CN109269952A - 一种丝状物料在气流床矩形提升管中三维颗粒浓度信息的测量装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于多相流测量技术领域，特别涉及一种丝状物料在气流床矩形提升管中三维颗粒浓度信息的测量装置和方法；测量装置包括弧形光源、匀光器、提升管、高速CCD相机以及图像后处理单元；测量方法包括：首先，拍摄45°视场方向清晰稳定的丝状颗粒流动信息，并将图片二值化；然后，分别计算划分后两个区域的光线传播方向浓度和提升管中颗粒浓度分布的关系；再次，对提升管中颗粒浓度分布函数进行简化，得到函数f(x,y)的二阶精度的二元泰勒展开式；最后，通过多元回归求得提升管中颗粒浓度分布函数；本发明实现了单CCD相机对三维空间丝状颗粒浓度的测量；无需相机耦合同步；无需深度扫描；该装置设计合理，易于操作，计算理论性强，数据处理快速便捷。
Description
技术领域
本发明属于多相流测量技术领域，特别涉及一种丝状物料在气流床矩形提升管中三维颗粒浓度信息的测量装置和方法。
背景技术
柔性丝状颗粒在气流床中的流动具有广阔的应用背景。在很多工业过程领域都涉及到细长柔性丝状颗粒在气流场中的运动特性问题，例如生物质(牧草、烟丝、天然纤维)，化工产品(化工纺织纤维、复合材料)，农业、食品加工、环保、生物医药等领域。
细长柔性丝状颗粒是一类非常特殊的非球形颗粒，其特征有：颗粒细长，形状在轴向上占优；柔软，易弯曲变形；各向异性，受力、转动、取向分布和扰动变形很复杂；柔性丝状颗粒在气固两相流化床中会以单个离散颗粒和絮团出现，由于颗粒的柔性和形状的不均匀性，这种类型的颗粒容易相互缠绕团结且很不容易分离。气流床中的颗粒流动的不均匀特性非常复杂，颗粒亦可能会经历一系列更复杂的过程，如传热&传质、干燥、化学反应等。柔性丝状颗粒在流场中的运动构成了一个复杂的动力系统。对这一流动系统，虽早已引起重视，但由于其复杂性，目前对于此类复杂的非球形颗粒的研究结果很少。该领域的研究很不完善，还处于不断地发展中，许多问题有待解决。因此，对丝状物料气流床内流化特性的研究将对开拓此类非球形颗粒的两相流研究和应用具有重要的理论意义。
气固两相流具有瞬态性，即其流动状态变化迅速且运动模型复杂，搭建合理的测量系统，并采集良好的气固两相流动信息是研究的重要前提。多项流测量主要可以分为两种方式，一种是侵入式的，一种是非侵入式的。侵入式的方式是将相应的探头(速度、压力、温度、动量探头、内窥镜等)侵入流场内部来获取侵入点处局部的流动信息。这种测量方式有一个显著的弊端就是会对所测量的流动产生一定的干扰。这种方式经常用于球形颗粒流动的测量，当用于测量丝状物料流动时，由于丝状物料的特殊性，颗粒容易在探头上缠绕堆积而严重干扰所测量处的流场，测量结果会产生重大误差或者错误。另一种测量方式是非侵入式的，这种方式的突出的优点就是不会对流场产生干扰。其又可以分为两种形式，一种是非光学式的，另一种是光学式的。非光学式的方法有电容层析成像(ECT)、电阻抗、声学测量等方式。例如，超声成像技术成本低，能够实现对声场各点的成像，但容易受气体介质的干扰。核磁共振成像技术具有较高的分辨率和精确度，能够对物体的分子结构进行分析。但容易受外部磁场干扰，其抗噪能力较弱。过程层析成像以非侵入的形式对物体横截面特征参数进行测量，在气固两相流领域应用较广，但该技术三维重建难度大，且分辨率低。这些技术是否能够成功应用,在很大程度上取决于重建算法的实现和测量精度的控制，目前其大都还一直处于不断发展研究中。光学式多项流测量主要以波动光学测量为主，即用红外线、激光、自然光等对所测量的流体进行照射，然后用相应的感光原件(如高速相机CCD等)对流动信息进行捕捉。由于其直观、不对流场产生扰动、后处理简单等优点而被广泛应用于多项流测量中，特别是类二维流动的测量以及三维流场中某截面流场信息的测量。
