CN116309505A - 一种氢气浓度可视化图像标定系统、方法及检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种氢气浓度可视化图像标定系统、方法及检测方法，涉及气体浓度检测技术领域，系统包括：气体喷射模块，用于存储并喷射不同浓度的氢气；浓度测量模块，用于测量第一设定区域内不同氢气浓度下的浓度数据；可视化成像模块，用于获取第二设定区域内不同氢气浓度下的可视化图像；处理器，用于将各所述可视化图像进行灰度转换，得到若干个灰度图像，并根据若干个灰度图像和若干个浓度数据进行拟合，得到拟合曲线。本发明提高了可视化图像标定结果的准确性，继而提高了浓度检测的准确性。

Description

一种氢气浓度可视化图像标定系统、方法及检测方法
技术领域
本发明涉及气体浓度检测技术领域，特别是涉及一种氢气浓度可视化图像标定系统、方法及检测方法。
背景技术
氢能作为一种新型储能和供能的能源，具有高效、清洁和可再生的优点。但是在氢气的制备、储存、运输、加注和使用过程中均具有潜在的泄漏和爆炸危险，同时氢气的爆炸是在扩散范围内爆燃爆轰的合并连锁反应，产生的火焰传播速度与音速相近，因此，氢气泄漏与扩散阶段的研究具有重要价值。气体浓度的可视化技术发展迅速，而且可视化测量的精度是基于标定结果进行的，但是传统的可视化标定方法是对静态的氢气进行标定，而在标定过程中难以避免的会发生氢气的逃逸、扩散等导致浓度测量位置氢气浓度的下降，严重影响标定结果的准确性。
发明内容
本发明的目的是提供一种氢气浓度可视化图像标定系统、方法及检测方法，提高了可视化图像标定结果的准确性，继而提高了浓度检测的准确性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种氢气浓度可视化图像标定系统，包括：
气体喷射模块，用于存储并喷射不同浓度的氢气；
浓度测量模块，用于测量第一设定区域内不同氢气浓度下的浓度数据；
可视化成像模块，用于获取第二设定区域内不同氢气浓度下的可视化图像；
处理器，用于将各所述可视化图像进行灰度转换，得到若干个灰度图像，并根据若干个灰度图像和若干个浓度数据进行拟合，得到拟合曲线。
可选地，所述气体喷射模块包括：
氢气瓶，用于存储不同浓度的氢气；
喷嘴，与所述氢气瓶之间通过管路连通，用于喷射不同浓度的氢气；
所述管路上设置有阀门，所述阀门用于控制所述管路的通断。
可选地，所述浓度测量模块包括：
浓度传感器，用于测量第一设定区域内不同浓度氢气下的浓度信号；
数据采集仪，用于对各所述浓度信号进行采集，得到各所述浓度数据。
本发明还提供了一种氢气浓度可视化图像标定方法，所述氢气浓度可视化图像标定方法适用于上述的氢气浓度可视化图像标定系统，所述氢气浓度可视化图像标定方法包括：
对所述氢气浓度可视化图像标定系统进行调试，得到调试好的氢气浓度可视化图像标定系统；
基于调试好的氢气浓度可视化图像标定系统获取第一设定区域内不同氢气浓度下的浓度数据；
基于调试好的氢气浓度可视化图像标定系统获取第二设定区域内不同氢气浓度下的可视化图像；
对各所述可视化图像进行灰度转换，得到若干个灰度图像，基于若干个所述灰度图像确定采集区域，基于所述采集区域对若干个所述灰度图像进行分割，得到若干个分割灰度图像；
对各所述分割灰度图像进行特征提取及去背景处理，得到若干个特征灰度数据；
对各所述特征灰度数据和各所述浓度数据进行拟合，得到拟合曲线。
可选地，所述对各所述可视化图像进行灰度转换，得到若干个灰度图像，基于若干个所述灰度图像确定采集区域，基于所述采集区域对若干个所述灰度图像进行分割，得到若干个分割灰度图像，包括：
