基于光散射斑图成像特征的微细颗粒原位粒径检测方法.pdf
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1、第 卷 第 期中 国 机 械 工 程V o l N o 年月CH I NA ME CHAN I C A LE N G I N E E R I N Gp p 基于光散射斑图成像特征的微细颗粒原位粒径检测方法孙毅,李长杨,毛亚郎,叶伟伟,浙江工业大学机械工程学院,杭州,浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室,杭州,摘要:针对工业化制备微细颗粒原位在线检测的难题,基于光散射消光法测量颗粒粒径,利用图像分析和数据特征分析方法分析讨论了原位效果下不同样本颗粒浓度的图像像素值数据规律.在球磨机原位实验条件下,对满足一定粒径范围下确定样本颗粒质量浓度的散射光斑图像进行采集,通过对比光斑图像明
2、亮程度的差异性统计分析像素值极小值的分布规律,建立不同粒径范围和不同样本浓度的标准对照参数模型.利用确定参数的样品颗粒液对模型进行验证,分布规律区间相似匹配度在 以上.对球磨机制备微细颗粒过程中的颗粒进行模型对比判断,结果表明该方法适用于原位粒径初级检测.关键词:原位检测;消光法;斑图成像;图像特征分析中图分类号:T B ;O D O I:/j i s s n X 开放科学(资源服务)标识码(O S I D):I n s i t uP a r t i c l eS i z eD e t e c t i o nM e t h o do fF i n eP a r t i c l e sB a s
3、 e do nF e a t u r e so fL i g h tS c a t t e r i n gP a t t e r nI m a g e sS UNY i,L IC h a n g y a n g,MAOY a l a n g,Y E W e i w e i,C o l l e g eo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,Z h e j i a n gU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,H a n g z h o u,K e yL a b o r a t o r yo fS p e
4、c i a lP u r p o s eE q u i p m e n t a n dA d v a n c e dM a n u f a c t u r i n gT e c h n o l o g yo fM i n i s t r yo fE d u c a t i o n,Z h e j i a n gU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,H a n g z h o u,A b s t r a c t:I tw a sd i f f i c u l t t oo n l i n ed e t e c t t h es i z e so f
5、f i n ep a r t i c l e st h a tw e r ep r e p a r e df r o mi n d u s t r i a l p r o d u c t i o np r o c e s s e s A no n l i n ed e t e c t i o nm e t h o dw a sd e v e l o p e db a s e do n l i g h t s c a t t e r i n ge x t i n c t i o nt om e a s u r ep a r t i c l es i z e s T h e l a wo f i
6、m a g ep i x e lv a l u ed a t ao fd i f f e r e n ts a m p l ep a r t i c l ec o n c e n t r a t i o n su n d e ro n l i n ed e t e c t i o nw a sa n a l y z e da n dd i s c u s s e du s i n gi m a g ea n a l y s i sa n dd a t af e a t u r ea n a l y s i sm e t h o d s U n d e r t h ec o n d i t i
