CN112964606B - 一种机器视觉悬浮液浊度检测装置及检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机器视觉悬浮液浊度检测装置及检测方法。所述检测装置包括悬浮液离心分离模块、给排料与清洗模块和机器视觉及处理模块；所述悬浮液分离模块包括电机、离心悬臂、转头、挂篮及样品检测室；所述给排料与清洗模块包括储水箱、电磁阀、液位传感器、进料管和排料管；所述机器视觉及处理模块包括工业相机、光源、图像采集卡、电子计算机、PLC控制器；所述光源与样品检测室之间安装有滤光片，所述图像采集卡用于将工业相机获得的图像信号转化为数字信号并传送到电子计算机存储器中进行处理。本发明的检测装置的检测精度及可靠性高。

Description

一种机器视觉悬浮液浊度检测装置及检测方法
技术领域
本发明涉及一种机器视觉悬浮液浊度检测装置及检测方法，属于检测仪器研制领域，具体为采用离心和机器视觉技术实现检测悬浮液的浊度装置及方法。
背景技术
在一些混合物中，分散在液体中的物质并没有被溶解，而是以细小的固体颗粒形式存在。当外界停止对该混合物施加影响(包括晃动、振荡和搅拌等)，分散的固体颗粒在重力作用下会发生沉降并逐渐在液体底部形成稳定的颗粒沉积层，我们把这类异质、不均匀、不稳定的混合物，称之为悬浮液。其中，固体颗粒被称为分散质，而分散固体颗粒的流体被称为分散剂。一般而言，水是最普遍的分散剂，其他是一些分子量不大的有机分散剂，包括油脂、乙醇、乙二醇、苯乙烯等。悬浮液中悬浮的固体颗粒粒径一般介于0.5至10微米，更小可以至0.1微米，大者可达到50微米或更高。
常见的悬浮液包括血液、泥浆、面糊、石灰乳等，在医疗制药、农林化工、石油采矿、选矿、土木、交通水利等行业和领域有着广泛应用。医疗行业中很多难溶性固体药物需要经研磨后配制成特定含量的悬浮液(混悬液)后供临床使用，包括治疗胃和十二指肠溃疡等疾病的硫糖铝口服悬浮液、用于治疗发烧、缓解轻至中度关节疼痛的布洛芬缓释悬浮液、以及胃肠消化道疾病X线检查中服用的钡餐(药用硫酸钡)等；农林生产行业中使用的多种防治病虫害及调节植物生长的化学药剂，包括50％吡蚜酮DF、70％多菌灵DF及25％唑嘧磺草胺DF等。此类以悬浮液为基础的农药新剂型，具有高效、环保和安全等特点，符合今后农药绿色化和减量化的发展方向；石油开采行业中钻井液被称为钻井的血液，泥浆悬浮液是最广泛使用的一种钻井液。性质稳定、浓度标准的泥浆钻井液在清洁井底、冷却和润滑钻头、平衡和控制井壁地层压力以及维护钻井安全服役等方面都起到重要作用；选矿行业中根据矿物表面物理、化学性质的差异从悬浮液(矿浆)中浮出固体矿物的过程，也被称为浮选法目前已获得普遍应用。特别是一些细粒嵌布、成分复杂的矿石，采用浮选法可以取得很好的选分效果；在地质、水、气候及列车动荷载等耦合作用下，公路、铁路和机场跑道等交通基础设施易出现翻浆冒泥工程病害。翻浆冒泥病害的本质是高含水量路基土在动荷载作用下发生固-液转化及迁移运动。
因此，深入开展泥浆悬浮液中颗粒力学行为研究，对揭示翻浆冒泥病害的形成机理、完善路基配套防治方案及保障列车安全运行具有重要的现实意义。
相关研究已表明，固体颗粒的粒径分布及其含量是影响悬浮液相关物理和化学特性的重要因素。悬浮液中所有固体颗粒都时刻受到液体分子热运动的无需碰撞而产生扩散位移，又称布朗运动。颗粒的布朗运动速度随着颗粒质量的减小而增大，且颗粒的粒径越小，布朗扩散位移越大。同时，所有颗粒在重力作用下产生沉降趋势，其沉降位移和速度随着粒径的减小而减小。因此，静置环境下悬浮液中固体颗粒的粒径分布影响了颗粒沉积层的发育速率。进一步，悬浮液中固体颗粒的含量扮演了更关键的角色在改变其物理和化学特性。我们把单位体积悬浮液中固体颗粒的质量称为浊度，它可以作为一种直观评价悬浮液中固体颗粒含量的指标。一方面，增大悬浮液的浊度，将导致悬浮液的密度和动力黏度系数的增大。例如，在液体晃动动力学中，悬浮液的晃动阻尼会随着其浊度的增大而增大，这是由于更大的密度和黏度增加了液体晃动过程中的能量消耗，从而减小液体晃动的幅度和动力响应。另一方面，增大悬浮液的浊度，相当于提高了悬浮液中固体颗粒所占的体积分数。因此，颗粒之间的相对距离趋于减小，从而导致颗粒间易形成更强的相互作用。在一定条件下，悬浮液中固体颗粒间的相互作用不容忽视，甚至起主导作用。比表面能很高的细颗粒易相互吸引产生团聚效应。颗粒团聚体的生长促使其等效粒径增大，由此加快了颗粒的沉降速率，对整个悬浮液系统的均质性、稳定性产生不利影响。