对各所述可视化图像进行灰度转换，得到若干个灰度图像；
选取氢气浓度最大值对应的所述灰度图作为基准图像；
基于所述基准图像得到喷射截面线的左端点坐标和右端点坐标；
基于所述左端点坐标和所述右端点坐标得到射流中心线与截面线的交点坐标；
基于所述左端点坐标、所述右端点坐标、所述交点坐标和设定边长，得到正方形的所述采集区域；
基于所述采集区域对若干个所述灰度图像进行分割，得到若干个分割灰度图像。
可选地，所述对各所述分割灰度图像进行特征提取及去背景处理，得到若干个特征灰度数据，包括：
计算各所述分割灰度图像的灰度平均值，得到各氢气浓度下的每一帧初始特征灰度值；
对每个氢气浓度下的各所述初始特征灰度值求平均值，得到各氢气浓度下的特征灰度值；
用各所述特征灰度值减去氢气浓度为0%时所对应的特征灰度值，得到各所述特征灰度数据。
可选地，所述拟合曲线如下式：
Figure SMS_1
；
式中：
Figure SMS_2
为灰度值，m为氢气浓度百分数的分子，A、C、D和E均为多项式系数值。
本发明还提供了一种氢气浓度检测方法，包括：
获取实时可视化图像，对所述实时可视化图像进行灰度处理，得到实时灰度图像；
对所述实时灰度图像进行均值滤波处理，得到实时灰度值；
将所述实时灰度值代入上述的拟合曲线，得到实时氢气浓度。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开一种氢气浓度可视化图像标定系统、方法及检测方法，系统包括：气体喷射模块，用于存储并喷射不同浓度的氢气；浓度测量模块，用于测量第一设定区域内不同氢气浓度下的浓度数据；可视化成像模块，用于获取第二设定区域内不同氢气浓度下的可视化图像；处理器，用于将各所述可视化图像进行灰度转换，得到若干个灰度图像，并根据若干个灰度图像和若干个浓度数据进行拟合，得到拟合曲线。本发明提高了可视化图像标定结果的准确性，继而提高了浓度检测的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明氢气浓度可视化图像标定系统结构图；
图2为本发明氢气浓度可视化图像标定方法流程图；
图3为本发明灰度图像示意图；
图4为本发明采集区域示意图；
图5为本发明各特征灰度数据和各浓度数据示意图；
图6为本发明拟合曲线示意图。
符号说明：1、气体喷射模块；2、浓度测量模块；3、可视化成像模块；4、处理器；11、氢气瓶；12、喷嘴；13、阀门；21、浓度传感器；22、数据采集仪；31、可视化设备；32、高速摄像机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种氢气浓度可视化图像标定系统、方法及检测方法，提高了可视化图像标定结果的准确性，继而提高了浓度检测的准确性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明氢气浓度可视化图像标定系统结构图。如图1所示，本发明提供了一种氢气浓度可视化图像标定系统，包括：气体喷射模块1、浓度测量模块2、可视化成像模块3和处理器4。
所述气体喷射模块1用于存储并喷射不同浓度的氢气。
具体地，所述气体喷射模块1包括：氢气瓶11、喷嘴12和阀门13。
所述氢气瓶11用于存储不同浓度的氢气。
所述喷嘴12与所述氢气瓶11之间通过管路连通，所述喷嘴12用于喷射出不同浓度的氢气。
所述阀门13设置在所述管路上，所述阀门13用于控制所述管路的通断，从而实现控制是否将氢气从所述喷嘴12喷射出。
所述浓度测量模块2用于测量第一设定区域内不同氢气浓度下的浓度数据。