随着科学技术的发展，气固两相流场的测量方法逐渐从二维逐步发展到三维。开始有越来越多的基于三维光学测量方法应用于工业过程中，三维可视化也被引入到气固两相流三维参数的测量中来。非接触的光学测量方式(如高速摄影法)发展出了许多全新的测量技术，并且在气固两相流测量领域应用愈发广泛。但采用非接触的光学测量方式对整个三维颗粒浓度场进行测量也会遇到很大的挑战。目前主要采用双目立体视觉测量和多视角立体重建的方法。假如图像间的对应点完美匹配，那么我们可以精确的推断三维点位置。然而，由于光照变化、表面反射、遮挡、弱纹理、相机标定误差等，对应点往往包含误匹配和噪声，导致退化和包含噪声的重建结果，最终得到的三维重建结果并不理想。
发明内容
本发明解决现有技术中存在的三维光学测量方法测量系统复杂且准确性低技术问题，提供一种丝状物料在气流床矩形提升管中三维颗粒浓度信息的测量装置和方法。
为解决上述问题，本发明的技术方案如下：
一种丝状物料在气流床矩形提升管中三维颗粒浓度信息的测量装置，包括弧形光源、匀光器、提升管、高速CCD相机以及图像后处理单元；
所述弧形光源发出的光线依次穿过直角匀光器、提升管，高速CCD相机的物镜；弧形光源为整个测量系统提供均匀稳定光源；高速CCD相机用于拍摄记录流场内的柔性丝状颗粒的光场信息；优选地，所述弧形光源上的每一发光点距离高速CCD相机物镜中心点的距离相等，可以进一步有效避免由于像面张角引起光照强度不同而带来的系统误差；
所述提升管四壁由透明材质围成、截面为矩形；提升管是柔性丝状颗粒流动所在区域，四壁由透明材质便于观察和测量；
所述图像后处理单元与高速CCD相机连接；用于存储CCD相机获得的光场图片，并将其中包含的流场信息进行提取挖掘，从而最终得到三维丝状颗粒浓度信息。
优选地，所述高速CCD相机的物镜方向与矩形提升管截面长轴中心线的夹角为45°。这样布置的目的是由于在垂直于提升管截面的视角拍摄得到的二维图像很难进行三维重构，本发明的最重要的特征就在于此处将高速CCD相机系统视场进行了旋转，采用了全新的测量视角，兼顾了正向视场和侧向视场的流场信息。
优选地，所述直角匀光器紧贴提升管外壁布置；用于将光源发出的光进一步均匀分散于测量系统中。
一种丝状物料在气流床矩形提升管中三维颗粒浓度信息的测量方法，包括如下步骤：
步骤一、选择恰当合适的光照强度、高速CCD相机镜头的光圈值，调节镜头焦距和拍摄快门速度，使得能够拍摄记录45°视场方向清晰稳定的柔性丝状颗粒流动信息；然后将图片二值化。
步骤二、由于对称性，本步骤只考虑提升管中一半的颗粒浓度场。以拍摄图片中靠近中心的棱边的像为界进行划分，将所拍摄的包含柔性丝状颗粒流动信息的图片划分为两个区域，并分别计算光线传播方向浓度(二维图片中颗粒灰度)和提升管中颗粒浓度分布的关系。
拍摄得到的图片中，每一个像素点的灰度值代表的是在提升管截面在光线传播方向(深度方向)上的颗粒浓度的叠加。由于高速CCD相机镜头方向与矩形提升管截面长轴中心线的夹角为45°。所以深度方向可以用以下直线方程进行表示：
式中，x，y分别为笛卡尔坐标下的x轴，y轴坐标，l为图片中相应像素点的水平坐标。
深度方向微元的长度为：
所以，图像中像素点的灰度值可以表示为提升管中颗粒浓度分布函数沿着深度方向积分，如下所示：
式中，g(l)是图像中l处像素点的灰度值，α、β为深度方向积分的起点和终点，f(x,y)为提升管中颗粒浓度分布函数，也就是本专利最终需要求解的量。
由于高速CCD相机镜头方向与矩形提升管截面长轴中心线的夹角为45°，在得到图片中不同的区域所代表的深度方向是不同的。因此，需要将其划分为两个区域分别进行考虑。以图片中靠近中心的棱边的像为界进行划分，即区域和区域。其中a，b分别为矩形截面长轴和短轴长度。所以可以建立图像中l处像素点灰度分布函数和提升管中颗粒浓度分布函数之间的关系，如下所示：
其中g(l)是实验测量值，在此方程中为已知量。
步骤三、对提升管中颗粒浓度分布函数进行简化，得到函数f(x,y)的二阶精度的二元泰勒展开式，并消除变量y。
以现有的数学手段直接求解方程(4)得到解析解是无法实现的。所以以下采用拟合的方式实现。泰勒公式是将具有n阶导数的函数f(x)利用关于(x-x0)的n次多项式来逼近函数的方法。