7、o n so f t h e i n s i t ue x p e r i m e n t so f t h eb a l lm i l l,t h es c a t t e r e d l i g h ts p o t i m a g e sw e r e c o l l e c t e d,w h i c hd e t e r m i n e ds a m p l ep a r t i c l em a s s c o n c e n t r a t i o nw i t h i na c e r t a i np a r t i c l es i z er a n g e T h ed
8、i f f e r e n c eo fb r i g h t n e s so f t h e l i g h ts p o t i m a g e sw a sa n a l y z e d,a n dt h ed i s t r i b u t i o nl a wo f t h em i n i m u mv a l u eo f t h ep i x e lv a l u ew a ss t a t i s t i c a l l yo b t a i n e d T h es t a n d a r dc o n t r o lp a r a m e t e rm o d e l
9、sw e r ee s t a b l i s h e d f o rd i f f e r e n tp a r t i c l es i z e r a n g e sa n dd i f f e r e n t s a m p l ec o n c e n t r a t i o n s T h em o d e l sw e r ev e r i f i e db yt h es a m p l ep a r t i c l el i q u i dw i t hk n o w np a r a m e t e r s,a n dt h es i m i l a r i t ym a
10、t c h i n gd e g r e e i sm o r et h a n T h em o d e l sw e r ea p p l i e dt oi n s i t um e a s u r ef i n ep a r t i c l e ss i z e sw h i c hw e r ep r e p a r e db yb a l lm i l l s h o w i n g t h a t t h em e t h o dm a yb eu s e d f o r t h ep r i m a r yd e t e c t i o no f i n s i t up a
11、r t i c l es i z e s K e yw o r d s:i n s i t ud e t e c t i o n;e x t i n c t i o nm e t h o d;s p e c k l e i m a g i n g;i m a g e f e a t u r ea n a l y s i s收稿日期:基金项目:国家自然科学基金();浙江省自然科学基金(L Y E )引言随着颗粒尺寸的减小,颗粒材料表现出超导性、低熔点及强吸光性等多种特殊性质,在许多领域得到广泛应用,而颗粒的大小和尺寸分布对颗粒材料特性起着决定性作用 .在加工制造过程中监测和控制微细颗粒材料的粒度
12、分布对稳定质量和最大限度地提高产品生产率至关重要.许多学者对颗粒在线检测方法进行了研究,主要包括根据经典的光散射理论对粉尘颗粒进行识 别、结 合 相 关 方 法 研 究 颗 粒 形 貌 等 .D E R KA CHOV等应用动态光散射技术研究球形纳米颗粒的单悬浮微米级液滴,通过分析液滴散射光获得了液滴分散演变随时间变化的指数衰减自相关函数.J I N等采用脉冲数字在线全息技术对火电厂的煤粉细度进行在线测量,建立了原位实时测量系统,受散射角的影响,光散射测量装置空间利用率低且原位性不好.基于L a m b e r t B e e r定律的消光光谱法的要求较散射法低、测量结果重复性好,图像处理结合
