一種采用藍(lán)光背光照明的燃燒顆粒多參數(shù)測量裝置及方法
【專利說明】
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及采用數(shù)字圖像手段的顆粒測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其是采用藍(lán)光背光照明的 燃燒顆粒多參數(shù)測量裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0003] 近年來隨著攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，圖像處理技術(shù)在顆粒和流場測量領(lǐng)域得 到很大的應(yīng)用。對于燃燒火焰整體而言，這種利用CCD或CMOS相機(jī)拍攝圖像的可視化技術(shù) 不僅可以直觀地觀察出火焰的結(jié)構(gòu)形態(tài)和運(yùn)動(dòng)特征，用高速相機(jī)分析火焰的閃爍特性以用 于火焰故障檢測，結(jié)合輻射測溫原理對火焰序列圖像進(jìn)行分析還可重建得出火焰溫度場。 上述測量一般利用火焰自身發(fā)光，采用彩色攝像機(jī)或黑白相機(jī)直接拍攝獲取燃燒火焰圖 像。但對實(shí)際火焰，尤其是煤粉火焰中燃燒顆粒的可視化多參數(shù)精細(xì)測量尚未見報(bào)道，而這 對于燃燒機(jī)理的發(fā)展和技術(shù)的提高無疑有著重要意義。
[0004] 通過CCD攝像機(jī)還可觀察煤粉顆粒的熱解、著火過程，利用可見光進(jìn)行背光成像 可得到燃燒顆粒圖像，計(jì)算顆粒粒度分布、速度與濃度場，還可計(jì)算碳黑輻射特性和濃度。
[0005] 由于燃燒顆粒的自身發(fā)光，若采用普通白光背光照明，則需要比火焰光強(qiáng)更高強(qiáng) 度的光源才能對顆粒成像，尤其當(dāng)顆粒運(yùn)動(dòng)速度越大時(shí)，清晰成像所需要的光強(qiáng)越高，普通 白光光源難以滿足該要求。而煤粉燃燒火焰光譜分析的相關(guān)研究表明，煤粉火焰的輻射光 譜主要集中在波長為550nm以上的可見光和紅外波段，說明藍(lán)光(包括藍(lán)紫光）部分的輻射 極少，基本可以忽略。因此本發(fā)明提出采用藍(lán)光背光照明，配合藍(lán)光帶通濾光片可采集到濾 除火焰發(fā)光后的顆粒陰影圖像，從而可以提取出顆粒的粒度和速度信息；同時(shí)若配合藍(lán)光 截止濾光片可采集到燃燒顆粒發(fā)光圖像（即火焰圖像）；本發(fā)明還提出同時(shí)獲得以上兩種圖 像的方法及裝置，實(shí)現(xiàn)同一視場內(nèi)火焰自發(fā)光信息和燃燒中運(yùn)行顆粒的投影信息的同時(shí)獲 取，為燃燒顆粒的參數(shù)測量提供了新的途徑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種采用藍(lán)光背光照明的燃燒顆粒多參數(shù)測量裝置及方法， 以解決圖像采集過程中火焰自發(fā)光與照明用背光相互干擾的技術(shù)問題，具有實(shí)施簡單、測 量方便、信息豐富的特點(diǎn)。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用技術(shù)方案如下： 一種采用藍(lán)光背光照明的燃燒顆粒多參數(shù)測量裝置，其特點(diǎn)是，該裝置包括藍(lán)光光源、 由鏡頭、分光鏡、藍(lán)光帶通濾光片、藍(lán)光截止濾光片、第一圖像傳感器、第二圖像傳感器組成 的相機(jī)和計(jì)算機(jī)；用藍(lán)光光源以背光的方式照明待測區(qū)域，分光棱鏡或平面分光鏡分光安 裝在鏡頭背后，第一鏡頭接收藍(lán)光光源發(fā)射的光束以及待測區(qū)域中被測顆粒散射的光束， 分光棱鏡或平面分光鏡將進(jìn)入第一鏡頭的光分成光譜成分和強(qiáng)度相同的兩束分光，一束分 光經(jīng)藍(lán)光帶通濾光片濾過后被第一圖像傳感器接收，另一束分光經(jīng)藍(lán)光截止濾光片濾過后 被第二圖像傳感器接收，第一圖像傳感器和第二圖像傳感器將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電視 信號(hào)通過同軸電纜傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。
[0008] 所述的藍(lán)光帶通濾光片和藍(lán)光截止濾光片以鍍膜方式鍍在分光棱鏡的第一出射 面B和第二出射面C的表面上，所述的分光棱鏡、藍(lán)光帶通濾光片和藍(lán)光截止濾光片構(gòu)成一 個(gè)整體。
[0009] 所述的藍(lán)光帶通濾光片和藍(lán)光截止濾光片分別和第一圖像傳感器和第二圖像傳 感器的前面相固接。
[0010] 所述的第一圖像傳感器和第二圖像傳感器的前面分別置有第一鏡頭和第二鏡頭 構(gòu)成雙鏡頭系統(tǒng)。
[0011] 所述的第一圖像傳感器和第二圖像傳感器選用同樣的C⑶或CMOS器件。
[0012] 所述的鏡頭為遠(yuǎn)心或非遠(yuǎn)心鏡頭，單個(gè)透鏡或透鏡組合。