假设函数f(x,y)二阶可导。将函数f(x,y)在点(x＝xk，y＝yk)处二元泰勒展开并取二阶精度，可以得到：
令xk＝0,yk＝0,并略去高阶无穷小量ο2，则：
也可在处展开，其表达式为：
对于此问题，展开点的不同对结果并无影响。为了方便起见，此处在(0,0)点展开。为了书写方便，
所以函数f(x,y)的表达式最终可以简化成为：
步骤四、对以上得到的图像中像素点灰度分布函数和提升管中颗粒浓度分布函数关系式进行求解。
令
则：
通过多元回归可以得到f0—f5，从而最终求得提升管中颗粒浓度分布函数：
f(x,y)＝f0+f1x+f2y+f3x2+2f4xy+f5y2 (11)
相对于现有技术，本发明的优点如下，
利用本发明的测量系统和方法，实现了单CCD相机对三维空间柔性丝状颗粒浓度的测量；
本发明的测量装置采用了单个相机系统，相比多相机装置，无需对各台相机进行耦合同步，便于安装调试和运行维护测量；
无需深度扫描，就可以实现柔性丝状颗粒流场的三维浓度测量；
该装置设计合理，易于操作，计算理论性强，数据处理快速便捷；
此方法能够对柔性丝状颗粒流动的研究提供相关支持。
附图说明
图1本发明的装置原理及相对位置示意图；
图2图像中像素点灰度分布和提升管中颗粒浓度分布关系示意图；
图3与垂直提升管壁面45°视角拍摄的瞬时柔性丝状颗粒流动图；
图4二值化后的瞬时柔性丝状颗粒流动图；
图5柔性丝状颗粒在提升管中浓度统计分布图；
其中：1—弧形光源、2—直角匀光器、3—提升管(图中显示为提升管横截面)、4—高速CCD相机、5—图像后处理单元。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，本发明的丝状物料在气流床矩形提升管中三维颗粒浓度信息的测量装置，包括：弧形光源1、直角匀光器2、透明矩形(包括正方形)截面提升管3、高速CCD相机4以及图像后处理单元5。
弧形光源为测量系统提供均匀稳定的光源。柔性丝状颗粒在透明的气流床提升管中流动。高速CCD相机镜头方向与矩形提升管截面长轴中心线的夹角为45°。由光源发出的光线依次穿过直角匀光器、透明提升管的横截面，高速CCD相机镜头，到达相机的CCD感光原件上。在感光原件上形成包含整个流场柔性丝状颗粒信息的二维的图像。接下来，通过图像后处理单元存储获得的光场二维图像，并将其中包含的流场信息进行提取挖掘，最终还原得到三维颗粒浓度信息。
优选地，所述弧形光源上的每一发光点距离高速CCD相机物镜中心点的距离相等，可以进一步有效避免由于像面张角引起光照强度不同而带来的系统误差。
优选地，所述直角匀光器紧贴提升管外壁布置；用于将光源发出的光进一步均匀分散于测量系统中。
实施例2：
一种丝状物料在气流床矩形提升管中三维颗粒浓度信息的测量方法，包括如下步骤：
步骤一、选择恰当合适的光照强度(100lux)、高速CCD相机镜头的光圈值(1.4)，调节镜头焦距(50mm)和拍摄快门速度(150μs)，使得能够拍摄记录45°视场方向清晰稳定的柔性丝状颗粒流动信息，如图3所示。然后将图片二值化，如图4所示。本发明从水平45度方向角对提升管进行拍摄；采用了全新的测量视角，兼顾了正向视场和侧向视场的流场信息。
步骤二、由于对称性，本步骤只考虑提升管中一半的颗粒浓度场。以图片中靠近中心的棱边的像为界进行划分，将所拍摄的包含柔性丝状颗粒流动信息的图片划分为两个区域，并分别计算光线传播方向浓度(二维图片中颗粒灰度)和提升管中颗粒浓度分布的关系。
拍摄得到的图片中，每一个像素点的灰度值代表的是在提升管截面在光线传播方向(深度方向)上的颗粒浓度的叠加。由于高速CCD相机镜头方向与矩形提升管截面长轴中心线的夹角为45°。所以深度方向可以用以下直线方程进行表示：
式中，x，y分别为笛卡尔坐标下的x轴，y轴坐标，l为图片中相应像素点的水平坐标。
深度方向微元的长度为：
所以，图像中像素点的灰度值可以表示为提升管中颗粒浓度分布函数沿着深度方向积分，如下所示：
式中，g(l)是图像中l处像素点的灰度值，α、β为深度方向积分的起点和终点，f(x,y)为提升管中颗粒浓度分布函数，也就是本发明最终需要求解的量。