由此可以看出，实现准确检测并获取悬浮液的浊度、动力黏度等物理性质指标，是对其开展科学研究及工程实践的首要前提。然而，悬浮液往往是不透明、不均匀、不稳定的，且静置后颗粒易沉降，这对浊度等指标的准确检测提出了很高要求。
目前，国内外在该领域主要采用浊度计、浊度仪等光学检测设备开展检测工作。这些浊度检测设备的检测原理及方法包括透射法、90°散射法及红外吸收散射光线法等光学分析方法，通过对比入射和接收光线和光线在悬浮液中的散射特性从而获取浊度信息。尽管光学分析方法在技术上是可行的且已投入商业开发，而在检测环节及精度中则存在诸多难以解决的局限和不足，这也大大制约了相关浊度检测仪的适用性。首先，光学检测仪器的测量范围小。一般而言，光学检测仪器的测量范围为0至几千NTU(NTU是一个常见的浊度单位，1NTU＝1mg/L)。如果浊度较高，则绝大部分光线将难以穿透悬浮液。因此，这些仪器通常仅适用于天然水、饮用水和部分工业用水的水质检测，而对泥浆、石灰乳等高浊度悬浮液则难以适用。其次，测量精度难以保证。在检测操作中要求待检测试样尽快测定，并且测定前需晃动试样以保证固体颗粒的分散性，否者颗粒在检测过程中发生沉降而导致测量误差逐渐增大，检测结果的稳定性和可重复性均不理想。最后，光学检测仪器对分散质的粒径分布有要求。例如，一些分散颗粒粒径较粗的悬浮液中，在重力作用下分散颗粒的沉降速率非常快，这也影响检测结果的可靠性。
鉴于此，同领域专利申请号为201910101734.1提出的高精度智能浊度检测装置通过集90°散射法及透射法两种光学检测方法于一身实现提高测量的精度及范围。中国专利申请号为CN201410441365.8、CN201010504653.5则分别通过增加消泡器、温度补偿装置等来提高检测精度。
尽管上述专利一定程度上提高了测量精度，但核心检测原理及技术方案仍是采用传统的光学检测方法，检测操作中颗粒的团聚、沉降等力学行为仍无法避免，因此前述光学检测方法的固有不足并没有得到彻底解决。
发明内容
本发明旨在提供一种机器视觉悬浮液浊度检测装置及检测方法，该检测装置的检测精度及可靠性高。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种机器视觉悬浮液浊度检测装置，其结构特点是，包括悬浮液离心分离模块、给排料与清洗模块和机器视觉及处理模块；
所述悬浮液分离模块包括电机、离心悬臂、转头、挂篮及样品检测室；所述电机的转子上通过所述转头安装有所述离心悬臂；所述挂篮及样品检测室铰接安装在离心悬臂的末端；
所述给排料与清洗模块包括储水箱、电磁阀、液位传感器、进料管和排料管；所述电磁阀可与进料管连通或与储水箱连通；
所述样品检测室的顶部密封盖上设有排气孔和进料孔，该样品检测室的侧壁安装有所述液位传感器，该样品检测室的底部设有排料孔；
所述机器视觉及处理模块包括工业相机、光源、图像采集卡、电子计算机、PLC控制器；所述光源与样品检测室之间安装有滤光片，所述图像采集卡用于将工业相机获得的图像信号转化为数字信号并传送到电子计算机存储器中进行处理。
根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：
在其中一个优选的实施例中，在静止条件下所述挂篮及样品检测室与所述离心悬臂之间保持90°夹角，在电机启动后，所述挂篮及样品检测室可在离心力作用下与所述离心悬臂保持在同一直线上。
当进料系统设置为检测模式时，所述电磁阀与进料管连通，变频泵将悬浮液泵送入样品检测室内进行检测；当样品检测室内液体液面接触液位传感器时，电磁阀停止进料；当进料系统设置为清洗模式时，所述电磁阀与储水箱连通，变频泵将清水泵入样品检测室内进行冲洗。
在其中一个优选的实施例中，所述电机为无碳刷变频电机。
基于同一个发明构思，本发明还提供了一种利用所述的机器视觉悬浮液浊度检测装置进行检测的方法，其包括如下步骤：
S1保持进排料管路系统在测试工作前保持关闭状态，排气管路系统保持打开状态；
