CN112986055A - 一种推进剂药浆流平性检测分析系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种推进剂药浆流平性检测分析系统，包括视觉采集系统，所述视觉采集系统包括底座，底座上安装有通过变频电机驱动的加速器，加速器上竖向设置有一对上升导杆，上升导杆上套装有用于盛放推进剂药浆的测试台，测试台在加速器的推动下能够沿着上升导杆加速抬升；测试台通过循环进液管和循环出液管与控温仪相连，用于对测试台进行控温；底座上竖向固定设置有支架，支架上分别通过调整夹具安装有带有高清镜头的工业相机和辅助光源。本发明的分析系统依靠药浆自身重力和加载超重重力流动，无测试装置与药浆的剪切、摩擦作用，测试安全性较高。本发明的分析系统结构简单，测试时间短，操作便捷，维护和保养成本低。

Description

一种推进剂药浆流平性检测分析系统
技术领域
本发明属于推进剂领域，涉及药浆流平性检测，具体涉及一种推进剂药浆流平性检测分析系统。
背景技术
推进剂药浆流平性是复合推进剂工艺性能最主要的参数之一。通过推进剂药浆流平性检测，可以判断推进剂药浆流动性能，是推进剂药浆质量控制的重要指标。目前，评价推进剂流动性主要采用药浆表观黏度和屈服值指标，也需要这两个指标协同判断，通常，药浆的屈服值越小，表观黏度就越小，但在实际的测试过程，也往往存在屈服值、表观黏度不符合规律的情况，如对于部分屈服值较高的推进剂药浆，虽然其克服屈服应力后的表观黏度较小，但是仍然不易流动，工艺性能较差，因此，该屈服值、表观黏度结果难以指导推进剂药浆工艺性能的调控。
目前，测试推进剂药浆表观黏度和屈服值的方法通常是流变法，如HAAKE系列流变仪测试系统，有同轴圆筒法、平板法等。尹必文等人介绍了采用平行板流变测试系统，研究了几种多羟基力学性能调节剂对GAP微烟推进剂流变性能的影响(尹必文，鲁国林，吴京汉，等.功能助剂对GAP微烟推进剂流变性能的影响.固体火箭技术，2015，38(5)：702-705)，该高级扩展流变仪由美国TA公司制造，其将药浆填充于上下平行板之间，下板给样品以周期性驱动；上平行板连接感应装置，测试其应变响应，并连接计算机，通过TA orchesttrator软件分析药浆的动态流变性，主要的测试步骤为：(1)打开测试系统，设定测试参数；(2)抬起平行板上板，加入一定量的推进剂药浆；(3)下降平行板上板到测试位置，清理板外多余推进剂药浆；(4)启动测试系统，按设定步骤完成测试，自动记录测试数据，获得表观黏度、屈服值等测试结果；(5)抬起上板，清理平行板表面的推进剂药浆，关闭系统。
该测试方法中，平行板的间隙通常为1mm，高速转动过程，对推进剂药浆的剪切、摩擦作用较大，存在一定的危险性；流变仪测试系统较复杂，对扭矩测量精度要求高，且校准系统和方法复杂，不便于测试过程使用和维护；测试获得的表观黏度和屈服值结果，并无直接的正比例关系，如尹必文等人(尹必文，鲁国林，吴京汉，等.功能助剂对GAP微烟推进剂流变性能的影响.固体火箭技术，2015，38(5)：702-705)文献中，采用T2助剂时的表观黏度和屈服值分别为951.2Pa·s、307.0Pa，而采用T3助剂时的表观黏度和屈服值分别为694.1Pa·s、308.2Pa，在屈服值接近的情况下，药浆的表观黏度差异较大，导致对推进剂药浆工艺性能分析的复杂化，也不能直观获得T2、T3助剂对药浆流动性的影响。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种推进剂药浆流平性检测分析系统，解决现有技术中的检测系统不能直观地表征推进剂药浆流平性的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种推进剂药浆流平性检测分析系统，包括视觉采集系统，所述视觉采集系统包括底座，底座上安装有通过变频电机驱动的加速器，加速器上竖向设置有一对上升导杆，上升导杆上套装有用于盛放推进剂药浆的测试台，测试台在加速器的推动下能够沿着上升导杆加速抬升；
