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蔡小舒教授:颗粒粒度及气溶胶在线测量的图像魔法

仪器信息网 2020/02/17 11:20:09 点击 474 次
[导读] 随着CMOS技术革命,图像法在线测量开始兴起,成为一种颗粒粒度测试的重要方法,另外与光散射结合可测量无法成像的大气中气溶胶颗粒的浓度和排放烟尘的浓度。

说起图像法,大家很自然会联想到相机。对,图像法就是用相机作为传感器测量颗粒粒度。其实,图像法并不是一种新的测量方法,这是一种已有很多年历史的测量方法。早期的相机采用胶片作为传感器,记录被测物体的影像,然后将影像投影到工具投影仪上,在投影仪上用标尺或后期发展的坐标传感器量出被测物体的大小。下图是一种显微投影仪的照片,显微物镜把胶片上的图像投影到屏幕上,在屏幕上量出物体图像的尺寸。对于颗粒样品,则可以直接在显微镜下进行观测测量。很显然,在用胶片作为传感器的时期,图像法是不可能用于在线测量的。

图片1.jpg

显微投影仪

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图像法作为颗粒粒度测量,尤其是颗粒粒度在线测量的新方法再次出现并得到日益广泛的应用,得益于CCD和CMOS的发明,数码相机的飞速发展,以及光学镜头、光源、计算机技术以及图像处理算法的飞速发展。数码相机的核心是CCD/CMOS传感器,尤其是近年来CMOS技术的发展使其性能得到很大提高,几乎占据了绝大部分的数字传感器。下图是CMOS传感器的照片。在CCD/CMOS传感器中,代替胶片中感光粒子的是按矩阵排列的像素。如果在每个像素前按规律设置红(R),绿(G)和蓝(B)三色滤色片,则可以得到彩色图像。这样CCD/CMOS就将图像自然分解成了成可以用计算机处理的离散信号。

图像2.png

图像法在线测量装置主要包括:相机、镜头、光源、取样装置等。其中相机是最关键的设备。为得到清晰的被测颗粒的影像边缘,一般在在线测量中采用逆光(背光)照明方式,相机在测量区一侧,光源在测量区另一侧,如图所示。由于光的穿透能力不强,因此图像法不能用于高浓度颗粒的直接在线测量(in-line)。对于高浓度颗粒,必须采用取样方式测量(on-line)

图片3.jpg

图像法在线测量原理示意图

与图像法静态测量要求不同,在图像法在线测量中,被测颗粒不是静止不动的,而是在运动的,甚至运动速度很高。为得到清晰的颗粒图像,就要“冻结”运动颗粒的影像,这就要求图像的曝光时间要与被测颗粒的运动速度相匹配。对于高速运动的颗粒,要求的曝光时间要短,低速的可以稍长。 曝光时间还与拍摄图像时所用镜头的放大倍率有关,放大倍率大,要求的曝光时间就短,放大倍率小,曝光时间就可以长一些。 曝光时间可以由相机的快门控制,也可以由光源的脉冲宽度控制。目前工业相机的电子快门时间最短可以到1微秒,而作为照明光源的脉冲激光的脉冲宽度可以达到几个纳秒。曝光时间越短,需要的光源强度就越大,这就给光源提出了高的要求。工业相机的电子快门分成滚动快门(rolling shutter)和全局快门(global shutter)2类。为保证曝光时运动颗粒图像不发生畸变,在图像法在线测量中必须采用全局快门

作为在线测量,图像法装置不能像显微镜那样通过更换不同放大倍率的显微物镜来适应不同大小颗粒的测量,这就希望像素尺寸尽量小,以得到高的图像分辨率。通常,滚动快门的CMOS的像素小于全局快门,目前滚动快门的CMOS的最小像素已达到1.5微米,而全局快门的最小的像素是3.8微米。

在图像法测量中,相机镜头是关键的设备。图像法能进行在线颗粒测量,很大程度上是依赖于远心镜头的发明和发展。用相机拍摄物体,通常图像存在远小近大的现象。而在线测量不能控制被测颗粒一定会处于镜头的焦平面位置,这就会造成颗粒的影像大小与颗粒的真实尺寸不同。远心镜头的出现,很好解决了这个问题。被测颗粒处于不同位置时,远心镜头获得的颗粒图像大小并不会随位置变化而变化。这就使得图像法可以用于颗粒的在线测量。远心镜头有定倍率和工作距离,以及可变放大倍率和工作距离2类,可以根据需要采用其中一种。