优选地，所述浓度测量模块2包括：浓度传感器21和数据采集仪22。
所述浓度传感器21用于测量第一设定区域内不同浓度氢气下的浓度信号。
所述数据采集仪22用于对各所述浓度信号进行采集，得到各所述浓度数据。
所述可视化成像模块3。用于获取第二设定区域内不同氢气浓度下的可视化图像。
进一步地，所述可视化成像模块3包括：可视化设备31、光源和高速摄像机32。
所述光源用于对所述第二设定区域进行照射，以提高所述第二设定区域的亮度。
所述可视化设备31用于对所述第二设定区域进行可视化显示。
所述高速摄像机32用于对所述可视化设备31的可视化显示进行拍摄，以得到不同氢气浓度下的可视化图像。每个氢气浓度均包括n帧所述可视化图像。
所述处理器4用于将各所述可视化图像进行灰度转换，得到若干个灰度图像。所述处理器4根据若干个灰度图像和若干个浓度数据进行拟合，得到拟合曲线。本实施例中，所述高速摄像机32和所述处理器4之间通过数据线连接。
图2为本发明氢气浓度可视化图像标定方法流程图。如图2所示，本发明提供了一种氢气浓度可视化图像标定方法，所述氢气浓度可视化图像标定方法适用于上述的氢气浓度可视化图像标定系统，所述氢气浓度可视化图像标定方法包括：
步骤S1，对所述氢气浓度可视化图像标定系统进行调试，得到调试好的氢气浓度可视化图像标定系统。
具体地，所述步骤S1包括：
步骤S11，连接各部件得到氢气浓度可视化图像标定系统，调节可视化设备内各装置的距离、高度和角度，使光路达到设定位置。
步骤S12，将高速摄像机对准可视化设备的光路，调整高速摄像机镜头的焦距、左右位置和俯仰角度，使高速摄像机的视野占据可视化显示的屏幕中心大部分区域，且图像具有良好的分辨率和清晰度。
步骤S13，使用可调节固定架调节喷嘴在光路中的位置，使喷嘴在图像中处于中心位置并具有设定高度，调节完成后将喷嘴位置固定。
步骤S2，基于调试好的氢气浓度可视化图像标定系统获取第一设定区域内不同氢气浓度下的浓度数据。
步骤S3，基于调试好的氢气浓度可视化图像标定系统获取第二设定区域内不同氢气浓度下的可视化图像。
进一步地，所述步骤S2和所述步骤S3具体为：
将氢气浓度可视化图像标定系统关闭，观察高速摄像机，待视野中无干扰气流出现时，连续拍摄n帧图像，作为背景图像（氢气浓度为0%时的可视化图像）。
第二设定区域内氢气浓度的数据采集：启动氢气浓度可视化图像标定系统，氢气浓度从99%开始，通过气体喷射模块持续不断的输出流量和浓度稳定的氢气，与此同时将氢气浓度传感器放置在喷嘴附近适当位置，并通过高速摄像机记录此时浓度传感器探头的位置，观察数据采集仪显示的浓度曲线，待浓度曲线稳定设定时间后移开浓度传感器，根据浓度传感器所得浓度曲线计算气体浓度，得到浓度数据，第一设定区域内可视化图像的采集：拿开浓度传感器，同时保持气体喷射模块喷出氢气的流量和浓度不变即保持气体喷射模块维持原状态不变，观察高速摄像机中图像，待气流稳定后，连续拍摄n帧图像，得到该浓度下的可视化图像，按照8%-20%调整氢气浓度，重复此过程，得到不同氢气浓度下的浓度数据和可视化图像。
步骤S4，对各所述可视化图像进行灰度转换，得到若干个灰度图像，基于若干个所述灰度图像确定采集区域，基于所述采集区域对若干个所述灰度图像进行分割，得到若干个分割灰度图像。
优选地，所述步骤S4包括：
步骤S41，对各所述可视化图像进行灰度转换，得到若干个灰度图像，灰度图像如图3所示，图3中，background为背景，灰度转换公式如下：
Figure SMS_3
；
式中：
Figure SMS_6
为坐标为/>
Figure SMS_7
像素点的灰度值，/>