所述的测试台通过循环进液管和循环出液管与控温仪相连，用于对测试台进行控温；
所述的底座上竖向固定设置有支架，支架上分别通过调整夹具安装有带有高清镜头的工业相机和辅助光源。
本发明还具有如下技术特征：
所述的测试台匀加速上升的最大距离为0.40m，向上的匀加速度为5m/s2；所述的测试台匀减速上升的最大距离为0.40m，向上的匀加速度为-5m/s2。
还包括视觉分析系统，所述的视觉分析系统包括计算机，变频电机通过控制卡连接计算机，用于调控不同的加速度，工业相机也与计算机相连。
所述的计算机中内置有数据传输动和分析系统和数据库系统及集成软件；所述的数据传输动和分析系统用于采集流平过程数据，通过人工智能算法计算物料实时面积，并计算其流平速度，绘制出动态变化曲线；所述的数据库系统及集成软件用于存储数据，并支持数据的增删和查询功能。
还包括辅助器材，所述的辅助器材包括电子秤、试样杯和料铲。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
(Ⅰ)本发明的分析系统依靠药浆自身重力和加载超重重力流动，无测试装置与药浆的剪切、摩擦作用，测试安全性较高。
(Ⅱ)本发明的分析系统结构简单，测试时间短，操作便捷，维护和保养成本低；
(Ⅲ)本发明的分析系统在相同条件下，通过一定量推进剂药浆的在固定时间内面积增量的大小，获得药浆流动面积增量结果，可以直观地表征不同药浆流动性和工艺性能差异，便于推进剂药浆流动性的分析。
附图说明
图1为推进剂药浆流平性检测分析系统的结构示意图。
图2为工业相机的工作流程示意图。
图3为成像几何关系图。
图4为棋盘格的示意图。
图5为对每个角点进行编号的示意图。
图6位通过相机拍摄的不同角度棋盘格图像示意图。
图中各个标号的含义为：1-视觉采集系统，2-视觉分析系统，3-辅助器材，4-变频电机，5-加速器，6-上升导杆，7-测试台，8-循环进液管，9-循环出液管，10-控温仪，11-支架，12-调整夹具，13-高清镜头，14-工业相机，15-辅助光源，16-计算机，17-电子秤，18-试样杯，19-料铲，20-底座。
以下结合附图和实施例对本发明的具体内容作进一步详细说明。
具体实施方式
需要说明的是，本发明中的所有部件和材料，如无特殊说明，全部均采用现有技术中已知的部件和材料。
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例：
本实施例给出一种推进剂药浆流平性检测分析系统，如图1所示，包括视觉采集系统1，所述视觉采集系统1包括底座20，底座20上安装有通过变频电机4驱动的加速器5，加速器5上竖向设置有一对上升导杆6，上升导杆6上套装有用于盛放推进剂药浆的测试台7，测试台7在加速器5的推动下能够沿着上升导杆6加速抬升；
测试台7通过循环进液管8和循环出液管9与控温仪10相连，用于对测试台7进行控温；
底座20上竖向固定设置有支架11，支架11上分别通过调整夹具12安装有带有高清镜头13的工业相机14和辅助光源15。
优选的，变频电机4采用YP2-63M2-2小型的变频电动机，由安徽皖南电机股份有限公司生产，其电源通过控制卡连接计算机16，驱动轮与加速器5连接。
优选的，加速器5采用现有技术中已知的加速器，由升降杆、试样盘、链条和齿轮等组成。
上升导杆6的高度为1m，顶端设置有限位螺栓。
优选的，控温仪10采用无锡晟泽理化器械有限公司生产的小型高低温循环器，温度调节范围：-25℃～180℃。
支架11和调整夹具12采用不锈钢材料制成。
调整夹具12在测试过程，用于调节高清镜头13与药浆之间的距离，获得稳定清晰的图像数据；通常，调整确定高清镜头13距离后，不必每次测试都调整，主要是定期复检时微调。
