（光学工程专业论文）工业喷嘴喷雾特性测试系统研究与设计.pdf

摘要 喷嘴在冶金、钢铁、石油化工、制药、环保等众多领域有着广泛的应用。因 此对喷雾性能参数的测试显得格外重要。其中喷雾的角度和积水量分布是喷雾性 能的两个很重要的参数。 本文首先介绍了一种基于数字图像处理的非接触工业喷头喷雾角度测量的 系统。叙述了该系统硬件和软件的实现方法，对原系统进行了改进。并利用v i s u a l c + + 实现了喷雾角度测量软件的编写与调试。最后从图像处理和数据处理的角度 分析了系统中存在的误差，提出了相应的解决办法，并通过实验验证，提高了系 统的精度和重复性。 其次，本文提出了一种喷雾积水量分布测试系统，即使用超声波液位传感器 对测量点进行扫描的方法进行积水量分布测试。介绍了相关原理，并对系统进行 了总体设计。完成了系统信号发射和接收端的设计，选择了合适的超声波液位传 感器和数据采集卡，编写了数据采集程序。最后对超声波传感器作了标定，并通 过实验提出了传感器存在的问题及其解决方案； 本文完成的主要工作： 1 改进了喷雾角度测量系统，选择了合适的图像采集卡，编写了测量系 统软件，将其与粒度仪测量系统软件集成在一个界面中： 2 进行了喷雾角度测量系统的误差分析，优化了系统的性能； 3 完成了喷雾积水量分布测试系统的总体设计，并选择了适合本系统的 超声波液位传感器和数据采集卡； 4 完成了喷雾积水量分布测试系统软件部分的数据采集程序的设计； 5 进行了超声波液位传感器的调试与标定实验。 关键词：喷嘴喷雾角度积水量分布图象处理超声波 a bs t r a c t n o w a d a y s ，t h en o z z l e sh a v eb e e nw i d e l yu s e di n i n d u s t r i e ss u c ha st h e m e t a l l u r g yi n d u s t r y , t h es t e e li n d u s t r y , t h ep e t r o c h e m i c a li n d u s t r y ，m e d i c i n ea n ds oo n t h u st h em e t h o d st om e a s u r et h ek i n d so fc h a r a c t e r i s t i c so ft h en o z z l e sw i l lb ev e r y i m p o r t a n t t h ea n g l eo ft h es p r a ya n dt h ed i s t r i b u t i o no ft h es p r a yw a t e ra r et w o s i g n i f i c a n tf a c t o r st h a ta f f e c tt h ep e r f o r m a n c e so ft h en o z z l e s f i r s t l y t h i sp a p e ri n t r o d u c e das p r a ya n g l em e a s u r i n gs y s t e mo fi n d u s t r i a l n o z z l e s ，w h o s ep r i n c i p l eb a s e do ni m a g ep r o c e s s i n ga n du s - t o u c hm e a s u r e m e n t t e c h n i q u e a f t e ri m p r o v i n gt h es y s t e ms t r u c t u r ei nt h ea s p e c to fh a r d w a r ea n d s o f t w a r e ，w ep r o g r a m m e dt h es o f t w a r ef o rt h es p r a ya n g l em e a s u r i n gs y s t e mw i t h v i s u a lc h f i n a l l y , w ea n a l y z e dt h ee r r o r so c c u r r e di nt h i ss y s t e m ，a n dt h e ng a v et h e m e t h o d st om i n i m i z et h es y s t e me l l ? o r si nt e r m so fi m a g ep r o c e s s i n ga n dd a t a p r o c e s s i n g a n dw i t ht h ea c t u a le x p e r i m e n t s ，t h eo p t i m i z e ds y s t e m g a i n e dh i g h e r p r e c i s i o na n dr e p e a t a b i l i t y s e c o n d l y , t h i sp a p e rp r o p o s e da n e wt y p eo fs y s t e mf o rm e a s u r i n gt h ed i s t r i b u t i o n o fs p r a yw a t e r , w h i c hu s e st h eu l t r a s o n i cl i q u i dl e v e lt r a n s d u c e rw i t hs c a n n i n gs y s t e m t oa c h i e v et h ed i s t r i b u t i o n a f t e ri n t r o d u c i n gt h er e l a t i v en o t i o n sa n dp r i n c i p l e s ，w e d e s i g n e dt h ew h o l es y s t e m t h e nw ef i n i s h e dt h ed e s i g no fs i g n a le m i s s i o na n d r e c e i v i n gc e l lb yc h o o s i n gt h ep r o p e ru l t r a s o n i cl i q u i dl e v e lw a n s d u c e ra n dt h ed a t a c a p t u r ec a r d f i n a l l y , 埘也t h es e l f - p r o g r a m m e dc a p t u r ep r o g r a m ，w ec a l i b r a t e dt h e u l t r a s o n i cl i q u i dl e v e lt r a n s d u c e r , d i s c o v e r e ds o m ep r o b l e m se x i s t i n gi nt h es e n s o r a n ds u g g e s t e dt h ec o r r e s p o n d i n gn o v e lw a y st os o l v e t h e s ep r o b l e m s t h em a i nw o r k si n c l u d e ： 1 i m p r o v i n gt h es p r a ya n g l em e a s u r i n gs y s t e m ，c h o o s i n gt h ep r o p e rv i d e o c a p t u r ec a r d ，p r o g r a m m i n gt h es o f t w a r ef o r t h es p r a ya n g l em e a s u r i n g s y s t e m ，a n di n t e g r a t i n gi tw i t ht h el s a s o f t w a r ei no n ei n t e r f a c e ； 2 a n a l y z i n gt h ee r r o r so c c u r r e di nt h es p r a ya n g l em e a s u r i n gs y s t e m ，a n d o p t i m i z i n gt h es y s t e m ； 3 d e s i g n i n gan e wt y p eo f s y s t e mf o rm e a s u r i n gt h ed i s t r i b u t i o no f t h es p r a y w a t e r , c h o o s i n gt h ep r o p e ru l t r a s o n i cl i q u i dl e v e lt r a n s d u c e ra n dt h ed a t a c a p t u r ec a r d ； 4 p r o g r a m m i n gt h ec a p t u r ep r o g r a mf o rt h ed i s t r i b u t i o no fw a t e rm e a s u r i n g s y s t e m ； 5 c a l i b r a t i n gt h eu l t r a s o n i cl i q u i dl e v e lt r a n s d u c e r k e yw o r d s ：n o z z l e ，s p r a ya n g l e ，d i s t r i b u t i o no fs p r a yw a t e r , i m a g e p r o c e s s i n g ，u l t r a s o n i