基于圖像處理的噴嘴霧化粒度識(shí)別測(cè)量研究?

劉 振 蔣紅海何邦華 唐 軍 劉 澤 袁銳波 周 冰

（1.昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 昆明 650500）（2.云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心 昆明 650032）

1 引言

煙葉制絲過(guò)程中，加料的均勻性是加料霧化過(guò)程的一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，與提升煙葉的品質(zhì)呈正相關(guān)［1］。加料霧化［2］粒度直接影響著煙葉的吸收料液的均勻性。本文基于數(shù)字化圖像處理技術(shù)［3］精密測(cè)量液霧粒度。圖像處理技術(shù)已經(jīng)成為非接觸測(cè)量［4］的主要手段。文獻(xiàn)［5］是通過(guò)圖像的前期處理把單次曝光的粒子像點(diǎn)等效成圓形像點(diǎn)，然后把像素?cái)?shù)轉(zhuǎn)化成實(shí)際尺寸［6］。目前劉海龍等［7］采用模糊測(cè)量法測(cè)量氣液旋風(fēng)分離器液滴粒度。梁永坤等［8］使用快速相機(jī)并借助圖像處理技術(shù)研究液液霧化特性，得出在水流量變化時(shí)，形成液滴粒徑的范圍及變化趨勢(shì)。本文基于數(shù)字化圖像處理技術(shù)搭建圖像采集實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，圖像處理軟件Halcon和高速攝像機(jī)通訊，實(shí)時(shí)采集噴嘴軸向和軸向截面圖像并測(cè)量液霧粒度。

2 圖像采集平臺(tái)的搭建

2.1 圖像采集平臺(tái)

圖像采集平臺(tái)如圖1所示，該系統(tǒng)主要由高速攝像機(jī)、自由空間、加料噴嘴、背光源、PC、激光發(fā)射器等組成。為了更好地研究噴嘴的霧化效果，需要在解耦狀態(tài)下研究噴嘴液相流的霧化機(jī)理，因此要搭建一個(gè)噴嘴自由霧化的平臺(tái)。根據(jù)料液噴嘴出口直徑為3.8mm，噴嘴的空間擴(kuò)散度及霧化體積且在保證霧化效果受自由空間邊界影響情況下，最終確定長(zhǎng)度為2.4m，寬度與高度為1.5m的自由空間并在1.5m×1.5m端沿自由空間中心軸線開(kāi)口，以便放置噴嘴。將噴嘴軸向區(qū)域劃分區(qū)間，高速攝像機(jī)選用型號(hào)為FASTCAMMiniUX50/100，可以達(dá)到100萬(wàn)個(gè)像素、160000fps的性能。本項(xiàng)目采用的大功率激光光源是12V大功率調(diào)焦藍(lán)光激光模組，波長(zhǎng)為450nm，功率可達(dá)10W，可提供0.5mm～5mm的激光束及扇形光面。

圖1 圖像采集平臺(tái)

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

調(diào)整噴嘴角度為0°，料液溫度45℃、55℃、65℃，氣體壓力0.25MPa、0.35MPa、0.45MPa，料液流量為20kg/h，30kg/h，40kg/h等工況下做正交實(shí)驗(yàn)。在2.4m×1.5m平面劃分了等分區(qū)域，實(shí)驗(yàn)分區(qū)采集軸向和截面激光圖像。實(shí)時(shí)采集A、B、D區(qū)域軸向和軸向激光截面圖像。為了獲得通過(guò)噴嘴軸線鉛錘面上的液滴狀態(tài)，需要在此鉛錘面上布置對(duì)焦標(biāo)定板，對(duì)焦標(biāo)定板除了使高速相機(jī)焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)此鉛垂面外，還要進(jìn)一步達(dá)到尺寸標(biāo)定的目的，即換算像素尺寸與物理尺寸之間的關(guān)系。如圖2所示。

3 測(cè)量方法

本文使用圖像處理軟件Halcon開(kāi)發(fā)的測(cè)量算法主要分為：圖像采集、特征識(shí)別、測(cè)量粒度。該測(cè)量方法流程如圖3所示。