工业相机14和高清镜头13用来准确获取高清的药浆图像；工业相机14的图像分辨率设置为1024x768，帧率设置为20fps，自动曝光。优选的，采用基于CCD(Charge CoupledDevice)或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)芯片的工业相机，Gige1200万全局曝光相机，带有高清镜头，型号规格：MV-GED200M C-T,光学尺寸：1/1.8〝，分辨率：1600*1200镜头分辨率为N＝180/画幅格式的高度，该相机使用USB 2.0接口，自带驱动程序，可通过SDK(SDK是标准的C语言接口动态链接库，可以被C、C++、C#、VB、Labview、Delphi等开发工具载入)进行二次开发。工业相机14的工作流程如图2所示。
助光源15提供恒定的背景光，采用冷光源，避免常规光源对药浆的加热。优选的，辅助光源采用LED环形灯，工作电压2.8V，电流20mA。
作为本实施例的一种优选方案，测试台7匀加速上升的最大距离为0.40m，向上的匀加速度为5m/s2；测试台7匀减速上升的最大距离为0.40m，向上的匀加速度为-5m/s2。通过使用加速器5，可以获得推进剂药浆在不同匀加速度(超重)和匀减速度(失重)运动情况下，流平性的影响规律，从而掌握推进剂药浆在不同受力情况下的运动特性。
作为本实施例的一种具体方案，还包括视觉分析系统2，视觉分析系统2包括计算机16，变频电机4通过控制卡连接计算机16，用于调控不同的加速度，工业相机14也与计算机16相连。优选的，计算机16采用联想扬天4900，i5/8G/1000G/独显，23寸显示器。
具体的，计算机16中内置有数据传输动和分析系统和数据库系统及集成软件；数据传输动和分析系统用于采集流平过程数据，通过人工智能算法计算物料实时面积，并计算其流平速度，绘制出动态变化曲线；数据库系统及集成软件用于存储数据，并支持数据的增删和查询功能。
数据传输动和分析系统主要采用图形处理软件方法实现，如图像增强、数据编码和传输、平滑、边缘锐化、分割、特征抽取、图像识别与理解等。数据库系统及集成软件采用MySQL数据库系统，实现对测试数据的建立、储存、显示、查询、导入、删除、更新等功能。
优选的，数据传输动和分析系统包括图像处理模块、图像分割模块和面积估算模块：
第一，图像预处理模块：
在分析过程，尽管有辅助光源对环境光进行补偿，但推进剂通常含有金属粉，且对于这种固液混合物，表面的液体均会存在一定的反光现象，影响分割算法的精度，因此根据推进剂药浆表面的特殊性，设计了一种去高光方法，过程如下：
(A)将像素值大于th(默认值为200，可根据实际情况调整)的像素点定为高光区域；
(B)对高光区域进行高斯滤波(滤波半径为5)。即可在一定程度上削弱高光程度。
第二，图像分割模块：
图像分割的主要方法为：
(A)大津法确定自适应阈值；
(B)预分割出背景和前景；
(C)腐蚀+膨胀确定更精确的前景、背景和未知区域；
(D)分水岭算法确定分割边界。
通过使背景和前景的类间方差最大化，从而确定二值化阈值。主要的分割方法如下：
设图像的最佳阈值为T，T将图像分为前景和背景。其中前景像素数比例为ω0，平均灰度值为μ0，背景像素比例为ω1，平均灰度值为μ1，记图像整体的平均灰度为μ，则有公式1和公式2。
ω0+ω1＝1 公式1；
μ＝ω0μ0+ω1μ1 公式2类间方差定义为：
g＝ω0(μ0-μ)2+ω1(μ1-μ)2 公式3；
将公式1和公式2带入公式3，类间方差可化简为：
g＝ω0ω1(μ0-μ1)2 公式4；
遍历所有可能的阈值点，可以确定最佳阈值：T＝argmaxkgk k∈[0,256]。
采用基于mask标记的分水岭算法，过程如下：
(a)对图进行灰度化和二值化得到二值图像；
(b)通过膨胀得到确定的背景区域，通过腐蚀得到确定的前景区域，剩余部分为不确定区域；
(c)根据标记图像对原图像应用分水岭算法，更新标记图像。
第三，面积估算模块：
假设相机镜头与物体平面平行，并且镜头无畸变的情况下，将物体平面用xoy平面表示，则可以得到如图3所示的成像几何关系图(假设为x轴平面)。
由几何关系可得下式：