[0013] -種應(yīng)用上述裝置的采用藍(lán)光背光照明的燃燒顆粒多參數(shù)測量方法，其特征在 于，該方法包括以下步驟： 1) 測量開始前先用透明標(biāo)定物對測量裝置進(jìn)行標(biāo)定，獲得鏡頭的實(shí)際工作距離以及像 素所代表的實(shí)際尺寸； 2) 采用藍(lán)光光源以背光方式照明待測區(qū)域，調(diào)整背光光源位置、照明角度和強(qiáng)度，使背 景光均勾； 3) 將分光鏡置于第一鏡頭后，分光鏡能把進(jìn)入鏡頭的光分成兩束，對兩束光分別用藍(lán) 光帶通濾光片和藍(lán)光截止濾光片進(jìn)行濾光，分別允許特定波段的光透過并采用CCD或CMOS 的第一圖像傳感器和第二圖像傳感器成像，由于兩個(gè)圖像傳感器與鏡頭的光程距離相同， 即保證拍攝到的視場完全相同； 4) 根據(jù)測量要求調(diào)節(jié)相機(jī)的曝光時(shí)間，減少成像時(shí)運(yùn)動(dòng)顆粒軌跡重疊或黏合的情況； 5) 使待測顆粒著火，對待測流場區(qū)域中的顆粒進(jìn)行拍攝，并將采集的圖像輸入計(jì)算機(jī) 進(jìn)行處理； 6) 獲取的顆粒陰影圖像在圖形處理軟件MATLAB程序中經(jīng)灰度變換、濾波去噪、形態(tài) 學(xué)、區(qū)域分割、閾值變換，轉(zhuǎn)化為二值圖像，利用圖像測量系統(tǒng)的幀率、像元尺寸、曝光時(shí)間 參數(shù)，對顆粒的粒徑、速度進(jìn)行測量； 7) 對獲取的燃燒發(fā)光圖像通過結(jié)合黑體爐標(biāo)定試驗(yàn)及比色測溫法，利用火焰輻射光強(qiáng) 與圖像亮度的關(guān)系，在MATLAB等程序中計(jì)算得到測量區(qū)域的火焰溫度場。
[0014] 其中，藍(lán)光光源是指中心波長在420nm至490nm范圍內(nèi)的藍(lán)光，可以是LED、氙燈、 激光等任何形式光源。
[0015] 其中，背光方式是指采用從背后的方式進(jìn)行照射。
[0016] 其中，藍(lán)光帶通濾光片是對應(yīng)照明光源光譜的窄帶或?qū)拵V光片。藍(lán)光截止濾光 片是濾掉照明光源光譜所在波段的短波截止濾光片。
[0017] 其中，分光鏡是指將一束光分成兩束的立體型或平面型分束鏡。
[0018] 其中，濾光片可以鍍膜方式鍍在分光鏡的第一出射面或第二出射面構(gòu)成一個(gè)整 體，可以是獨(dú)立安裝在圖像傳感器與分光鏡之間，所述的藍(lán)光帶通濾光片和藍(lán)光截止濾光 片分別和第一圖像傳感器和第二圖像傳感器的前面相固接，可以是直接以螺紋連接或其他 方式安裝在圖像傳感器前。
[0019] 其中，第一和第二圖像傳感器可以是C⑶或CMOS器件，鏡頭可以是遠(yuǎn)心或非遠(yuǎn)心 鏡頭。
[0020] 其中，待測顆粒可以是燃燒發(fā)光的顆粒，也可以是自發(fā)光的熒光顆粒。
[0021] 其中，光源顏色及波段可以根據(jù)待測顆粒的發(fā)光范圍進(jìn)行調(diào)整，即采用波長不在 顆粒發(fā)光波段范圍內(nèi)、而又在圖像傳感器響應(yīng)波段范圍內(nèi)的光源。
[0022] 本發(fā)明的有益效果是用藍(lán)光背光配合分光鏡以及不同濾光片的方式，就能實(shí)現(xiàn)同 時(shí)進(jìn)行燃燒顆粒流場中同一視場內(nèi)運(yùn)動(dòng)顆粒投影與發(fā)光圖像的采集與處理，不僅簡化了繁 瑣重復(fù)的測量程序，且在采集顆粒信息的同時(shí)也能避免燃燒火焰發(fā)光的影響，豐富和深化 了測量參數(shù)，對顆粒尤其是煤粉顆粒燃燒過程的機(jī)理研究提供了新的方法和途徑。
【附圖說明】
[0023] 為清楚說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例中所需使用的附圖作簡單 介紹。
[0024] 圖1為本發(fā)明所述方法的流程圖； 圖2為本發(fā)明實(shí)施例1示意圖； 圖3為本發(fā)明實(shí)施例2示意圖； 圖4為本發(fā)明實(shí)施例3示意圖； 圖5為本發(fā)明實(shí)施例4示意圖； 圖6為本發(fā)明實(shí)施例5示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述。
[0026] 實(shí)施例1 : 如圖2所不，該裝置包括藍(lán)光光源1、由鏡頭2、分光鏡3用分光棱鏡、藍(lán)光帶通濾光片 4、藍(lán)光截止濾光片5、第一圖像傳感器6、第二圖像傳感器7組成的相機(jī)和計(jì)算機(jī)8 ;用藍(lán)光 光源1以背光的方式照明待測區(qū)域11，分光棱鏡3安裝在第一鏡頭2背后，第一鏡頭2接 收藍(lán)光光源1發(fā)射的光束以及待測區(qū)域11中被測顆粒散射的光束，分光鏡3將進(jìn)入第一鏡 頭2的光分成光譜成分和強(qiáng)度相同的兩束分光，一束分光經(jīng)藍(lán)光帶通濾光片4濾過后被第 一圖像傳感器6接收，另一束分光經(jīng)藍(lán)光截止濾光片5濾過后被第二圖像傳感器7接收，第 一圖像傳感器6和第二圖像傳感器7將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電視信號(hào)通過同軸電纜傳輸 到計(jì)算機(jī)8。
[0027] 如圖1所示，所述的采用上述裝置的藍(lán)光背光照明的燃燒過程中煤粉顆粒