圖2 采集圖像區(qū)域

圖3 測(cè)量流程圖

3.1 圖像采集

高速攝像機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)連接和PC實(shí)時(shí)通訊，采集圖像并保存到相應(yīng)路徑下。圖像會(huì)有一定的畸變［9］，使用Photron軟件對(duì)相機(jī)進(jìn)行調(diào)焦和標(biāo)定［10］。相機(jī)標(biāo)定界面如圖4所示。標(biāo)定板外形尺寸50mm×50mm，刻度總長(zhǎng)30mm×30mm，刻度精度1.0μm。通過(guò)相機(jī)監(jiān)測(cè)軟件軟件（PFV）調(diào)整曝光率，A區(qū)、B區(qū)、D區(qū)對(duì)應(yīng)的軸向圖像曝光率為1/5000s、1/16000s、1/8000s，激光截面圖像曝光率為1/2000s，1/1500s，1/500s。

3.2 圖像處理

3.2.1 圖像預(yù)處理

圖4 高速相機(jī)標(biāo)定界面

首先把原圖像轉(zhuǎn)化成灰度圖像。由于圖像在獲取或傳輸過(guò)程中，成像傳感器受到外部環(huán)境的干擾或者自身的性能發(fā)生改變便產(chǎn)生了數(shù)字圖像噪聲，需要對(duì)圖像平滑去噪處理。中值濾波器屬于非線性數(shù)字濾波器，經(jīng)常被用于降低減少圖像中的噪聲。它是把該像素鄰域中的像素點(diǎn)灰度中值替代該像素的灰度值，即

通過(guò)對(duì)在（x，y）像素進(jìn)行中值計(jì)算，將其設(shè)定為圖像的灰度值，可有效地降低減少圖像噪聲。背光源和激光截面圖像采用的為3×3的中值濾波算子模板濾波，能達(dá)到預(yù)期效果。

為了把液霧特征和背景分開(kāi)，識(shí)別液霧粒子，在ROI區(qū)域使用閾值分割識(shí)別液霧粒子。閾值分割是利用灰度頻率分布信息將圖像f分割成不相交的非空子集R1，R2，…Rm，并且每個(gè)子集內(nèi)的像素灰度級(jí)分布在一個(gè)連續(xù)的灰度段。本文閾值分割表示為

其式中T為二值化閾值，f(x，y)為圖像像素點(diǎn)陣中(x，y)點(diǎn)的灰度，p(x，y)為該點(diǎn)鄰域的某種局部性質(zhì)如連通性。

由于液霧粒子會(huì)有少數(shù)粘連，本文利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)對(duì)粘連液霧進(jìn)行分割。數(shù)學(xué)基本形態(tài)學(xué)運(yùn)算如下：設(shè)A、C等符號(hào)表示灰度圖像。

1）膨脹運(yùn)算

A被B膨脹，記為C=A⊕B，運(yùn)算結(jié)果為

其中 b(iˇ，j)表示對(duì)所有的 B(i，j)取最大值。

2）腐蝕運(yùn)算

A被B腐蝕，記為C=AΘB，運(yùn)算結(jié)果為

其中b(i^，j)表示對(duì)所有的 B(i，j)取最小值。

3）開(kāi)操作

用B對(duì)A進(jìn)行開(kāi)運(yùn)算，記為C=A?B，運(yùn)算結(jié)果為

4）閉操作

用A對(duì)B進(jìn)行閉運(yùn)算，記為C=A·B，運(yùn)算結(jié)果為

預(yù)處理分割結(jié)果如圖5所示。

圖5 分割特征液霧

3.2.2 液霧特征識(shí)別與填充

特征區(qū)域的面積、緊密度（Compachtness）和中心坐標(biāo)是軸向液霧粒子圖像通過(guò)圖像預(yù)處理后得出的重要特征，是液霧粒子識(shí)別的重要參數(shù)。面積是預(yù)處理后得到不同的區(qū)域，然后將這些區(qū)域連通，得到的連通區(qū)域總數(shù)。面積是反映圖像中目標(biāo)區(qū)域的最常用特征之一。對(duì)于一個(gè)圖像區(qū)域R，其面積A表示為

緊密度是面積和周長(zhǎng)之間的比值，通過(guò)比值的大小來(lái)確定目標(biāo)物體區(qū)域形狀的復(fù)雜程度特征量，其公式定義如下：