c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和驳得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤注盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在沦文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 钼免 签字日期： 口门 年莎月f ，r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权歪鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 钳巍 导师签名： 珈昏 签字r 期：2 7 0 年多月f9f l签字f l 期：n 刁年6 月f i 第一章绪论 1 1 喷雾性能检测的意义 第一章绪论 1 1 1 喷嘴的用途 喷嘴的应用【l 巧艮广，就像半导体被称为产业界的“米”一般，喷嘴可以说是 产业界的“调味料”。举凡食品，铸造，化学，汽车，电器，电子，半导体，造 纸，印刷，环保，发电，水处理，精密机械等，从工业到农业，及民用、娱乐等 领域，可以说到处都存在喷嘴的影子。 比如在钢铁生产中，喷嘴是必不可少的。轧辊是轧制生产中最主要的变形工 具，产品的最终性能( 形状，表面质量，性能等) 都是由轧辊来保证的。在轧制过 程中，轧辊在很高的温度和压力下工作，承受很大的应力，磨损非常严重。用合 适的喷嘴，在适当的位置，对轧辊进行均匀冷却可以大大提高轧辊的使用寿命。 板型控制是现代板带钢轧制技术之一。c v c 技术，轧辊轴向窜动，液压弯辊等， 都是用于控制带钢的板型。这些技术的基础是要保证轧辊具有相对稳定的辊型， 而高质量的喷嘴对保证轧辊的辊型极其重要。另外，在连铸工艺中，喷嘴是连铸 机二冷系统最主要的执行元件，在很大程度上决定了铸机的性能，铸坯质量水平 和设备维护程度。因而，喷嘴的选择至关重要。板坯连铸机早期的板坯连铸机二 冷全部采用水喷嘴。目前大多数板坯连铸机采用水喷嘴+ 气水雾化喷嘴。 同时，随着中国钢产量和品种质量的不断提高，钢铁厂的环保已经越来越受 到高度重视。环保意识提高和严格执法管理后，需要的就是投资少，运行可靠且 费用低，维修简便的技术。用喷嘴喷雾除尘就是这样的技术。 此外，在其他各个行业，喷嘴也有着广泛的应用，比如在金属制品的预处理、 机械设计与工程技术、纸浆与造纸、环境保护、表面处理、防灾、润滑、清洗、 杀菌消毒以及喷涂涂层等领域都是必不可少的，可以说，喷嘴已经渗透到了我们 生产和生活的方方面面了。 1 1 2 喷嘴的基本构造及喷雾形状 由于喷嘴是按不同喷雾条件下的工作而设定的，因此根据需要选择正确的喷 雾形状是十分重要的。 简单来说，喷嘴的基本构造可以分为单靠液压喷雾的“单流体”及液体和气 体混合的“二流体”两种。喷雾的基本形状则为扇形，实心锥形，空心锥形，液 第一章绪论 柱流四种。 不同的喷嘴构造和形状对于喷雾的性能有着很大的影响，使用哪种方式对于 得到理想的喷雾效果是很重要的下面讨论一下影响喷雾性能的一些因素。 1 1 3 喷嘴喷雾性能特性 翻b 图1 - 1 喷雾的基本形状 喷雾液柬的形态、发散度、雾化角和贯穿距离统称为喷雾特性p n 。在太多数 实际应用中喷雾滚束形态的对称性是重要的参数。非对称液束削弱了液体破裂 的效率，使雾化质量变差。另外波束的对称和均匀在印染行业和燃烧装置中也非 常重要。而关于这种对称性和均匀性的测试就涉及到喷雾积东量分布特性的测 试。 喷雾的广义特性包括两个方面：常规喷嘴性能及雾化质量。 1 常规喷嘴性能 f 1 ) 流量特性：即喷嘴的容积( 或重量) 流量随供压而变化。对介质雾化喷 嘴还应包括介质流量，它决定气液比进而影响雾化质量。 f 2 ) 喷嘴雾化角：根据不同场合有不同的定义，详见2 - 1 1 。 竺豢=三一 第一章绪论 ( 3 ) 单个喷嘴的喷雾周向不均匀度：即喷雾的积水量分布，详见4 1 一l 。 ( 4 ) 其它特性：喷射速度，喷雾对表面的冲击力，总冲击力等。 2 雾滴尺寸【4 1 ( 1 ) 单一颗粒的粒径 颗粒的大小用其在空间范围所占的线性尺寸表示。球形颗粒的直径就是其粒 径。对于非球形颗粒，其粒径的常用定义有以下几种表示方法： 1 ) 筛分粒径：由筛分所测得的颗粒尺寸； 2 ) 球当量径：实际颗粒与球形颗粒的某种性质相类比所得到的粒径，如体积 球当量径，等表面积球当量径，s t o k e s 径： 3 ) n 当量径：颗粒的投影图与圆的某种性质相类比所得到的粒径： 4 ) 定向径：显微镜下平行与一定方向测得的颗粒尺寸，女i f e r e t 径，m a r t i n 径。 ( 2 ) 颗粒群的平均粒径 颗粒群的平均粒径通常用统计的方法来计算。假定颗粒群按粒径大小可分为 若干粒级，其中第j 级的粒径为以，颗粒数为西，则平均粒径可用统一公式表 示如下： 。( 瓷厂 m ， 式中i l l 和n 为表征不同平均直径的特征数，不同平均粒径表示如下： 算术平均粒径：( 即m = l ，n = o ) f 1 0 = 乙 i t i u i 表面积平均粒径( s a u t e r 平均粒径) ：( 即m = 3 ，n ：2 ) 体积平均粒径：( 即m = 4 ，n = 3 ) ( 3 ) 粒径分布 矗一_ 印 如2 错z j j 一 一一_ 矸 九5 错二一一1 ( 1 - 2 ) ( 1 - 3 ) ( 1 - 4 ) 第一章绪论 粒径分布用相对百分率曲线( 频率曲线) 及累积百分率曲线来表示。