S2标定：按不同质量比混合分散质与分散剂，配制一组已知浊度的悬浮液，经过离心分离后，利用CCD工业相机和图像采集卡采集和处理，将分离液的图像信息传输入电子计算机中进行处理和分析，获得悬浮标定液的相对沉积高度与浊度关系，同时，电子计算机将完成自动存储该标定系数；具体而言：
在图像预处理阶段对图像进行自动分割，移去噪声，找到自由面和沉积分界面子区域，对局部不平顺的自由面和沉积分界面子区域进行光滑处理，设子区域的宽度和液体面积分别为w和s，则液面的平均高度h计算如下：
Figure GDA0003422717540000061
通过计算出液面的平均高度h，对自由面和沉积分界面进行光滑处理，并最终精确定位液面位置；
对离心分离液中自由面和沉积分界面进行定位后，图像处理软件分别测量它们的竖向高度，PLC控制器根据输入的液面高度信息，利用公式(2)计算沉积相对高度并绘制相应的泥浆浊度标定曲线，计算结果表明分离液的沉积相对高度与其初始浊度间存在较好的线性拟合关系，由此确定泥浆浊度的标定参数；
Figure GDA0003422717540000062
式中：η为沉积相对高度，无量纲；hp为泥浆分离液中沉积分界面的竖向高度，hf为泥浆分离液中自由面的竖向高度；
通过确定泥浆浊度与沉积相对高度之间的标定系数，对于任一未知浊度的同类泥浆悬浮液，利用该标定系数来确定，即：
Tu=1087.5×η，R2=0.99 (3)
式中：η为沉积相对高度，无量纲；Tu为悬浮液的浑浊度，R2为拟合系数。
在其中一个优选的实施例中，标定过程中，首先，图像处理软件对图像进行预处理操作，具体包括边缘检测、图像二值化和分割，然后图像处理软件对图像进行二值化处理。
在其中一个优选的实施例中，完成悬浮液的浊度检测后，打开样品检测室底部的排料孔并将分离液经由排料管泵送出检测装置。
在离心过程中，悬浮液中密度大的固体颗粒逐渐在样品检测室底部形成沉积层，沉积层的上部为分散剂层，在分散剂层与沉积层间会呈现出一条明显的分界面；当离心结束后样品检测室恢复到竖直状态，将样品检测室悬停在工业相机的正前方。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明采用的颗粒沉积检测方法突破了传统悬浮液浊度所采用的光学检测方法，其在检测范围、精度等均方面均得到了显著提升。当面对泥浆、石灰乳等浊度较高的悬浮液时，传统的光学检测仪器普遍无法完成检测任务，而采用本发明建立的检测装置则不会受到浊度大小的限制。此外，悬浮液中固体颗粒不可避免地会在重力作用下发生沉降，因此传统光学检测方法在检测结果的精确性及重复性也无法得到保障。而在本发明中检测过程及结果将不再受到颗粒沉降的影响，检测精度及可靠性也得到更高保障。
2.尽管在静置环境下悬浮液中固体颗粒会在重力作用下产生沉降，但沉降速率受到颗粒粒径等的影响，其完成沉降并形成稳定的沉积层可能需花费数天或数周时间。在本发明中，应用离心机技术对固体颗粒施加一个离心力，从而大大提高了颗粒沉降的速率和进程，且形成的沉积分界面更加稳定、光滑平整，提高了图像分析的精度。
3.本发明的检测装置显著提高了悬浮液浊度的检测灵活度和自动化水平。机器视觉技术能够自动完成获取、处理和分析所采集的悬浮分离液图像，且处理和分析环节具有准确性高、处理速度快等优势。在完成大批量重复性的检测过程中，采用机器视觉方法检测悬浮液浊度指标，可以大大提高检测过程的效率和自动化程度，并在检测精度和安全性等方面也满足现代化生产的要求。
4.本发明通过应用一套悬浮液自动进料、输运和分离系统不仅实现了快捷、连续、准确测量出悬浮液浊度，同时在检测中实现快速清洗、循环使用样品检测室，既提高了检测效率，又减少相当大的资源浪费，遵循着绿色环保的设计理念。
附图说明
图1是本发明一个实施例的检测的结构原理图；
图2是图1中检测设备的结构俯视图；
图3是本发明中离心检测室的结构细部图；
图4是图像处理软件处理后的一组泥浆悬浮液灰度图；
图5是悬浮液浊度的颗粒沉积检测方法原理示意图；
图6是泥浆悬浮标定液的相对沉积厚度与浊度关系；
图7是采用本发明的铁路道砟层内泥浆浊度随列车加载次数检测结果示意图。
在图中：