式中：C表示緊密度；A表示區(qū)域面積；S表示區(qū)域周長(zhǎng)。

緊密度的值域?yàn)椋?，1］。

粒子中心坐標(biāo)一般是離散型的，它是對(duì)目標(biāo)物體區(qū)域內(nèi)的像素點(diǎn)的位置坐標(biāo)求取平均值。粒子中心坐標(biāo)如下：

通過(guò)上述特征參數(shù)識(shí)別得到的單個(gè)液霧粒子可能存在空洞，本文要標(biāo)記特征粒子連通區(qū)域并填充空洞。如圖6所示。

圖6 特征粒子識(shí)別與填充

3.3 平均粒徑測(cè)量

3.3.1 液霧軸向粒度測(cè)量

由于高速攝像機(jī)像素較高，采集到的粒子近似于圓形，可將粒子像點(diǎn)等效成圓形。每個(gè)區(qū)域提取液霧粒子個(gè)數(shù)至少為3510個(gè)。液霧軸向測(cè)量采用的是液霧粒度平均半徑：1）計(jì)算液霧粒子特征的最小外接圓半徑；2）計(jì)算相應(yīng)液霧粒子內(nèi)切圓半徑；3）計(jì)算其平均半徑。

該測(cè)量方法把提取出的液霧粒子的像素?cái)?shù)轉(zhuǎn)化為實(shí)際尺寸。實(shí)際值長(zhǎng)度尺寸單位（mm）與像素單位（pixel）之間標(biāo)定系數(shù)：

液霧粒度計(jì)算公式：

A區(qū)標(biāo)定系數(shù)k=0.0902mm/pixel，B區(qū)標(biāo)定系數(shù)k=0.0645mm/pixel，D區(qū)標(biāo)定系數(shù)k=0.0580mm/pixel。

3.3.2 液霧激光截面粒度測(cè)量

本方法利用料液的光散射和成像特性，激光光源平面與被測(cè)料液液霧軸向運(yùn)動(dòng)方向平行。通過(guò)調(diào)節(jié)相機(jī)曝光時(shí)間，采集液霧軌跡序列圖像。對(duì)識(shí)別出來(lái)的液霧特征并計(jì)算特征粒子最小外接矩形。選擇矩形較短邊為特征粒子的粒度，如圖7所示。

液霧粒度計(jì)算公式：

A區(qū)標(biāo)定系數(shù)k=0.0950mm/pixel，B區(qū)標(biāo)定系數(shù)k=0.1091mm/pixel，D區(qū)標(biāo)定系數(shù)k=0.1410mm/pixel。

圖7 激光截面粒度測(cè)量

4 測(cè)量方法驗(yàn)證

在氣體壓力為0.25MPa工況下，背光源軸向與激光截面兩種方法測(cè)量平均粒度如圖8所示，誤差計(jì)算公式為

X(j)為軸向平均粒度，Y(j)為截面平均粒度。計(jì)算誤差約為3.5%，驗(yàn)證了測(cè)量方法的有效性。

圖8 軸向與截面平均粒度

5 測(cè)量結(jié)果及分析

圖9 不同區(qū)域液霧粒徑分布

各個(gè)工況下，隨著液霧向前推進(jìn)，液霧粒度會(huì)變小，液霧粒度分布基本符合正態(tài)分布（如圖9所示）。如圖10，在相同氣體壓力和溫度下，隨著料液流量增大，粒度分布累積曲線斜率越小，平均粒徑越大。在55℃-0.35MPa-20kg/h工況下，粒度分布變化最快。如圖11，在相同流量下，隨著氣壓的增大，粒度分布曲線變化越快。在55℃-0.45MPa-30kg/h工況下，粒度分布變化最快。料液溫度（粘度）對(duì)粒度分布影響較小。

圖10 相同氣壓和溫度

圖11 相同料液流量

6 結(jié)語(yǔ)

本圖像采集系統(tǒng)能實(shí)時(shí)采集圖像并用圖像處理軟件halcon開(kāi)發(fā)識(shí)別并測(cè)量液霧粒度程序。兩種方法測(cè)量誤差為3.5%，驗(yàn)證了測(cè)量方法的有效性和可行性。測(cè)量結(jié)果可為噴嘴霧化的數(shù)值模擬驗(yàn)證提供可靠的數(shù)據(jù)。

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