13、消光散射法测量颗粒粒径和浓度得到了实验的论证 .M I S AWA等提出一种基于成像的颗粒粒度信息监测系统来检测亚微米粒子,系统结合了粒子阴影和散射光成像,将可检测的粒子范围扩展到亚微米级;WU等 开发一种双光束干涉粒子成像技术来测量不透明金属液滴的大小;J G E R S等 提出一种基于 D数字图像分析的光学连续测量方法,用于测量分析木屑颗粒粒度分布,可对目标对象进行精确的质量控制.然而,工业环境中很难满足测量所需条件,原位在线检测困难.本文针对机械法制备微细颗粒原位在线检测困难的问题,结合消光法和图像处理方法,分析研究原位环境下不同颗粒样本对成像斑图的影响.基于不同参数特性下样本颗粒所体现
14、出图像明亮程度以及像素值极小值分布规律的差异性,利用确定参数下的样本组建立图像特征对比模型.根据原位效果下图像特征与标准样本组的相似匹配度,对原位状态下的颗粒进行粒径范围的判断,实现实时在线反馈.不同样本颗粒斑图成像分析颗粒消光法呈现一束强度为I的平行光入射并经过含有均匀悬浮颗粒的测量区时,透射光强度将会发生一定程度的衰减,其衰减程度与颗粒大小和数量(质量浓度)等因素有关.在多分散颗粒流系统中,透射光强度I满足如下关系式:IIe x p(LNDDm a xDm i nQe x t(,m,D)Df(D)dD)()式中,L为光通过颗粒系介质的距离;ND为颗粒总数;为入射光波长;Qe x t(,m,
15、D)为消光系数,是关于 粒径D、波长及相对折射率m的函数;f(D)为待求颗粒系的体积频度分布函数;Dm i n为待测颗粒系粒径范围下限;Dm a x为待测颗粒系粒径范围上限.由式()可知,当激光源、颗粒材料特性以及光程L一定时,影响透射光强度I的关键因素为粒径分布和颗粒数量.受固 液二相颗粒流的影响,均匀的激光束照射测量区域后,会在采集面上呈现出由不同光强大小产生的光场分布.光强大小体现光信号能量的高低,图像像素值大小与光信号的能量高低有关,光强信息在图像中的表征为明暗相间的区域分布,因此,图像阴影区域中包含着颗粒系中颗粒粒径范围大小和数量多少等目标信息,不同参数下的微细颗粒信息对应着透射光斑
16、图像的不同图像特征规律.原位在线颗粒成像系统原位条件下透射光成像系统如图所示,包括颗粒流输送部分和测量成像部分.颗粒流输送部分由球磨机、蠕动泵和循环管路组成;测量部分由半导体激光器、准直扩束透镜、观察池和采集相机组成.前期,课题组对微细颗粒的制备过程进行了大量的研究,设计了基于空化冲击与碰撞冲击耦合可控的微细颗粒球磨粉碎装置.经球磨空化破碎后的颗粒流系统在蠕动泵的作用下从磨机中被抽取出来,通过循环管路进入到观察池内,观察池为两块高透光性玻璃板构成的具有一定间隔空隙的空间区域.对观察池的玻璃内外侧表面进行抛光处理,减小表面粗糙度,提高光线透过率.波长 n m、功率 mW的半导体激光器发出稳定光强
17、的激光束,由准直扩束透镜形成直径范围 mm的平行入射光垂直照射到观察池上,经颗粒系散射和吸收后,透射后的光信号呈现在成像平面上,最后由相机采集原始斑图成像信息.调整激光器与相机镜头的同轴度,标定相机清晰成像的位置坐标,所搭建的原位颗粒成像装置如图所示,整个检测测量模块处于暗室环境中,以保证光照环境一致.相机采集到的图像信息通过计算机实时记录下来.图颗粒球磨破碎原位检测模型示意图F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo fp a r t i c l eb a l lm i l l i n gc r u s h i n g i n s i t ud e t e c
18、 t i o nm o d e l确定参数下标准样本样品液的制备为建立确定参数下的标准对照模型,需要获取一定粒径范围下的标准样本组.将磨机制备的石英砂颗粒按照筛网目数分级,即粒度为 目、目和 目,三种颗粒样本粒度等级如表所示.中国机械工程 第 卷 第 期 年月下半月图原位粒度检测实物装置图F i g P h y s i c a l d e v i c ed i a g r a mo f i n s i t up a r t i c l es i z ed e t e c t i o n表粒度等级表T a b P a r t i c l e s i z eg r a d e t a b l e颗
19、粒样本粒径范围(m)样本 样本 样本 在实验测量过程中设定颗粒物的质量浓度c.以球形颗粒为例,单一粒径范围下颗粒样本液浓度与颗粒数量之间的关系满足如下公式:c VrNDD()式中,Vr为容器体积;为颗粒密度.当颗粒粒径和容器确定时,样本液的质量浓度与颗粒数量之间成正比关系.为保证光的有效透射,满足颗粒不相关散射的颗粒数浓度如表所示.表不相关散射颗粒数量T a b Q u a n t i t y t a b l eo fu n c o r r e l a t e ds c a t t e r i n gp a r t i c l e s颗粒直径(m)颗粒数浓度(c m)颗粒体积浓度CV小于 按照