分布的跨 度( 径距) ，描述了分布的宽度。分布越窄，范围越小。 此外，粒径分布也可用特性函数来表示，如对数正态分布函数、r o s i n r a m m l e r 分布函数( 俗称r r 分布) 、g a u d i n - - s c h u h m a n 分布函数等。 在过去的2 0 年中，喷雾科学与技术有了长足的发展，应用领域不断扩大。 目前，喷雾学及相关的检测技术已经成为国际性的研究领域。其发展主要表现在 喷雾数学模型的进展、数值计算分析的不断完善和光学测试积水量的改进与开 发。 1 2 国内外发展动态 目前对于喷雾液滴尺寸的测试发展得最为迅速和全面。自1 9 7 6 年j s w i t h e n b a n k 等人首次基于夫琅和费衍射理论，用1 5 单元的环探测器成功实现了 粒度的激光测型5 】开始，其后出现了多波长光散射法【6 】、动态光散射澍7 】、光透 消光法【6 】、激光断层法【8 】和联合变换相关法【8 】等光学测量方法。目前应用最广泛 的是基于粒子的m i e 散射和夫琅和费原理的激光粒度仪。 上世纪7 0 年代后期，英国m a l v e m 公司采用j s w i t h e n b a n k 的激光衍射方法研 制出的激光粒度仪产品，奠定了其在国际上的领先地位，此外美国库尔特公司、 日本的岛津公司、清新公司，德国的飞驰公司也生产激光粒度仪产品。在粒度测 试方面，国内有上海机械学院，山东建材学院，丹东仪表研究所等单位也进行了 激光粒度仪技术的研究。基于这些研究单位的成果，目前有珠海欧美克、丹东百 特、济南微纳等公司生产激光粒度仪产品【9 - l o l 。 除此之外，s p r a y i n gs y s t e m s 公司是世界领先的喷雾喷嘴和附件制造商。早 在上世纪6 0 年代，该公司就已经开发出了能够测量分析喷头参数的系统。随后三 十年间，该公司又利用光的散射等现象开发出了更新更精确的测试仪器。最近， 其又开发了a u t o j e t 自动喷雾系统，它不仅能满足喷嘴的基本工程需求，而且还 能够通过其自带的2 2 5 0 控制器精确控制各种喷雾参数，精确度高于一般p l c ，并 且s p r a yl o g i c 软件确保控制器可靠监控和调节诸如喷雾形状，流量，喷雾颗粒，液 体和气体压力等各种参数。同时，台湾的s p r a ys y s t e m s 公司根据m i e 氏理论的激光 散射方式、加上位相多普勒方式、不必接触粒子而能高精度地计算出喷雾粒子径 及粒子速度。 另外，德国l a v i s i o n 1 l 】公司在这方面也做了很多工作，他们的产品主要是基 于c c d 光学检测系统的测试装置，其中就包括喷雾检测装置s p m y m a s t e r s y s t e m s ，如图1 2 所示。它能够铡量喷雾的很多性能，其中包括喷雾的角度，液 粒的大小及分布，喷雾形式的瞬间变化，液体或气雾的相移等等。 4 第一章绪论 图卜2s p r a y m a s t e r 系统 而对于喷雾其它性能指标的测试，成型的系统相对较少。鞍山太阳仪表阀门 有限公司“4 与清华大学工程力学系流体动力与控制研究中心联合开发的喷雾检 测中心。主要有高压喷嘴打击力分布测试、喷嘴总冲击力测试、喷嘴承量分布测 试、雾化粒度测试等。其中高压喷嘴打击力分布测试、喷嘴总冲击力测试、喷嘴 水量分布测试主要是通过力传感器对所需信息进行采集来达到澍试的目的。而其 中雾化粒度测试是采用本课题组的l s 型激光喷雾粒度测量仪器。 1 3 本文研究内容与意义 经过多年的研究与发展，激光粒度仪已经成为本课题组非常成熟的一项季 研 成果。本着功能多样他系统集成化的目的，本文着重论述了喷雾角度测量系统 和喷雾积水量分布测试系统的基本原理和实现过程。实现了一套非接触实时在线 喷雾角度测量系统，提高了系统的精度和重复性。并设计了新型的喷雾积水量分 布测试系统，论证了系统的可行性。利用本文所设计的系统可阻给出喷雾的角度 参数和积水量分布参数，这为喷嘴技术人员提供了设计喷嘴和选择喷嘴的依据。 本文主要分两个都分，分别介绍了喷雾角度测量系统和新型喷雾积水量分布 测试系统。主要内容如下： 第一章介绍了喷嘴的用途和基本形状，国内外相关测试技术的发展动态，并 介绍了本论文的研究内容与意义； 第二章给出了喷雾角度的定义，介绍了喷雾角度测量系统，并对其进行了改 进，选择了合适的图像采集卡编写了测量系统软件将其与粒度仪测量系统软 件集成在一个界面中； 肾妙盘 一 第一章绪论 第三章对该系统进行了现场测试。分析了系统中存在的误差，并提出了相应 的解决方法。最后通过实验验证，提高了系统的精度和重复性； 第四章首先介绍了与新型喷雾积水量分布测试系统的相关原理与概念。