Figure BDA0002983861900000081
式中：
Dx为物体边界离镜心的水平距离(x轴)；
H为镜头离被测物体的垂直高度；
f为焦距；
x为成像平面中距离镜心的水平距离；
假设x轴方向像素分辨率为fx，则可以得到单位像素的实际空间物理尺寸dx：
Figure BDA0002983861900000091
通过上述方法可以得到y轴单位像素的实际空间物理尺寸dy，则实际面积S可用下式表示：
S＝s×dx×dy 公式7；
式中：
s为像素个数；
dx×dy为单位像素实际的空间面积。
由上公式5和公式6可知，求取面积的关键是测量焦距f和物体离镜心的垂直距离。通过直接测量一定长度为L的物体的像素个数Pn，则可以求得单位像素实际的空间物理尺寸d，从而得实际面积，x和y轴上的物理尺寸计算表达式如下：
Figure BDA0002983861900000092
进一步地，为了减小测量误差，本方法利用棋盘格计算单位像素的实际物理尺寸dx和dy,具体过程如下。
首先，制作相应规格的棋盘格，本方案采用的是n×n大小的棋盘格(n取6，行有6个方格，列有6个方格，且黑白方格交替放置)，每个方格的边长为lcm,如图4所示。
通过相机拍摄得到棋盘格的图像，并采用OPENCV中找棋盘格角点的函数得到棋盘格图像中角点的坐标，即为角点的像素坐标。通过像素坐标计算相邻两像素之间的像素距离pixel_d，再将方格的边长l除以像素距离可以得到单位像素实际的物理尺寸d，计算式如下：
d＝l/pixel_d 公式9
为了减少测量误差，多次计算不同间隔两角点之间的像素距离，得到多组单位像素实际的物理尺寸d，然后求平均值作为最终结果。
具体方法为，检测角点坐标，对每个角点进行编号，按照图5的方式进行编号。将编号值作为key值，角点像素的二维坐标为value，用一个map存储角点的信息，记作为c。首先，计算物体平面x轴方向的单位像素的实际物理尺寸dx，采用行角点来计算。
第一步，计算每相隔k个角点的两相邻角点像素距离和，具体计算表达式如下：
Figure BDA0002983861900000101
式中：
m为棋盘格的行方格数量减1(m＝n-1)；
n为棋盘格的大小；
c.y为角点的y轴坐标值，其下标为c的索引值；
c.x为角点的x轴坐标值；i代表行值，j代表列值。
第二步，计算相隔k个角点的单位像素的实际物理尺寸dxk,计算表达式如下：
Figure BDA0002983861900000102
第三步，计算相隔不同个角点的单位像素的实际物理尺寸dxk的平均值，作为最终的dx，计算表达式如下：
Figure BDA0002983861900000111
为了确定dx、dy的实际值，通过以下实验步骤完成：
(1)制作棋盘格，大小为6×6，方格的边长l为1.780cm；
(2)通过相机拍摄的不同角度棋盘格图像，并检测相应的角点，部分图像如图6所示；
(3)通过上述方法计算不同角度下单位像素实际的物理尺寸d，结果如下表1所示；
表1单位像素实际长度
序号 dx dy
1 0.0122068 0.0122385
2 0.0122235 0.0122553
3 0.0122493 0.0122104
4 0.0122706 0.0122181
平均值 0.01223755 0.0122306
(4)将不同角度下得到的单位像素实际的物理尺寸d求平均，得到最终的面积表达式，S＝s×0.01223755×0.0122306，式中，s为像素个数。
通过上述数据传输动和分析系统中的各步骤操作，完成了数据的分析与处理。
作为本实施例的一种具体方案，还包括辅助器材3，辅助器材3包括电子秤17、试样杯18和料铲19。
电子秤17用于精确计量推进剂药浆质量，可将托盘放置于电子秤台面，清零后直接加料；电子秤17最大量程1000g，精度：0.01g。
试样杯18用于承载推进剂药浆，材质采用塑料，便于清理残药；试样杯18采用杯口直径90mm、高度70mm的塑料杯，容积300ml，便于试样的盛放。