Figure SMS_10
为可视化图像坐标为
Figure SMS_5
像素点的R通道值，/>
Figure SMS_8
为可视化图像坐标为/>
Figure SMS_9
像素点的G通道值，/>
Figure SMS_11
为可视化图像坐标为/>
Figure SMS_4
像素点的B通道值。
步骤S42，选取氢气浓度最大值对应的所述灰度图作为基准图像。
步骤S43，基于所述基准图像得到喷射截面线的左端点坐标和右端点坐标。
步骤S44，基于所述左端点坐标和所述右端点坐标得到射流中心线与截面线的交点坐标。计算公式如下：
Figure SMS_12
；
Figure SMS_13
；
式中：
Figure SMS_14
为交点坐标的x轴坐标值，/>
Figure SMS_15
为交点坐标的y轴坐标值，/>
Figure SMS_16
为左端点坐标的x轴坐标值，/>
Figure SMS_17
为左端点坐标的y轴坐标值，/>
Figure SMS_18
为右端点坐标的x轴坐标值，/>
Figure SMS_19
为右端点坐标的y轴坐标值。
步骤S45，基于所述左端点坐标、所述右端点坐标、所述交点坐标和设定边长，得到正方形的所述采集区域。采集区域如图4所示。
本实施例中，先确定所述采集区域的左下角点坐标为
Figure SMS_20
，
Figure SMS_21
，/>
Figure SMS_22
为喷嘴直径，/>
Figure SMS_23
，/>
Figure SMS_24
为设定边长。
步骤S46，基于所述采集区域对若干个所述灰度图像进行分割，得到若干个分割灰度图像。
步骤S5，对各所述分割灰度图像进行特征提取及去背景处理，得到若干个特征灰度数据。
具体地，所述步骤S5包括：
步骤S51，计算各所述分割灰度图像的灰度平均值，得到各氢气浓度下的每一帧初始特征灰度值。计算公式如下：
Figure SMS_25
；
式中：m为氢气浓度百分数的分子，
Figure SMS_26
为m%氢气浓度下第i帧分割灰度图像的特征灰度值。
步骤S52，对每个氢气浓度下的各所述初始特征灰度值求平均值，得到各氢气浓度下的特征灰度值。计算公式如下：
Figure SMS_27
；
式中：
Figure SMS_28
为m%氢气浓度下的特征灰度值。
步骤S53，用各所述特征灰度值减去氢气浓度为0%时所对应的特征灰度值，得到各所述特征灰度数据。计算公式如下：
Figure SMS_29
；
式中：
Figure SMS_30
为m%氢气浓度下的特征灰度数据，/>
Figure SMS_31
为0%氢气浓度下的特征灰度值。
各所述特征灰度数据和各浓度数据如图5和表1所示。
表1 各特征灰度数据和各浓度数据
Figure SMS_32
步骤S6，对各所述特征灰度数据和各所述浓度数据进行拟合，得到拟合曲线。
本实施例中，所述拟合曲线如下式：
Figure SMS_33
；
式中：
Figure SMS_34
为灰度值，m为氢气浓度百分数的分子，A、C、D和E均为多项式系数值。
应用表1中的数据得到的拟合曲线如图6所示，具体如下式：
Figure SMS_35
。
当得到所述拟合曲线后，可根据所述拟合曲线得到实时氢气浓度，具体地：
获取实时可视化图像，对所述实时可视化图像进行灰度处理，得到实时灰度图像。
对所述实时灰度图像进行均值滤波处理，得到实时灰度值。
将所述实时灰度值代入所述拟合曲线，得到实时氢气浓度。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种氢气浓度可视化图像标定系统，其特征在于，包括：