对系 统进行了总体设计，并完成了系统信号发射与接收端的设计，为后续系统的扫描 机构的设计和搭建奠定了基础； 第五章完成了对超声波液位传感器的标定及相关实验； 第六章总结了本课题所做的工作，并结合研究的实际状况和体会对今后的工 作提出了几点建议。 6 第二章喷雾角度测量系统的研究与改进 第二章喷雾角度测量系统的研究与改进 喷雾的角度对于喷嘴是一项非常重要的性能指标。本章引出喷雾角度的相关 原理和概念，介绍了喷雾角度测量系统。并根据系统的技术要求在硬件和软件方 面对系统进行了改进，选择了合适图像采集卡。最后通过选择合适的图像处理和 数据处理算法，编写了喷雾角度测量系统软件，并将其与激光粒度仪测量系统的 软件集成到一个界面之下。 2 1 工业喷嘴喷雾角度测量系统简介 2 1 1 喷雾角度的定义 由于从喷嘴喷射出的雾化角及雾化形状受外界因素的影响较大，如喷射压力 和风速等。因此，喷雾图像不是很规则，边缘往往不是直线，因而对喷雾角的计 算国家尚无统一的标准。现有的雾化角定义【1 3 】有以下几种。 1 出口雾化角 可将出口雾化角【1 4 l 看作喷嘴雾化角的一种近似表示方法，如图2 1 所示，在 喷嘴的出口做雾化边界的切线，两根切线的夹角a 即为出口雾化角。 2 条件雾化角 第二章喷雾角度测量系统的研究与改进 如图2 2 所示，在离喷嘴一定距离h 处，作一条垂直于雾化中心线的垂线， 或以喷嘴出口中心为圆心作一圆弧，其与喷雾边界有两个交点，将这两点和喷嘴 中心相连，两连线的夹角即为条件雾化角。在距离喷嘴hm m 处测得的条件雾化 角用0 【h 表示。 3 根据射流边界有明显直线部分测定雾化角 如图2 3 所示【l5 1 ，喷头喷出的射流往往是不规则的图形。在射流边缘，找到 有明显界线的直线部分，作其切线，两侧射流直线部分切线的夹角即为雾化角。 很显然，要找到射流边界的直线部分很困难。但是如果通过图象处理的方法找到 喷雾的图像边界，并对其进行直线拟合，那么对其计算将变得比较容易，这也是 本系统所采用的方法。 f 、j喷嘴 j ， 、 名 v l 弋 ? | ! ，7f 喷雾 、 、 。| 、 图2 3根据射流边界有明显直线部分测定雾化角示意图 第二章喷雾角度测量系统的研究与改进 2 1 2 测量系统的技术要求 根据本系统的特点，及喷嘴雾化角的定义和技术要求，本系统的技术参数主 要有：测量范围，精度，测量位置。 首先，对于该系统所能测量的喷雾角度范围，根据实际应用中的情况，我们 给出3 0 0 1 2 0 0 。因为一般喷嘴的喷雾角度是不会超过这个范围的。 根据国标g b 5 1 3 5 3 - - 2 0 0 3 自动喷水灭火系统的要求，水雾喷头雾化角应满 足下列规定：4 5 。5 6 、6 0 。5 。、9 0 。5 。、1 2 0 。1 0 。其它规格的水 雾喷头，当雾化角小于1 0 0 。时，雾化角允差为5 。，雾化角大于等于1 0 0 。时， 雾化角允差为l o 。因此我们的系统精度确定为s 5 。，这将满足大部分场合 的测试要求。 对于测量位置，由于各种喷雾的雾化范围不尽相同，且由于我们的系统采用 的是非接触测量的方法，因此我们测量位置非常灵活，并不是必须固定于某一位 置。但在实际测量中发现，当c c d 摄像机位于喷雾中心1 8 m - - 2 m 时，测量效 果最好，因此我们建议的测量位置为1 8 m - 2 m 。 2 1 3 喷雾角度测量系统的系统框图 如图2 - 4 所示为本系统的原理框图。喷雾在黑色背景下通过成像物镜将其图 像成像到c c d 上，然后连接于c c d 摄像机与计算机之间的图像采集卡将从c c d 得到的图像信息输入到计算机。最后由计算机处理得到的喷雾图像，并将其图像 实时显示在计算机屏幕上，并通过事先编写的计算程序，将喷雾的角度计算出来， 且显示在计算机屏幕或存入事先指定的文件，以供喷嘴技术人员后续分析使用。 在此我们可以看到，为了能够实现此套系统，我们需要选择合适的成像物镜、 c c d 摄像机以及图像采集卡来组成整套系统。同时我们还需要编写一套界面友 好的测量系统软件，其主要功能包括实时显示，计算角度，显示角度以及文件存 储操作。 图2 - 4 喷雾角度测量系统框图 9 第二章喷雾角度测量系统前研究与改进 2 2 喷雾角度测量系统的改进 2 2 1 原测量系统基本原理及系统组成 原系统【”惺2 0 0 0 年本课题组的张晓辉硕士开发设计的，是基于数字图像处 理的，非接触实时在线测量原理。由位于喷雾范围之外( 建议放在距喷雾中心 l8 - 2 m 外) 的c c d 摄像机采集喷雾图像，并通过图像采集卡将采集到的图像送 到计算机。随后由疃雾角度计算软件对所采集的图像进行处理，主要包括对图像 的预处理，二值化，提取边界，边界拟合，直至计算出喷雾角度。最后在计算机 上实时显示喷雾图像及其角度。 图2 - 5 唼雾角度测量系统实物图 喷雾角度测量系统由c c d 摄像机，图像采集卡，计算机爱黑色幕布组成。 图2 - 5 所示为实际测量系统。 c c d 摄像机i 仆1 为m i n t r o n 公司的m l v - 1 8 8 1 c b l 州。像面尺寸为：7 9 5 m m x 6 4 5 m m 。影像传感器：1 2 英寸。c c d 总像素7 9 5 ( 水平) x 5 9 截垂直x c c m 制 式) 8 1 1 ( 水平) x 5 0 8 ( 垂直) 皿i a 制式) 。