1-电机，2-悬臂，3-离心转头，4-旋转铰，5-挂篮，6-样品检测室，7-变频控制器，8-电缆，9-开关电源，10-散热片，11-三孔插座，12-底脚，13-工业相机，14-镜头，15-灯管，16-滤光片，17-图像采集卡，18-电子计算机，19-PLC控制器，20-I/O设备，21-显示器，22-显示屏，23-启动键，24-位置旋钮，25-操作面板，26-防尘隔音罩，27-密封圈，28-硅胶管，29-静音变频泵(入料)，30-静音变频泵(出料)，31-电磁阀，32-储水箱，33-补水控制阀，34-排气孔，35-液位传感器，36-变频器，37-进料控制阀，38-排料孔，39-外壳，40-进料管，41-排料管，42-密封盖。
具体实施方式
以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。
一种机器视觉悬浮液浊度检测装置，主要包括悬浮液离心分离模块、给排料与清洗模块、机器视觉及处理模块、数据存储模块等。所述悬浮液离心分离模块用于对悬浮液进行离心分离。
如图1和2所示，所述的悬浮液分离模块包括无碳刷变频电机1、变频控制器7、离心悬臂2、转头3、挂篮5及样品检测室6等。在本案中，离心机的驱动系统采用无碳刷变频电机1取代了常规的直流串激电机，其具有体积小节省空间、起动速度快、低噪声等优势，且在不同转速情况下保证了输出最大扭矩，为拓展离心机的适用性提供了重要前提。在变频电机1与电源9间安装控制器，通过调节变频控制器7的启动、停止、加速、减速、正转和反转，并实时在显示屏22上显示出变频电机1当前的工作频率、转速及离心力等运行状态信息。进一步，根据待测悬浮液中固体颗粒的粒径分布、颗粒与分散剂的密度差等，确定合适的离心转速和离心力并输入控制器中，实现又好又快地获得分离液。在变频电机1的转子上安装离心悬臂2，并利用转头3将其固定。离心悬臂2应采用铝合金材质，质地轻、同时拥有足够的强度、刚度和稳定性，因为在高速的旋转中将会产生很大的离心力，此时如果负载过大可能造成离心悬臂2发生变形而影响离心力的精度。在本案中，使用旋转铰4将挂篮5及样品检测室6安装在离心悬臂2末端。在静止条件下挂篮5及样品检测室6与所述离心悬臂2之间保持90°夹角。启动变频电机1后，随着转速的增大，挂篮5及样品检测室6在离心力作用下开始向上偏转，并最终与离心悬臂2保持在同一直线上，停止电机后其逐渐恢复到初始位置。在此过程中，旋转铰4起到传递离心力的作用，并确保挂篮5在竖直平面内能够产生自由偏转。挂篮5的设计原则为自重轻、结构简单、坚固稳定、且具备较强的连接性，并通过内螺纹将样品检测室6安装在挂篮5的下部。在本案中，样品检测室6采用透明有机玻璃材质，且其外形为一长方体结构。适宜厚度的有机玻璃材质具有可靠的强度、刚度和承载能力，有效避免检测室在离心过程中产生变形。透明的有机玻璃材质具备较好的可视性，且外形采用长方体结构可有效降低图像畸变造成测量误差。
所述的给排料与清洗模块包括储水箱32、液位传感器35、电磁阀、静音变频泵(入料，出料)、硅胶进(排)料管等组成。样品检测室6的顶部密封盖42上设计排气孔34和进料孔、侧壁安装液位传感器35、底部设计排料孔38实现了检测装置的自动化给排料和清洗功能。当进料系统设置为检测模式时，进料系统中的电磁阀31连通进料管40，静音变频泵则将悬浮液泵送入样品检测室6中。当进料系统设置为清洗模式时，电磁阀31则连通储水箱32并经静音变频泵将清水泵入样品检测室6开展冲洗工作。当样品检测室6内液体液面接触液位传感器35，则液位传感器35将自动关闭电磁阀31停止进料。此外，通过调节静音变频泵的输入频率改变其转速，从而实现自动调节悬浮液的进料速率。当完成检测工作后，启动排料系统的静音变频泵，实现将样品检测室6中液体经由排料管41排出检测装置。上述所有工作均在显示器21的操作面板25上完成。