20、标准颗粒球的特性参数设置颗粒样品液浓度比对实验组,标准颗粒 球的密度 g/c m,满足不相关散射条件下颗粒的质量浓度为 g/L.以等比数列规律设置浓度梯度样本,如表所示.将不同浓度状态下的三种样本液加入到实验球磨机中,作为标准参数状态并进行原位图像采集.表浓度梯度样本组T a b C o n c e n t r a t i o ng r a d i e n t o f s a m p l eg r o u p样本编号数值(g/L)样本编号数值(g/L)浓度 浓度 浓度 浓度 浓度 浓度 浓度 浓度 浓度 浓度 图像特征分析与对比模型斑图成像效果呈现保证不同样本浓度状态下图像采集条件一致,调整相
21、机的最佳成像距离并设定相机参数,如表所示.表采集相机参数设定T a b P a r a m e t e r s e t t i n gf o ra c q u i s i t i o nc a m e r a系统设定参数采集帧率(s)曝光时间S(s)固定焦距f(mm)光圈值f/取样本颗粒样本分析斑图特征的效果表征,相机在实验条件标准参数下原位采集的图像如图所示.利用无参考图像质量评价方法 对斑图成像的图像标准差进行计算分析,数值区间为 ,表明斑图中灰度级分散,图像质量满足检测需求.斑图的明亮程度随质量浓度呈现负相关的变化,在多分散颗粒流透射光成像中,颗粒数量多少是影响成像斑图效果的主要因素.不
22、同样本浓度下图像特征分析图像像素值的大小与光强大小存在联系,受图同等环境下不同浓度状态透射光斑图F i g T r a n s m i t t e d l i g h t s p o td i a g r a mo fd i f f e r e n t s a m p l e s t a t e su n d e r t h e s a m e e n v i r o n m e n t基于光散射斑图成像特征的微细颗粒原位粒径检测方法 孙毅李长杨毛亚郎等颗粒系的影响,图像的像素值特征信息反映不同颗粒分布,通过图像的数据化特征来分析体现颗粒特性的差异.对图像的三维像素值(各像素点的像素值)分布进
23、行计算分析,求解像素值的数据均值;利用各像素点的像素值大小构建图像像素值分布函数,求解函数的极小值,求解后的极小值称之为像素极小值.统计相同数据量的极小值分布信息,不同样本参数对应不同的像素极小值分布情况,利用极小值的数据特征分布规律及统计数学模型建立对照模型.成像斑图像素值分布对斑图进行数值化处理,计算图像像素值分布,不同浓度参数状态下图像各像素点的像素值大小分布如图所示.三维像素值分布体现着光(a)c g/L (b)c g/L(c)c g/L (d)c g/L(e)c g/L (f)c g/L(g)c g/L (h)c g/L(i)c g/L (j)c g/L图不同浓度状态像素值分布F i
24、 g P i x e l v a l u ed i s t r i b u t i o n i nd i f f e r e n t s a m p l e s t a t e s强的能量分布规律,光强值较大的地方像素值处于波峰位置;强度值较小的地方位于波谷位置.基于斑图的像素值分布计算像素值均值大小(图),在 g/L的浓度区间内,倍浓度变化所对应像素均值的变化为.像素极小值分布规律颗粒系中颗粒的空间分布会对透射光的空间分布产生影响,经颗粒散射后光信息在成像平面上会出现波谷值,波谷值与不同样本颗粒的粒度信息相关.局部二值模式(l o c a lb i n a r yp a t t e r n
25、s,L B P)算法以窗口中心像素值为阈值,将相邻的个像素的像素值与其进行比较,若周围像素值大于中心像素值,则该像素点的位置被记为,反之为.基于光斑图像像素值分布,受颗粒粒径大小分布的影响,利用L B P算法特征分析图像的极小值分布情况,并对所检测的不同样本浓度的像素极小值信息利用分布折线图进行统计分析,如图所示.以三种确定粒径范围已知质量浓度下的图像像素极小值特征规律作为标准参数下的对照模型,对原位实验条件下的颗粒悬浊液进行图像特征匹配,判断其粒径大小范围和质量浓度区间.对比模型的实验验证选取 m粒径范围下的颗粒样本,配制质量浓度为g/L的样品液,以该参数作为初始浓度加入到原位球磨机中,分析
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