如图2 石所示为c c d 摄像机实物图。 图2 - 6m t v - 1 8 8 1 c b 摄像机 第- s 喷雾角度测量系统的研究与改进 图像采集卡为北京丈恒图像1 9 9 1 年生产的基于i s a 总线的v i e w p s e u d o ( 型 号v p 3 2 ) 是具有四幅帧存的伪彩色显示型实时图像卡，容量4 5 1 2 5 1 2 8 ， 图像采集速度为2 5 帧秒，a d ，d a 转换速率1 0 m h z ，像素分辨率5 1 2 5 1 2 ， 2 5 6 灰度阶。如图2 - 7 所示为采集卡实物图。 图2 7v p 3 2 图像采集卡 镜头为日本生产的a v e n rs e 2 5 1 4 镜头。参数为f = 2 5 m m ，f = 14 - c ， 相面尺寸1 英寸。焦距和光圈均是可调的，完全可以满足我们实验的要求。根据 实际测试以及从光照度和景椿1 方面考虑，当f = 56 58 时，拍摄效果虽好。 如图2 - 8 为镜头实物图。 图2 - 8a v e n i r 镜头 另外，因为大部分喷雾为透明的液体，和空气的视觉对比度很低，为了提高 边界的分辨率，采用对喷雾进行照明，或对其背景进行处理以提高对比度。在本 系统中采用第二种方法，在与c c d 摄像机相对的喷雾另一侧放置黑色幕布，这 样不仅提高了喷雾对比度，降低了采用对其进行照明所带来的额外成本，且使用 方便。 由于原系统的图像采集卡是基于i s a 总线的对于一些新型号的计算机已无 法使用。因此戎们选择了新的图像采集卡对原系统进行了改进。 第二章喷雾角度测量系统的研究与改进 2 2 2 图像采集卡的选择 我们选择嘉恒中自公司生产的o k _ m c l 0 a 0 1 ，如图2 - 9 所示，以下是这种 采集卡的一些参数。 图2 - 9 o k _ m c l 0 a 图像采集卡 o km c l 0 a 卡是基于p c i 总线，采集彩色黑白信号的四路选一的采集卡。 对四路不同步的视频信号可以实现快速切换。是o k 系列的二代产品，是 o km c l 0 的改进型。该卡适用于工业监控和多媒体的压缩、处理等研究开发和 工程应用领域。o k _ m c l 0 a 卡的识别码为4 2 1 0 。 技术特点与指标： 可实时采集彩色视频信号： 四路复合视频和一路y c 视频选一输入，可快速切换； 视频输入为标准p a l 、n t s c 制信号； 亮度、对比度、色度、饱和度软件分别可调； 图像采集最大分辨率7 6 8 5 7 6 ； 硬件完成输入图像比例缩放； 具有硬件上下镜像反转功能； 支持r g b 3 2 、r g b 2 4 、r g b l 6 、r g b l 5 、r g b 8 、y u v 4 2 2 、黑白图 像g r a y s 等图像格式： 视频a d 为8 b 砥； 可采集单帧，间隔几帧，连续相邻帧的图像； 可具有视频同步脉冲输出( 选装功能) 。 相比原系统的图像采集卡，这种新型的基于p c i 总线的图像采集卡具有明显 的优势。结构更简单，体积更小图像采集最大分辨率7 6 8 5 7 6 要大于原系统 所用的v p 3 2 图像采集卡，这样就提高了所采集的喷雾图像的分辨率，从而提高 第二章喷雾角度测量系统的研究与改进 了系统的精度。另外这种新型的图像采集卡提供了大量的a p i 函数库，使得我们 对后续系统软件的编写更加容易和方便。 2 3 系统软件的设计与改进 2 3 1 软件的总体设计 如图2 - 1 0 所示为本系统软件的基本结构框图。首先计算机对采集卡发出采 集命令，将采集到的图象实时显示到计算机屏幕上。然后根据指令，计算机控制 采集卡将一幅或多幅图像存到预先设定好的内存中。随后，根据事先编写好的程 序对数据进行图像处理与数据处理。其中图象处理包括预处理( 去噪、平滑) 、 阈值分割、边界提取。最后经编写的计算程序对处理后的数据进行计算，得出喷 雾的角度，并显示在计算机屏幕上以便技术人员后续分析处理。 图2 1 0 喷雾角度测量系统软件框图 第二章喷雾角度测最系统的研究与改进 2 3 2 采集卡控制程序设计 根据本系统的要求，以及上节关于本系统软件的整体设计，我们对采集卡需 要进行如图2 11 所示控制： 。图2 1 1 采集卡控制程序框图 我们选用的o km c i o a 图象采集卡拥有大量的a p i 函数，程序中使用的主 要核心函数包括； o k o p e n b o a r d ( 1 0 n g 幸l l n d e x ) ； o k g e t a v a i l b u f f e r ( v o i d 木i p l i n e a r , d w o i d 宰d w s i z e ) ； o k l o c k b u f f e r ( h a n d l eh b o a r d ，d w o r dd w s i z e ，v o i d 书l p l m e a r ) ； o k s e t c a p m r e p a r a m ( h a n d l eh b o a r d ，w o r dw