所述的机器视觉模块包括CCD工业相机13、LED环形灯管15、图像采集卡17、电子计算机18(装有图像处理软件)、PLC控制器19等组成。图像采集卡17、电子计算机18(装有图像处理软件)和PLC控制器19之间电连接。悬浮液在离心过程中密度大的固体颗粒沉降能力显著增强，并逐渐在样品检测室6底部形成稳定的沉积层。沉积层的上部为分散剂层，此时在分散剂层与沉积层间会呈现出一条明显的分界面。离心结束后样品检测室6再次恢复到竖直状态，通过调节显示屏22上的位置旋钮24将样品检测室6悬停在CCD工业相机13的正前方。在本案中，CCD工业相机13是机器视觉模块中的一个关键组成部件，其本质功能是通过CCD成像传感器将光信号转化为有序的电信号，并将电信号通过相应接口传送到图像采集卡17及电子计算机18。与普通相机相比，本实施例采用的CCD工业相机13具有高稳定性、高传输能力和高抗干扰性等优势。根据CCD工业相机13的性能参数、工作距离、样品检测室6的尺寸、以及图像像素等的要求，选择焦距、分辨率和放大倍数合适的镜头14。在使用CCD工业相机13对样品检测室6进行拍照时，照明是影响机器视觉系统输入数据质量的应用效果的另一重要因素。在本案中，采用LED环形灯管15进行光源补充，以达到最佳的拍摄效果。LED灯使用寿命长、易于加工成型，光均匀稳定、且可根据检测需要进行闪光和变换颜色。同时，为了减少光源对图像拍摄质量的影响，在LED环形灯管15与样品检测室6之间安装滤光片16。图像采集卡17是连接相机和电子计算机18间的桥梁，也是机器视觉模块中另一重要组成部件。根据图像的像素分布、亮度和颜色等信息，图像采集卡17将图像信号转化为数字信号并迅速传送到电子计算机18存储器中进行处理并转换成计算机18能够处理的信息。选择图像采集卡17需考虑图像输入格式、数据传输率及输出信号格式等的要求，并且为了避免与计算机18上PCI设备产生冲突而造成数据丢失，图像采集卡17应兼备数据缓存能力。此外，如果图像采集卡17不具有数字I/O功能，无法产生CCD工业相机13所需的选通、触发及其他电子信号时，则机器视觉模块需要独立的数字I/O设备20。I/O设备20不仅提高了机器视觉模块的数据传输和处理能力，同时根据计算机18对图像质量的分析结果(包括曝光、清晰度、对比度、噪音及畸变等)，再由数字I/O设备20启动反馈功能并重新设置相机的对焦、感光度、快门及曝光模式等。当电子计算机18接收到前端图像采集组件的输出信号后，其内置图像处理软件自动分析并提取图像信息。图像的处理方法包括过滤、阈值、测量及边缘检测等。同时，PLC控制器19根据提取的图像信息，自主判断和计算悬浮液浊度、动力黏度等物理指标。具体的，如下以一组泥浆悬浮标定液的检测为例，给出电子计算机18和PLC控制器19的自动检测逻辑步骤与设计思路：
一、液面定位
按不同的纯净水和粉壤土质量混合比，配制出一组已知浊度的泥浆标定液。然后将标定液依次通过离心分离方法获得稳定的分离液。利用CCD工业相机13和图像采集卡17采集和处理后，将分离液的图像信息传输入电子计算机18中图像处理软件开展处理和分析。首先，图像处理软件对图像进行预处理操作，这些操作具体包括边缘检测、图像二值化和分割等。
在边缘检测环节，由于Sobel算子具有简单、运算速度快，并且对图像边缘具备一定的噪声约束能力等优势。因此，在本案中软件调用Sobel算子确定和甄别图像中的分离液、样品检测室6及检测室外侧的背景区域。然后，图像处理软件对图像进行二值化处理，该步骤的主要目的是消除或降低图像噪声。因此，阈值的选取是二值化处理的关键，阈值偏小则保留噪声，阈值偏大则造成图像中非噪声部分也被清除掉。在本案中，可根据样品检测室6和其背景的灰度对比确定合适的阈值点。例如图像分析结果表明，灰度级较低的部分都分布在颗粒沉积层区域，并且其能量值占比较大，因此可以取图像总能量的四分之三作为划分颗粒沉积层和背景的阈值点。假设M[i]表示图像在灰度为i的点的直方图的值，则颗粒沉积层区域满足：
Figure GDA0003422717540000131
由公式(1)即可获取阈值Y，采用类似方法也可以获得自由面的定位，从而得到二值化后的图像。
分离液经过二值化处理后会呈现出清晰的自由面和颗粒沉积分界面。此外，在离心分离过程中，检测室的内壁可能会溅上悬浮液，同时存在液面处的微小气泡也会影响液面的准确定位。因此，在图像预处理阶段调用Shen算法对图像进行自动分割。Shen算法本质上是一个低通滤波器，假设原信号为K(x)[x＝0，1，2，...，N]，Shen算法通过前、后两个运算完成对待测信号的滤波，其前、后运算具体如下：
前运算：
Figure GDA0003422717540000141
后运算：