料铲19材质为木质或竹质，用于药浆的移动和清理。避免铲取药浆过程摩擦产生静电，提高操作安全性。
本发明的测试系统采用的原理是：打开计算机16，启动数据传输动和分析系统和数据库系统及集成软件，设定好测试温度和加载速度；将测试托盘放到测试位置，系统自动调焦，且可以根据测试托盘位置自动调焦；给测试托盘加入推进剂药浆，放入带温控系统和加速升高系统的测试台7；启动软件操作系统中测试按钮，计算机通过图像处理，计算一定时间内药浆面积的增量，获得测试结果；关闭软件操作系统中面积探测按钮，结束测试，清理推进剂药浆，完成测试。
以测试150g复合推进剂药浆流平性为例，说明本发明的推进剂药浆流平性检测分析系统工作流程，具体为：
第一步，启动测试系统：
启动计算机16和数据传输动和分析系统和数据库系统及集成软件，打开辅助光源15，进行焦距检测，调整好测试系统。
第二步，托盘加料：
打开电子天平17，放置托盘，清零，用料铲19从试样杯18铲出推进剂药浆，加到托盘，称量150g±0.1g；
第三步，测试流平性：
采用两种测试模式：静态模式和动态模式。
静态模式：将托盘和药浆放到测试位置，启动测试软件系统的启动按钮，开始测试，工业相机14连续扫描20min后，扫描自动结束，软件系统生成累积面积增量、面积增量-t曲线等数据；
动态模式：与静态模式类似，启动测试软件系统后，设定好加速度，启动电机控制键，按照设定的参数，测试台7运动到上升导杆6上设定的位置，结束测试，启动回复按钮，测试台7回到测试初始位。
第四步，现场清理：
储存测试数据，关闭软件系统、计算机16和辅助光源15，取下测试托盘，将推进剂药浆倒入废料袋，用脱脂棉和乙酸乙酯清理托盘、试样杯中残留药浆，完成测试。
本发明应用效果分析：采用本发明的系统进行推进剂药浆流平性检测分析，无测试装置与药浆的剪切、摩擦作用，测试安全性提高，且该分析系统结构简单，操作便捷，维护和保养成本低，该测试系统获得药浆流动面积增量结果，便于推进剂药浆流动性的分析。

Claims (5)

1.一种推进剂药浆流平性检测分析系统，其特征在于，包括视觉采集系统(1)，所述视觉采集系统(1)包括底座(20)，底座(20)上安装有通过变频电机(4)驱动的加速器(5)，加速器(5)上竖向设置有一对上升导杆(6)，上升导杆(6)上套装有用于盛放推进剂药浆的测试台(7)，测试台(7)在加速器(5)的推动下能够沿着上升导杆(6)加速抬升；
所述的测试台(7)通过循环进液管(8)和循环出液管(9)与控温仪(10)相连，用于对测试台(7)进行控温；
所述的底座(20)上竖向固定设置有支架(11)，支架(11)上分别通过调整夹具(12)安装有带有高清镜头(13)的工业相机(14)和辅助光源(15)。
2.如权利要求1所述的推进剂药浆流平性检测分析系统，其特征在于，所述的测试台(7)匀加速上升的最大距离为0.40m，向上的匀加速度为5m/s2；所述的测试台(7)匀减速上升的最大距离为0.40m，向上的匀加速度为-5m/s2。
3.如权利要求1所述的推进剂药浆流平性检测分析系统，其特征在于，还包括视觉分析系统(2)，所述的视觉分析系统(2)包括计算机(16)，变频电机(4)通过控制卡连接计算机(16)，用于调控不同的加速度，工业相机(14)也与计算机(16)相连。
4.如权利要求3所述的推进剂药浆流平性检测分析系统，其特征在于，所述的计算机(16)中内置有数据传输动和分析系统和数据库系统及集成软件；所述的数据传输动和分析系统用于采集流平过程数据，通过人工智能算法计算物料实时面积，并计算其流平速度，绘制出动态变化曲线；所述的数据库系统及集成软件用于存储数据，并支持数据的增删和查询功能。
5.如权利要求1所述的推进剂药浆流平性检测分析系统，其特征在于，还包括辅助器材(3)，所述的辅助器材(3)包括电子秤(17)、试样杯(18)和料铲(19)。
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