气体喷射模块，用于存储并喷射不同浓度的氢气；
浓度测量模块，用于测量第一设定区域内不同氢气浓度下的浓度数据；
可视化成像模块，用于获取第二设定区域内不同氢气浓度下的可视化图像；
处理器，用于将各所述可视化图像进行灰度转换，得到若干个灰度图像，并根据若干个灰度图像和若干个浓度数据进行拟合，得到拟合曲线。
2.根据权利要求1所述的氢气浓度可视化图像标定系统，其特征在于，所述气体喷射模块包括：
氢气瓶，用于存储不同浓度的氢气；
喷嘴，与所述氢气瓶之间通过管路连通，用于喷射不同浓度的氢气；
所述管路上设置有阀门，所述阀门用于控制所述管路的通断。
3.根据权利要求1所述的氢气浓度可视化图像标定系统，其特征在于，所述浓度测量模块包括：
浓度传感器，用于测量第一设定区域内不同浓度氢气下的浓度信号；
数据采集仪，用于对各所述浓度信号进行采集，得到各所述浓度数据。
4.一种氢气浓度可视化图像标定方法，所述氢气浓度可视化图像标定方法适用于权利要求1-3任意一项所述的氢气浓度可视化图像标定系统，其特征在于，所述氢气浓度可视化图像标定方法包括：
对所述氢气浓度可视化图像标定系统进行调试，得到调试好的氢气浓度可视化图像标定系统；
基于调试好的氢气浓度可视化图像标定系统获取第一设定区域内不同氢气浓度下的浓度数据；
基于调试好的氢气浓度可视化图像标定系统获取第二设定区域内不同氢气浓度下的可视化图像；
对各所述可视化图像进行灰度转换，得到若干个灰度图像，基于若干个所述灰度图像确定采集区域，基于所述采集区域对若干个所述灰度图像进行分割，得到若干个分割灰度图像；
对各所述分割灰度图像进行特征提取及去背景处理，得到若干个特征灰度数据；
对各所述特征灰度数据和各所述浓度数据进行拟合，得到拟合曲线。
5.根据权利要求4所述的氢气浓度可视化图像标定方法，其特征在于，所述对各所述可视化图像进行灰度转换，得到若干个灰度图像，基于若干个所述灰度图像确定采集区域，基于所述采集区域对若干个所述灰度图像进行分割，得到若干个分割灰度图像，包括：
对各所述可视化图像进行灰度转换，得到若干个灰度图像；
选取氢气浓度最大值对应的所述灰度图作为基准图像；
基于所述基准图像得到喷射截面线的左端点坐标和右端点坐标；
基于所述左端点坐标和所述右端点坐标得到射流中心线与截面线的交点坐标；
基于所述左端点坐标、所述右端点坐标、所述交点坐标和设定边长，得到正方形的所述采集区域；
基于所述采集区域对若干个所述灰度图像进行分割，得到若干个分割灰度图像。
6.根据权利要求4所述的氢气浓度可视化图像标定方法，其特征在于，所述对各所述分割灰度图像进行特征提取及去背景处理，得到若干个特征灰度数据，包括：
计算各所述分割灰度图像的灰度平均值，得到各氢气浓度下的每一帧初始特征灰度值；
对每个氢气浓度下的各所述初始特征灰度值求平均值，得到各氢气浓度下的特征灰度值；
用各所述特征灰度值减去氢气浓度为0%时所对应的特征灰度值，得到各所述特征灰度数据。
7.根据权利要求4所述的氢气浓度可视化图像标定方法，其特征在于，所述拟合曲线如下式：
Figure QLYQS_1
；式中：/>
Figure QLYQS_2
为灰度值，m为氢气浓度百分数的分子，A、C、D和E均为多项式系数值。
8.一种氢气浓度检测方法，其特征在于，包括：
获取实时可视化图像，对所述实时可视化图像进行灰度处理，得到实时灰度图像；
对所述实时灰度图像进行均值滤波处理，得到实时灰度值；
将所述实时灰度值代入权利要求4-7任意一项所述的拟合曲线，得到实时氢气浓度。
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