CN111063397B - 基于图像处理和结构抽象算法的微波冶金多金属矿物介电特性计算方法 - Google Patents

基于图像处理和结构抽象算法的微波冶金多金属矿物介电特性计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于图像处理和结构抽象算法的微波冶金多金属矿物介电特性计算方法，属冶金控制工程技术领域。本发明以混合多金属矿物为研究对象，首先获取多金属矿物的电镜扫描图片，应用图像处理技术，获取矿物各组分的含量，然后建立多金属矿物的单元模型，应用结构抽象化伪两相算法，构建多金属矿物整体模型及其等效电路，最后结合电路网路理论与介电物理理论得到多金属矿物整体模型的介电特性。本发明把图像处理技术应用到冶金矿物组分含量的测定，在微波冶金领域具有潜在的应用价值，伪两相算法解决了以前将多金属矿物的混合介质近似成一种介质的问题，更符合实际情况，同时，它无需建立和求解复杂的电动力学模型，极大的降低了分析计算难度。

Description

基于图像处理和结构抽象算法的微波冶金多金属矿物介电特性计算方法
技术领域
本发明涉及一种基于图像处理和结构抽象算法的微波冶金多金属矿物介电特性计算方法，属于冶金控制工程技术领域。
背景技术
微波加热作为一种快速、有效的加热方式，已经广泛应用于化工、食品、冶金等领域。微波冶金应用中，介电常数表示物质对微波的吸收能力，介电损耗表示物质将吸收的微波能转化成热能的能力。微波与物质相互作用的过程就是物质对微波能量吸收和反射的过程，对于非磁性材料而言，物质对微波能量耦合能力的强弱取决于物质的介电常数。如果测量出物质的介电常数，就可以知道物质在微波作用下的某些行为。多金属矿物的组元通常都具有不同的介电常数，各组成相以晶粒形式聚合在一起后，在宏观上就表现为整个多金属矿物的宏观介电常数。
目前主要有结构抽象化和弥散微粒规则化两个途径来计算多相异质介质的介电性能。微粒弥散系的多相异质介质介电性能的计算很复杂，因为弥散体的微粒大小、形状、分布状态等均会影响复合介质的等效介电性能，结构抽象化是将多相异质介质等效为多层单一均匀介质，通过等效电路的方式计算多层介质的介电性能，从而求解出多相异质介质的介电特性。应用图像处理技术和结构抽象化来计算微波冶金多金属矿物介电特性的方法，将多金属矿物等效为多层单一均匀介质的矿物单元模型，把其矿物单元分割成一种已知物质和另外一种混合物质，通过等效电路的方式计算多金属矿物的介电性能。它无需建立和求解复杂的电动力学模型，极大的降低了分析计算难度。
发明内容
本发明提供了基于图像处理和结构抽象算法的微波冶金多金属矿物介电特性计算方法，把图像处理技术应用到冶金矿物组分含量的测定，在微波冶金领域具有潜在的应用价值，提出的结构抽象化伪两相算法，构建多金属矿物整体模型及其等效电路，解决了以前将多金属矿物的混合介质近似成一种介质的问题，更符合实际情况，且无需建立和求解复杂的电动力学模型，极大的降低了分析计算难度。
本发明的技术方案是：一种基于图像处理和结构抽象算法的微波冶金多金属矿物介电特性计算方法，所述方法的具体步骤如下：
步骤1、获取多金属矿物的电镜扫描图片；
步骤2、应用图像处理技术，获取矿物各组分的含量；
步骤3、建立多金属矿物的单元模型；
步骤4、应用结构抽象化伪两相算法，构建多金属矿物整体模型及其等效电路，通过等效电路的方式计算多层介质的介电性能。
作为本发明的优选方案，所述步骤1中，在扫描冶金矿物时，应把不同的矿物均匀平铺在载物台上，选择合适的放大倍数，以达到最好的视觉效果，尽量减少每种矿物重叠部分。
作为本发明的优选方案，所述步骤2中，应用图像分割技术，把每种矿物单元的边界分割开来，然后用聚类的方法，把相同的矿物单元聚为同一类，最后用像素统计的方法获取矿物各组分的含量。
作为本发明的优选方案，所述步骤3中，将多金属矿物分割成许多矿物组元的介质层，在层内各矿物单元按统计混合分布，在同一层内移动各单元的小颗粒，按各单元的顺序依次构成同单元的颗粒链而排列；各层之间以颗粒链条带互成横向正交地一层层叠置，同层内颗粒位置的重新配置，并不会改变该层的固有电容。
作为本发明的优选方案，所述步骤4中，把多金属矿物假设成一种已知矿物单元和另外一种未知混合矿物组成，将多金属矿物等效为多层单一均匀介质，通过等效电路的方式计算多层介质的介电性能；
有如下关系式：
Figure BDA0002310515020000021
Figure BDA0002310515020000022
Figure BDA0002310515020000023
Figure BDA0002310515020000024
Figure BDA0002310515020000025