p a r a m , l o n g i p a r a t n ) ； o k s e t v i d e o p a r a m ( h a n d l eh 1 3 0 a r d , w o r dw p a r a m , l o n gi p a r a m ) ； o k c a p t u r e t o ( h a n d l eh b o a r d ，t a r g e td e s t ，l o n gs t a r t ，l p a r a ml e a r a m ) ： o k c a p t u r e t o s c r e e n ( h a n d l eh b o a r d ) ； 2 3 3 图象处理程序改进 图象处理程序中主要包括图像的预处理、阈值分割、边界提取，如图2 - 1 2 所示。 第二章喷雾角度测量系统的研究与改进 因为喷雾的特殊性，其图像的对比度不是很高，而且图像中会产生一些噪声。 这一点对整个系统测量精度影响很大，如果采用好的图像处理算法，则能够更精 确的提取出喷雾的边界，并对后续的数据处理带来便利，从而提高测量的精度。 首先对喷雾图像进行预处理。这里我们选用中值滤波，不仅噪声点得到一定 程度的抑制，而且边界信息也没有被破坏，处理效果如图2 1 3 ( a ) 所示。预处理 完成后，对图像进行阈值分割。阈值分割算法的选择对后续的处理很重要。在此， 图2 1 2图象处理程序框图 我们选择迭代阈值分割算法【2 卯，其基本思想为： 1 求出图象的最大灰度值和最小灰度值，分别记为z m a x 和z m 矾，令初始 阈值t o = ( z m a x + z m ) 2 ； 2 根据阈值t k ( t k 初始值为t o ) 将图象分割为前景和背景，分别求出两 者的平均灰度值z o 和z b ； 3 求出新阈值t k + l = ( z o + z b ) 2 ； 4 若t k = t k + 1 ，则所得即为阈值；否则转2 ，迭代计算。 除了迭代法以外，还有很多其它的阈值分割方法，但对于本系统来说，迭代 法计算量相对较小，速度较快，且其分割的效果令人满意，所以是不错的选择。 处理效果如图2 1 3 m ) 所示。 最后是图像边界提取算法的选择。原系统采用的是最普通( 若被检测点为黑 色像素，且其周围8 个点全为黑色像素，则认为该点为内部点，将其删除) 的边 界提取算法1 2 6 】，这样不仅不能够很准确的找到图像的边界，而且还会得到许多不 需要的杂散点，从而影响了后续的数据处理。如图2 1 3 ( c ) 所示。 目前有很多种边界提取的算法【2 7 1 ，如r o b e r t s 算子，s o b e l 算子，p r e w i t t 算 子，l a p l a c e 算子，c a n n y 算子【2 8 】等。因为这一步是整个系统中最为关键的一步， 我们选择检测效果较好的c a n n y 算子进行边界的提取。算法的实现主要包括5 第二章喷雾角度测最系统的研究与改进 个部分：图像滤波、计算图像梯度、抑制梯度非最太点、搜索边界的起点、跟踪 边界。处理效果如图2 1 3 ( 0 所示。 相比而言，c a n n y 算子有以下几点优势： ( 1 ) 低错误率，即蒲检的边缘像素少，且将非边缘点误判为边缘点的少； ( 2 ) 检测位置精度高，即检测出的边缘点位于真正的边界上； ( 3 ) 每个边缘点的响应是唯一的，即得到的边缘宽度为单像素。 囱声 ( c )( d ) 图2 1 3 喷雾图像处理及数据处理效果图 ( 曲中值滤波后的效果：彻迭代法闷值分割效果：( c ) 一般方法提取边界效果 ( d ) c a n n y 算子提取边界效果； 2 3 4 数据处理程序的设计 图像处理之后便要对边界点进行数据处理了。我们可阻看到经边界提取后的 图像有很多不利于计算的杂散点，因此原系统的计算精度受这些杂散点影响而不 高。在实际中，我们仅仅需要靠近喷嘴附近的数据进行拟合计算。因此我们要对 这些杂散点进行处理。首先经实验观察及后续的图像处理发现，从距图像上方的 h 4 ( h 为图像的高度) 至2 h 5 处为我们所感兴趣的区域，且此区域内的图像 的边界明显，杂散点少。因此我们在进行数据处理时只处理此部分的数据。使用 v i s u a l 时编写的具体程序如下： f o n ( y = 3 + n h e i 曲t 4 ；y n h e i g h t ；y f o r ( x - = 1 ) ；x n w i d t h ；x + + ) l p l m a g e t e m p y + n s a v e w i d t h + x 】= 2 5 5 ； 第二章喷雾角度测量系统的研究与改进 ) f o r ( y = o ；y 3 木n h e i g h t 5 ；y + + ) f o r ( x = 0 ；x n w i d t h ；x + + ) l p l m a g e t e m p y n s a v e w i d t h + x 】- 2 5 5 ； ) ) 其中n i - i e i g h t 、n w i d t h 分别为图像的高度和宽度，l p l m a g e t e m p 为图像数据 指针, n s a v e w i d t h 为图像每行所占据的象素数。