Figure GDA0003422717540000142
式中：m为平滑参数，0＜m＜1，K(x)是图像原信号，K1(x)和K2(x)分别是经过前、后两步处理后的信号值。
然后，利用区域标记法移去噪声，找到自由面和沉积分界面子区域。进一步，对局部不平顺的自由面和沉积分界面子区域进行光滑处理，设子区域的宽度和液体面积分别为w和s，则液面的平均高度h计算如下：
Figure GDA0003422717540000143
通过计算出液面的平均高度h，对自由面和沉积分界面进行光滑处理，并最终精确定位液面位置。
二、计算浊度
对离心分离液中自由面和沉积分界面进行定位后，图像处理软件分别测量它们的竖向高度，如图5所示。PLC控制器19根据输入的液面高度信息，利用公式(5)计算沉积相对高度并绘制相应的泥浆浊度标定曲线，如图6所示。计算结果表明分离液的沉积相对高度与其初始浊度间存在较好的线性拟合关系，由此确定泥浆浊度的标定参数。
Figure GDA0003422717540000151
式中：η为沉积相对高度，无量纲；hp和hf分别为泥浆分离液中沉积分界面和自由面的竖向高度，单位mm。
通过确定泥浆浊度与沉积相对高度间的标定系数，对于任一未知浊度的同类泥浆悬浮液，均可利用该标定系数来确定，即：
Tu＝1087.5×η,R2＝0.99 (6)
同时，为了验证该专利检测方法的可靠性，称取适量的泥浆标定液放入烘干箱中进行烘干，并记录初始泥浆总质量(水+土粒)和干燥的土粒质量，从而计算获取标定液的浊度值。在本例中，图6显示离心沉积方法与烘干法检测泥浆悬浮液浊度的平均绝对百分比误差(MAPE)为4.84％(MAPE是一个常用模型预测评价指标，其值越接近零，精度越高，一般MAPE值＜10％是可以接受的)。然而，相比于离心沉积法，采用传统的烘干法测量浊度是不经济的、且费时费力、频繁使用烘干设备也存在一定安全隐患。因此，本发明专利在悬浮液浊度检测中存在显著优势。
为了进一步为了说明本发明在悬浮液浊度检测的应用性，图7给出了列车动荷载作用下有砟铁路翻浆冒泥试验的泥浆浊度检测结果。试验结果表明随着列车振动荷载次数的增加，铁路道床层不同深度处的泥浆浊度逐渐增大，并当加载达到一定次数后，泥浆浊度的增长速度趋于降低，其浊度也最终达到一个稳定值。泥浆浊度的增加是由于在列车动荷载作用下，道床下部路基细粒土与水相互作用后形成泥浆，泥浆随后向上迁移进入道床层中，从而诱发铁路路基翻浆冒泥病害。值得注意的是，道砟层中泥浆浊度已远远超出光学分析仪器的检测范围，基于本发明建立的颗粒沉积检测方法能够顺利实现分析道床中泥浆浊度的时空演变特性，为调查翻浆冒泥病害的形成机理以及列车动荷载等的影响规律提供了可靠保障。
本实施例的机器视觉悬浮液浊度检测装置其整体外观造型为一长方体结构，可采用铝合金或不锈钢金属外壳39提高检测装置的抗压抗冲击强度，且增添些许厚重质感。同时，在离心机的正上方安装透明的防尘隔音罩26，材质为有机玻璃。透明的防尘隔音罩26不仅方便试样的检测操作，而且提供了便捷的观察窗口供实时检查离心机等设备的工作状态。在防尘罩的边缘与金属外壳39间设置一橡胶密封圈27，可同时增强防尘隔音效果，且可避免水、异物等沿防尘罩流入装置内部并对其正常工作造成影响。在靠近开关电源9的金属外壳39上设置散热片10，增强装置内外的空气对流而增强散热能力。在本案中，检测装置外壳39上安装四个大直径的橡胶吸盘底脚12，可以有效防止检测过程中产生的振动等现象。在金属外壳39上安装显示器21，其包括液晶显示屏22、启动键23、位置旋钮24、操作面板25等。显示屏22上显示内容包括给排料的流速流量、储水箱32及样品检测室6内液位信息、离心机转速、以及浊度结果等信息。整个检测装置的给排料、检测、图像处理和清洗中的控制及操作均在操作面板25上完成，实现了检测流程的高度智能化与自动化。
本实施例的机器视觉悬浮液浊度检测装置的方法，包括如下步骤：
(1)检查装置：检查检测装置各部件是否完好无损，包括离心机、机器视觉模块等有无漏电；进排料、排气等管路及控制阀有无泄漏和堵塞状况；调试变频电机1、水泵等电器的运转及液位传感器35的灵敏度等。经检查和确认后，进排料管路系统在测试工作前应保持关闭状态，排气管路系统保持打开状态。