其中，m1，m2为组成多金属矿物的两个随机矿物单元，D为两个随机矿物单元，m1，m2组成的两组分矿物单元模型，C为D和随机矿物单元m3组成的三组分矿物单元模型，B为C和随机矿物单元mn-2组成的(n-2)组分矿物单元模型，A为B和随机矿物单元mn-1组成的(n-1)组分矿物单元模型，T为n组分多金属矿物单元模型。
作为本发明的优选方案，所述步骤4中，随机选取两个矿物单元作为基相，按照多金属矿物单元模型混合在一起，则看作是两组分的矿物单元模型；由多金属矿物单元模型中取出体积为1cm3的立方体模型，经同层内相同组分质粒归并整理后得到计算模型，在一个对角方位上是二组分的并联，其含量为(1-V)2+V2，而另一对角方位上是二组分的串联，其含量为2(1-V)V，据此得到串、并联电阻、电容等效电路图；则：
多金属矿物的介电常数为：
Figure BDA0002310515020000031
其中，V为随机矿物单元的体积比，ε1为随机矿物单元的介电常数，ε2为另一种矿物单元的介电常数；
多金属矿物的介电损耗的计算公式：
Figure BDA0002310515020000032
其中，ω为角频率，tanδ1为随机矿物单元的损耗角正切值，tanδ2为另一种矿物单元的损耗角正切值，V为随机矿物单元的体积比，ε为多金属矿物的介电常数。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过图像处理技术分析多金属矿物的电镜扫描图片，获取多金属矿物各组分的含量，相较与其他方法，更加的具有普适性，在微波冶金领域具有潜在的应用价值。
2、本发明建立的多金属矿物单元模型，不仅可以应用到微波冶金多金属矿物介电特性的计算，也可以应用其他材料性能参数的计算上。
3、本发明应用结构抽象化伪两相算法，构建多金属矿物整体模型及其等效电路，解决了以前将多金属矿物的混合介质近似成一种介质的问题，更符合实际情况，更无需建立和求解复杂的电动力学模型，极大的降低了分析计算难度。
附图说明
图1为本发明中多金属矿物的电镜扫描图；
图2为本发明中通过图像分割技术和聚类后的多金属矿物图片；
图3为本发明中多金属矿物单元模型；
图4为本发明中多金属矿物两组元矿物单元模型；
图5为本发明中多金属矿物的结构抽象化伪两相计算模型；
图6为本发明中多金属矿物介电特性计算的等效电路。
具体实施方式
实施例1：如图1-6所示，基于图像处理和结构抽象算法的微波冶金多金属矿物介电特性计算方法，所述方法的具体步骤如下：
步骤1、获取多金属矿物的电镜扫描图片；
所述步骤1中，在扫描冶金矿物时，应把不同的矿物均匀平铺在载物台上，选择合适的放大倍数，以达到最好的视觉效果，尽量减少每种矿物重叠部分。
如图1所示为本发明中多金属矿物的电镜扫描图；该图片是通过扫描各种不同矿物单元得到的，可见它们之间的形状差异很大。
步骤2、应用图像处理技术，获取矿物各组分的含量；
所述步骤2中，应用图像分割技术，把每种矿物单元的边界分割开来，然后用聚类的方法，把相同的矿物单元聚为同一类，最后用像素统计的方法获取矿物各组分的含量。
如图2所示为本发明中通过图像分割技术和聚类后的多金属矿物图片；先对矿物图片进行预处理去噪，然后通过分水岭图像分割算法把每种矿物的边缘信息标注出来，最后通过聚类的方法把相同矿物单元归为一类，则可获得矿物各组分的含量。
步骤3、建立多金属矿物的单元模型；
所述步骤3中，将多金属矿物分割成许多矿物组元的介质层，在层内各矿物单元按统计混合分布，在同一层内移动各单元的小颗粒，按各单元的顺序依次构成同单元的颗粒链而排列；各层之间以颗粒链条带互成横向正交地一层层叠置，同层内颗粒位置的重新配置，并不会改变该层的固有电容。
如图3所示为本发明中多金属矿物单元模型；在多金属矿物局部范围内，相同的矿物单元集合具有相似的性质，不同的矿物单元集合体具有不同的性质，把多金属矿物各组分平铺成两层，各层之间以颗粒链条带互成横向正交，把冶金矿物非金属绝缘部分看作电容，金属导电部分看作电阻。
步骤4、应用结构抽象化伪两相算法，构建多金属矿物整体模型及其等效电路，通过等效电路的方式计算多层介质的介电性能。
所述步骤4中，把多金属矿物假设成一种已知矿物单元和另外一种未知混合矿物组成，将多金属矿物等效为多层单一均匀介质，通过等效电路的方式计算多层介质的介电性能；
如图5所示为本发明中多金属矿物的结构抽象化伪两相计算模型；
有如下关系式：
Figure BDA0002310515020000051
Figure BDA0002310515020000052
Figure BDA0002310515020000053
Figure BDA0002310515020000054
Figure BDA0002310515020000055
其中，m1，m2为组成多金属矿物的两个随机矿物单元，D为两个随机矿物单元，m1，m2组成的两组分矿物单元模型，C为D和随机矿物单元m3组成的三组分矿物单元模型，B为C和随机矿物单元mn-2组成的(n-2)组分矿物单元模型，A为B和随机矿物单元mn-1组成的(n-1)组分矿物单元模型，T为n组分多金属矿物单元模型。