在图像法在线测量中最大问题是被测颗粒不仅存在于测量区中,有些还处于离焦位置,颗粒图像是不清晰的。下图中就同时存在清晰颗粒、离焦程度不大和离焦尺度大的模糊颗粒影像。对于离焦颗粒图像,可以有2种处理方法,对于离焦程度大的模糊影像,直接剔除,不予处理。对于离焦程度不大的模糊图像,可以采用图像处理算法来恢复,得到颗粒的粒度。

在图像法在线测量中,一般都需要用取样装置将被测粉体样品从生产工业管路中去出,在取样时,必须采取措施防止颗粒样品发生团聚,如用无油无水的压缩空气分散样品颗粒。下面3个图给出了在在线测量取样中没有对颗粒采取分散措施,分散不足和充分分散后的颗粒图像。可以明显看出充分分散的重要性。

图像4.png

图像法在线测量不仅可以给出被测颗粒的粒度,还可以得到被测颗粒的形貌参数,这是其它颗粒测量方法不能做到的。

图像法与RGB三波段消光法融合在线测量

受光学原理和硬件的限制,图像法在线测量下限一般在2-3微米。但在工业过程中存在着大量亚微米颗粒中同时存在有少量较大颗粒,并都需要测量其粒度的情况。这时可以将图像法与多波长消光法相结合,用图像法测量较大颗粒的粒度,而用多波长消光法测量亚微米颗粒的粒度

彩色相机中的CMOS传感器可以认为是RGB三个波段光探测器件,当采用白光作为光源,对获得的图像可以分别用图像处理算法处理其中的大颗粒影像,用多波长消光法处理背景图像中的RGB信息来分别获得大颗粒和亚微米颗粒的粒度。如下图是用彩色相机获得的高速流动中的湿蒸汽两相流图像,其中高速流动的较大水滴的轨迹宽度对应其粒度,而长度对应其速度,背景是较高浓度的小水滴,无法用图像识别。此时,可以分别对如圆圈中的大水滴影像用图像处理算法处理,得到其粒度和速度,而对矩形框内的亚微米颗粒用RGB三波段消光法进行数据处理,得到小水滴的粒度及分布。

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同时存在大小颗粒的图像

图像法与后向光散射融合测量大气颗粒和排放烟尘浓度

图像法不仅可以测量成像的颗粒的粒度,还可以与光散射结合测量无法成像的大气中气溶胶颗粒的浓度和排放烟尘的浓度。气溶胶是空气中悬浮颗粒与大气构成的体系,悬浮颗粒包括固体颗粒,液体颗粒,生物颗粒等。由于气溶胶颗粒粒度很小,受气流和布朗运动的作用,会在大气中长时间扩散传播,PM2.5就属于气溶胶范畴。下图分别是室内和大空间悬浮的气溶胶颗粒在激光照射下的散射光。该散射光强与悬浮颗粒的粒度、浓度和测量散射角度有关。用相机作为传感器,将相机聚焦于激光照射的要测量区域,得到气溶胶后向散射强度后,用米散射理论和相关数学模型进行数据处理,可以得到空间的气溶胶浓度。该方法可以用于烟囱排放烟尘浓度的远距离遥测。如果同时用多个波长的激光进行测量,还可能可以得到悬浮颗粒的平均粒度和分布。

图像6.png

蔡小舒_.jpg者简介:曾任中国颗粒学会、中国计量测试学会、中国工程热物理学会、中国动力工程学会、上海颗粒学会等学术组织的副理事长、常务理事、理事、理事长等,是《Proceedings of IMechE Part A: Journal of Power and Energy》、《Particuology》、《KONA Powder and Particle Journal》、《Frontiers in Energy》等SCI刊物和一些国内学术刊物的编委,多个国际学术会议的名誉主席,主席等。

[来源:仪器信息网]  未经授权不得转载
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编辑: 李易明
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  • 好东西,能接受公众委托的样品进行数据检测吗?
    02月19日 09:10:38

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