拍得的数码照片进行堆积体提取、灰度处理、二进制处理，最终提取得到堆积体的轮廓图片(图5B)。按设定的取样间隔(视照片的分辨率而定，一般间隔像素点为5～10为宜)提取轮廓曲线上的点，用最小二乘法使用高斯公式对这些离散点进行拟合。
所述高斯分布函数的方程为：
上述方程式中个参数分别指代如下：
y0、A、w和xc——待定常系数，根据轮廓曲线提取点坐标由最小二乘法拟合得到；
π——圆周率；
e——自然对数；
x——堆积体轮廓图像水平方向提取点的横坐标；
f(x)——堆积体轮廓图像竖直方向提取点的纵坐标；
利用最小二乘法，确定拟合高斯公式中各待定系数y0、A、w和xc的值。
如图5C，拟合得到的高斯分布方程如下：
即本实施例中待定系数A和w的值分别为3.08429×106和1820.88888。
根据所得系数A和w的值即可得到散体物料的休止角，计算公式如下：
将上述A和w的值分别代入上式，得到休止角θ＝42.00°，即为待测散体物料(本例为蚯蚓粪基质)的休止角为42.00°。
本发明中，可以根据散体物料的粒径大小和试验的具体要求，更换不同规格的进料漏斗110。更换时，只需将漏斗紧固螺栓140拧松，更换合适的进料漏斗110后重新拧紧即可。一般建议漏斗下料口直径在散体物料平均粒径10倍左右，且大于物料最大粒径为宜。
本发明中，亦可以根据散体物料的特性和试验的具体要求，更换不同的堆积平板220。一般建议堆积平板220上表面为圆形，直径为散体物料颗粒平均粒径的100～200倍为宜。
Claims (3)
1.一种散体物料休止角的测定方法，其特征在于：利用数码相机获取散体物料堆积体图像，利用计算机图像处理获取堆积体轮廓曲线，以高斯分布函数拟合轮廓曲线提取点，以拟合曲线拐点处切线与水平轴所夹的锐角作为散体物料的休止角；高斯分布函数的方程如下所述：
上述方程式中各参数分别指代如下：
y0、A、w和xc——待定常系数，根据轮廓曲线提取点坐标由最小二乘法拟合得到；
π——圆周率；
e——自然对数；
x——堆积体轮廓图像水平方向提取点的横坐标；
f(x)——堆积体轮廓图像竖直方向提取点的纵坐标；
则散体物料的休止角为：
上述散体物料的休止角计算公式中参数指代的含义与所述的高斯分布函数的方程参数相同。
2.一种专用于权利要求1所述的散体物料休止角测定方法的测定装置，其特征在于：该测定装置包括进料单元(100)、堆料单元(200)、图像采集单元(300)和数据处理单元(400)，所述的进料单元100、堆料单元200、图像采集单元300、数据处理单元400依次连接；所述的进料部分包括进料漏斗(110)和漏斗支架(120)；进料漏斗(110)上设置有控制漏斗口开闭的漏斗阀门(130)；漏斗支架(120)上设置有竖向的滑槽(121)；进料漏斗由漏斗紧固螺栓(140)固定在漏斗支架(120)上所述的堆料部分(200)由堆积底座(210)和堆积平板(220)组成，堆积底座(210)上设有十字形凹槽(211)，对应的堆积平板(220)上有十字形突起(221)，使用时将突起(221)嵌入凹槽(211)中，实现堆积平板(220)在堆积底座(210)上的径向固定；图像采集部分(300)包括1个数码相机(310)、固定与支撑数码相机的云台(320)；图形处理部分(400)包括1台计算机(410)、数码相机(310)和数据线(420)，计算机(410)、数码相机(310)与数据线(420)相连。
3.根据权利要求2所述的散体物料休止角测定方法的测定装置，其特征在于：测定装置中的进料漏斗(110)的高度可调。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20200131 Termination date: 20211214 |