(2)标定：标定可以被视为是一个完整的悬浮液浊度检测过程。由不同性质的分散剂和分散质混合而成的悬浮液，其沉积特性可能存在区别。因此，为了保证检测精度，对待测样品进行沉降标定是需要的。按不同质量比混合分散质与分散剂，配制一组已知浊度的悬浮液，推荐悬浮标定液数量5只左右。经过离心分离和机器视觉系统的图像处理及分析后，获得悬浮标定液的相对沉积高度与浊度关系。同时，电子计算机18将完成自动存储该标定系数，此后进行同类悬浮液检测时将直接调用而无需反复标定。
(3)进料：首先将进料管40末端浸泡在待测悬浮液中，打开进料控制阀37并将电磁转化阀设置为进料模式。之后启动静音变频泵经由进料管40将悬浮液泵送进入样品检测室6，通过设置变频器36的输入频率可以调节进料流速与流量。当样品检测室6中悬浮液液面接触到液位传感器35后，进料系统将自动关闭电磁阀31从而结束进料。可以看到，由于本发明是利用固体颗粒的沉积原理检测浊度，因此在进料过程中颗粒的团聚、沉降等行为不会对浊度检测结果造成任何不利影响。
(4)离心分离：结束进料后，首先在操作面板25改变电机控制器的输入频率等参数，从而设置离心机的转速与工作时长。起动离心电机，转子带动悬臂2开始加速旋转，此时样品检测室6在离心力的作用下以旋转铰4为中心开始向上偏转，并当电机达到稳定转速后，样品检测室6与悬臂2也处于同一直线上做高速旋转。电机转速越大，则悬浮液中颗粒承受的离心加速度就越大，颗粒的沉降速率也越快。经过足够长时间后，悬浮液中固体颗粒将完成沉降在其底部形成稳定的颗粒沉积层。同时，在对同类悬浮液开展检测时，应采用相同的离心转速和时长模式，从而确保颗粒沉降特性的一致性。当达到设定的离心时长后，电机控制器自动切断电源9，离心机逐渐停止旋转，样品检测室6再次恢复到初始位置。
(5)图像处理及分析：悬浮液经离心分离后，其内部呈现出一条清晰的沉积分界面。通过调节位置旋钮24，将样品检测室6移动至CCD工业相机13镜头14的正前方。CCD相机自动对焦、调节光圈对样品检测室6进行拍照。在拍照同时，环形LED灯管15自动开启照明，提高图像清晰度。随后，图像信号经由图像采集卡17转化为数字信号并传送至电子计算机18当中。首先，电子计算机18中的图像处理软件对图像进行初步分析(包括曝光、清晰度、对比度、噪音及畸变等)，如果图像质量不合格，则将分析结果反馈至I/O设备20，由I/O设备20重置图像采集单元后重新拍照。质量合格的图像由图像处理软件对其进行预处理操作，具体包括对图像的边缘检测、二值化和分割等。在完成图像的预处理后，图像处理软件再次从样品检测室6的灰度图中测量并提取自由面和颗粒沉积层的高度。之后，PLC控制器19根据提取的液面信息以及标定系数，自主判断并计算出不同相对沉积高度下悬浮液的浊度。最后，图像处理和分析结果将呈现在显示屏22中。
(6)排料与清洗：完成悬浮液的浊度检测后，打开样品检测室6底部的排料孔38并启动排料系统中的静音变频泵，将分离液经由排料管41泵送出检测装置。进一步，将进料系统中的电磁转化阀设置为清洗模式，之后将储水箱32中纯净水经由进料系统被泵送进入样品检测室6，通过调节变频器36的输入频率可以增强静音变频泵的输出流速与流量，以达到更彻底的清洗效果，清洗产生的废水仍可以通过排料系统再次排出检测装置。
上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本实施例的各种等价形式的修改均落入本发明所附权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1.一种利用机器视觉悬浮液浊度检测装置进行检测的方法，其特征在于，
所述机器视觉悬浮液浊度检测装置包括悬浮液离心分离模块、给排料与清洗模块和机器视觉及处理模块；
所述悬浮液分离模块包括电机(1)、离心悬臂(2)、转头(3)、挂篮(5)及样品检测室(6)；所述电机(1)的转子上通过所述转头(3)安装有所述离心悬臂(2)；所述挂篮(5)及样品检测室(6)铰接安装在离心悬臂(2)的末端；
所述给排料与清洗模块包括储水箱(32)、电磁阀(31)、液位传感器(35)、进料管(40)和排料管；所述电磁阀(31)可与进料管(40)连通或与储水箱(32)连通；