由于高速CCD相机镜头方向与矩形提升管截面长轴中心线的夹角为45°，在得到图片中不同的区域所代表的深度方向是不同的。因此，需要将其划分为两个区域分别进行考虑。以图片中靠近中心的棱边的像为界进行划分，即区域和区域。其中a，b分别为矩形截面长轴和短轴长度。所以可以建立图像中l处像素点灰度分布函数和提升管中颗粒浓度分布函数之间的关系，如下所示：
其中g(l)是实验测量值，在此方程中为已知量。
步骤三、对提升管中颗粒浓度分布函数进行简化，得到函数f(x,y)的二阶精度的二元泰勒展开式，并消除变量y。
假设函数f(x,y)二阶可导。将函数f(x,y)在点(x＝0，y＝0)处二元泰勒展开并取二阶精度，并略去高阶无穷小量，则：
所以函数f(x,y)的表达式最终可以简化成为：
步骤四、对以上得到的图像中像素点灰度分布函数和提升管中颗粒浓度分布函数关系式进行求解。为了验证此理论的有效性，此实施例中计算平均柔性丝状颗粒浓度场。
令
则：
其中是多张45°角拍摄的二维图像中颗粒浓度的平均分布。通过多元回归可以得到f0—f5，从而最终求得提升管中颗粒平均浓度分布函数：
最终求得的提升管中颗粒平均浓度分布如图5所示。
需要说明的是上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，在上述基础上做出的等同替换或者替代均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种丝状物料在气流床矩形提升管中三维颗粒浓度信息的测量装置，其特征在于，包括弧形光源、匀光器、提升管、高速CCD相机以及图像后处理单元；
所述弧形光源发出的光线依次穿过直角匀光器、提升管的横截面，高速CCD相机的物镜；
所述提升管四壁由透明材质围成、截面为矩形；
所述图像后处理单元与高速CCD相机连接。
2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述弧形光源上的每一发光点距离高速CCD相机物镜中心点的距离相等。
3.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述高速CCD相机的物镜方向与矩形提升管截面长轴中心线的夹角为45°。
4.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述直角匀光器紧贴提升管外壁布置。
5.一种丝状物料在气流床矩形提升管中三维颗粒浓度信息的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，用高速CCD相机拍摄记录45°视场方向的柔性丝状颗粒流动信息，然后将图片二值化；
步骤二，建立图像中像素点灰度分布函数和提升管中颗粒浓度分布函数之间的关系：
步骤三，求得提升管中颗粒浓度分布函数的二阶精度的二元泰勒展开式；
步骤四，对步骤二、步骤三得到的图像中像素点灰度分布函数和提升管中颗粒浓度分布函数关系式进行求解，最终得到提升管中颗粒浓度分布函数。
6.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，步骤二所述关系的表达式为：
其中g(l)是图像中l处像素点灰度，在此方程中为已知量，l为图片中相应像素点的水平坐标，
f(x,y)为提升管中颗粒浓度分布函数，x、y分别为笛卡尔坐标下的x轴、y轴坐标，
l为图片中相应像素点的水平坐标，
a，b分别为矩形截面长轴和短轴长度。
7.如权利要求6所述的测量方法，其特征在于，步骤三所述提升管中颗粒浓度分布函数的二阶精度的二元泰勒展开式的最终表达式为：
其中，
。
8.如权利要求7所述的测量方法，其特征在于，步骤四所述f0—f5通过多元回归得到。
9.如权利要求8所述的测量方法，其特征在于，步骤四所述最终得到的提升管中颗粒浓度分布函数为：
f(x,y)＝f0+f1x+f2y+f3x2+2f4xy+f5y2。
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