所述步骤4中，随机选取两个矿物单元作为基相，按照多金属矿物单元模型混合在一起，则看作是两组分的矿物单元模型；由多金属矿物单元模型中取出体积为1cm3的立方体模型，经同层内相同组分质粒归并整理后得到计算模型，在一个对角方位上是二组分的并联，其含量为(1-V)2+V2，而另一对角方位上是二组分的串联，其含量为2(1-V)V，据此得到串、并联电阻、电容等效电路图，结合电路网络理论和介电物理理论可以得到多金属矿物模型的介电特性表达式。
如图4和图6所示分别为多金属矿物两组元矿物单元模型和多金属矿物介电特性计算的等效电路。则：
多金属矿物的介电常数为：
Figure BDA0002310515020000056
其中，V为随机矿物单元的体积比，ε1为随机矿物单元的介电常数，ε2为另一种矿物单元的介电常数；
多金属矿物的介电损耗的计算公式：
Figure BDA0002310515020000057
其中，ω为角频率，tanδ1为随机矿物单元的损耗角正切值，tanδ2为另一种矿物单元的损耗角正切值，V为随机矿物单元的体积比，ε为多金属矿物的介电常数。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (4)

1.基于图像处理和结构抽象算法的微波冶金多金属矿物介电特性计算方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：
步骤1、获取多金属矿物的电镜扫描图片；
步骤2、应用图像处理技术，获取矿物各组分的含量；
步骤3、建立多金属矿物的单元模型；
步骤4、应用结构抽象化伪两相算法，构建多金属矿物整体模型及其等效电路，通过等效电路的方式计算多层介质的介电性能；
所述步骤4中，把多金属矿物假设成一种已知矿物单元和另外一种未知混合矿物组成，将多金属矿物等效为多层单一均匀介质，通过等效电路的方式计算多层介质的介电性能；
有如下关系式：
Figure FDA0004140507040000011
Figure FDA0004140507040000012
Figure FDA0004140507040000013
Figure FDA0004140507040000014
Figure FDA0004140507040000015
其中，m1，m2为组成多金属矿物的两个随机矿物单元，D为两个随机矿物单元，m1，m2组成的两组分矿物单元模型，C为D和随机矿物单元m3组成的三组分矿物单元模型，B为C和随机矿物单元mn-2组成的(n-2)组分矿物单元模型，A为B和随机矿物单元mn-1组成的(n-1)组分矿物单元模型，T为n组分多金属矿物单元模型；
随机选取两个矿物单元作为基相，按照多金属矿物单元模型混合在一起，则看作是两组分的矿物单元模型；由多金属矿物单元模型中取出体积为1cm3的立方体模型，经同层内相同组分质粒归并整理后得到计算模型，在一个对角方位上是二组分的并联，其含量为(1-V)2+V2，而另一对角方位上是二组分的串联，其含量为2(1-V)V，据此得到串、并联电阻、电容等效电路图；则：
多金属矿物的介电常数为：
Figure FDA0004140507040000016
其中，V为随机矿物单元的体积比，ε1为随机矿物单元的介电常数，ε2为另一种矿物单元的介电常数；
多金属矿物的介电损耗的计算公式：
Figure FDA0004140507040000021
其中，ω为角频率，tanδ1为随机矿物单元的损耗角正切值，tanδ2为另一种矿物单元的损耗角正切值，V为随机矿物单元的体积比，ε为多金属矿物的介电常数。
2.根据权利要求1所述的基于图像处理和结构抽象算法的微波冶金多金属矿物介电特性计算方法，其特征在于：所述步骤1中，在扫描冶金矿物时，应把不同的矿物均匀平铺在载物台上，选择合适的放大倍数，以达到最好的视觉效果，尽量减少每种矿物重叠部分。
3.根据权利要求1所述的基于图像处理和结构抽象算法的微波冶金多金属矿物介电特性计算方法，其特征在于：所述步骤2中，应用图像分割技术，把每种矿物单元的边界分割开来，然后用聚类的方法，把相同的矿物单元聚为同一类，最后用像素统计的方法获取矿物各组分的含量。
4.根据权利要求1所述的基于图像处理和结构抽象算法的微波冶金多金属矿物介电特性计算方法，其特征在于：所述步骤3中，将多金属矿物分割成许多矿物组元的介质层，在层内各矿物单元按统计混合分布，在同一层内移动各单元的小颗粒，按各单元的顺序依次构成同单元的颗粒链而排列；各层之间以颗粒链条带互成横向正交地一层层叠置，同层内颗粒位置的重新配置，并不会改变该层的固有电容。
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