所述样品检测室(6)的顶部密封盖(42)上设有排气孔(34)和进料孔，该样品检测室(6)的侧壁安装有所述液位传感器(35)，该样品检测室(6)的底部设有排料孔(38)；
所述机器视觉及处理模块包括工业相机(13)、光源、图像采集卡(17)、电子计算机(18)、PLC控制器(19)；所述光源与样品检测室(6)之间安装有滤光片(16)，所述图像采集卡(17)用于将工业相机(13)获得的图像信号转化为数字信号并传送到电子计算机(18)存储器中进行处理；
所述进行检测的方法包括如下步骤：
S1保持进排料管路系统在测试工作前保持关闭状态，排气管路系统保持打开状态；
S2标定：按不同质量比混合分散质与分散剂，配制一组已知浊度的悬浮液，经过离心分离后，利用CCD工业相机(13)和图像采集卡(17)采集和处理，将分离液的图像信息传输入电子计算机(18)中进行处理和分析，获得悬浮标定液的相对沉积高度与浊度关系，确定泥浆浊度与沉积相对高度之间的标定系数，同时，电子计算机(18)将完成自动存储该标定系数；具体而言：
在图像预处理阶段对图像进行自动分割，移去噪声，找到自由面和沉积分界面子区域，对局部不平顺的自由面和沉积分界面子区域进行光滑处理，设子区域的宽度和液体面积分别为w和s，则液面的平均高度h计算如下：
Figure FDA0003422717530000021
通过计算出液面的平均高度h，对自由面和沉积分界面进行光滑处理，并最终精确定位液面位置；
对离心分离液中自由面和沉积分界面进行定位后，图像处理软件分别测量它们的竖向高度，PLC控制器(19)根据输入的液面高度信息，利用公式(2)计算沉积相对高度并绘制相应的泥浆浊度标定曲线，计算结果表明分离液的沉积相对高度与其初始浊度间存在较好的线性拟合关系，由此确定泥浆浊度的标定参数；
Figure FDA0003422717530000022
式中：η为沉积相对高度，无量纲；hp为泥浆分离液中沉积分界面的竖向高度，hf为泥浆分离液中自由面的竖向高度；
通过确定泥浆浊度与沉积相对高度之间的标定系数，对于任一未知浊度的同类泥浆悬浮液，利用该标定系数来确定，即：
Tu＝1087.5×η，R2＝0.99 (3)
式中：η为沉积相对高度，无量纲；Tu为悬浮液的浑浊度，R2为拟合系数。
2.根据权利要求1所述的进行检测的方法，其特征在于，标定过程中，首先，图像处理软件对图像进行预处理操作，具体包括边缘检测、图像二值化和分割，然后图像处理软件对图像进行二值化处理。
3.根据权利要求1所述的进行检测的方法，其特征在于，完成悬浮液的浊度检测后，打开样品检测室(6)底部的排料孔(38)并将分离液经由排料管(41)泵送出检测装置。
4.根据权利要求1所述的进行检测的方法，其特征在于，在离心过程中，悬浮液中密度大的固体颗粒逐渐在样品检测室(6)底部形成沉积层，沉积层的上部为分散剂层，在分散剂层与沉积层间会呈现出一条明显的分界面；当离心结束后样品检测室(6)恢复到竖直状态，将样品检测室(6)悬停在工业相机(13)的正前方。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的进行检测的方法，其特征在于，在静止条件下所述挂篮(5)及样品检测室(6)与所述离心悬臂(2)之间保持90°夹角，在电机(1)启动后，所述挂篮(5)及样品检测室(6)可在离心力作用下与所述离心悬臂(2)保持在同一直线上。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的进行检测的方法，其特征在于，当进料系统设置为检测模式时，所述电磁阀(31)与进料管(40)连通，变频泵将悬浮液泵送入样品检测室(6)内进行检测；当样品检测室(6)内液体液面接触液位传感器(35)时，电磁阀(31)停止进料；
当进料系统设置为清洗模式时，所述电磁阀(31)与储水箱(32)连通，变频泵将清水泵入样品检测室(6)内进行冲洗。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的进行检测的方法，其特征在于，所述电机(1)为无碳刷变频电机。
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