经此处理后，仅仅剩下我们所感 兴趣的区域，其它部分都置成与背景相同的白象素。 2 3 5 角度计算程序的设计 图2 1 4 喷雾角度计算示意图 对于本系统，我们选用第三种关于喷嘴雾化角的计算方法，即利用有明显界 限的射流边界来计算喷雾的角度。如图2 1 4 所示，l 为喷嘴所在位置，2 为有明 显射流边界的喷雾边缘。a l 、a r 分别为图2 1 4 中2 所示的左右部分的直线的斜 率。 在对杂散点进行处理后，对此图像边缘数据进行统计，并利用最小二乘法【2 9 】 对其进行直线拟合，从而得到左右两条边界的斜率a l 、a r ，则喷雾的角度为： 第二章喷雾角度测量系统的研究与改进 d = 1 8 0 一a r c t g a l a r c t g ( _ 一d * ) d 图2 1 5 喷雾角度测量软件实豚效果图 如图2 - 1 5 为喷雾角度测量系统的实际效果图。图中可以看到我们的软件 可以在界面中实现同时实现喷雾的实时显示，处理效果的显示。以及计算喷雾的 角度。并且该软件被集成在檄光粒度仪测量系统的软件之中。 2 4 本章小结 本章首先给出喷雾角度的定义，介绍了原有的喷雾角度测量系统的基本原理 和基本结构。 随后分析了原系统中存在的问题，对原系统进行了改进。选择了嘉恒中自的 o km c l 0 a 作为本系统的新型图象采集卡。 最后我们对系统的软件进行了总体设计，并分荆从采集，图象处理，数据处 理和角度计算方面分别对程序的实现与改进进行了论述。编写了喷雾角度测量系 统软件，并将其与激光粒度仪铡量系统软件进行了集成，将它们集成到同一个界 面之中。 第三章喷雾角度测量系统的实验与误差分析 第三章喷雾角度测量系统的实验与误差分析 以上讨论了喷雾角度测量系统的基本原理，技术要求，系统结构。并分别从 硬件和软件方面论述了喷雾角度测量系统的实现方法和实现过程。最后完成了整 个系统的搭建。接下来的工作主要涉及本系统的实验和调试。 在系统运行正常，软件调试通过后，首先对系统进行了标定，然后我们在天 津市消防所对本系统的实际测试性能做了一些测试。并根据测试结果对系统进行 了调试和优化。最后分析了系统中存在的误差，并在图像处理和数据处理方面提 出了相应的解决方法。 3 1 喷雾角度测量系统实验 3 1 1 系统的标定 对于系统的标定，考虑到喷雾在c c d 摄像杌中的投影为一近似的三角形， 而c c d 对这个三角形的两条边的成像的正确与否关系着我们整个系统计算精度 的所在。因此，我们设计一个3 0 。1 2 0 。三角型模版组( 每隔1 0 。一个模版) 对系统进行标定。该模板由激光打印机打出。 0 9 6 5 0 9 6 0 o 9 5 5 0 。9 5 0 ：藉0 9 4 5 垛 _ 0 9 4 0 堂 o 9 3 5 o 9 3 0 0 9 2 5 o 9 2 0 角度。 图3 1喷雾角度系统标定时的修正系数拟合曲线 1 9 第三章喷雾角度测最系统的实验与误差分析 我们利用标定模版对系统进行标定，得我们如表3 1 所示的结果，我们对得 到的修正系数进行曲线拟合，得到如图3 1 所示的拟和结果。其中表明所拟合曲 线与实际观测数据间拟和的密切性的r 2 称为相关指数【3 0 1 ，这里求得相关指数r 2 - - 0 7 5 7 6 1 ，表明拟合结果令人满意。 表3 1 系统对标定模版的标定结果 模版实测角修正模版实测角 修正 角度度 系数 角度度 系数 3 0 。2 8 3 l o 0 9 4 48 0 。7 5 1 3 o 0 9 3 9 4 0 03 7 9 7 。 0 9 4 9 9 0 。8 4 4 2 。 0 9 3 8 5 0 4 4 6 7 9 。0 9 3 61 0 0 。9 4 5 7 6 0 9 4 6 6 0 。 5 6 3 5 。0 9 3 91 1 0 。1 0 4 2 。 0 9 4 8 7 0 。6 4 7 1 。0 9 2 41 2 0 。1 1 3 8 。 0 9 4 9 3 1 2 实际喷嘴实验验证 在对系统进行标定之后，我们对实际喷雾进行了测试。测试时所有喷嘴都工 作在压力0 3 5 m p a 下。其中实验一为摄像机距喷雾距离l = 1 9 0 c m ，摄像机中心 点距地面l1 2 c m ，喷嘴喷口位置距地面1 2 2 c m 。实验二为摄像机距喷雾距离l = 1 9 0 c m ，摄像机中心点距地面9 7 c m ，喷嘴喷1 2 1 位置距地面1 2 2 e r a 。在此条件下， 我们对其进行了测试，这里的所有测试都是在喷嘴雾型稳定后所测得的。 标称雾化角为6 0 。的喷嘴是在工作压力为0 3 5 m p a ，流量系数为k = 1 2 的情 况下测得。 标称雾化角为9 0 。的喷嘴是在工作压力为0 3 5 m p a ，流量系数为k = 1 6 的情 况下测得。 标称雾化角为1 2 0 。的喷嘴是在工作压力为0 3 5 m p a ，流量系数k = 2 1 的情 况下测得。 测试结果如表3 二2 所示，我们可以看到，经过标定后的系统在测量实际喷嘴 时实测值与