[发明专利]一种测量粒子粒径的方法

说明书

技术领域

本发明属于粒径光学测量技术领域，涉及的是测量流场粒子粒径的方法，特别是一种使用粒子图像速度场仪(PIV)拍摄流场粒子图像并利用粒子图像灰度差异测量粒径的方法。

背景技术

粒子粒径和速度分布的实验测量是流场显示及其定量分析研究的主要内容。粒子图像速度场仪PIV(Particle Image Velocimetry)融计算机图像处理与光学技术为一体，具有能测量研究空间全流场的瞬态速度和对流场干扰小的优点，成为流场测试和分析的一个非常有效的工具。但是，PIV技术无法用于粒子粒径测量以实现流场粒子粒径和速度分布的同时测量。为进一步拓展PIV系统的使用范围，满足测试需求，近年来，人们对如何利用PIV系统进行流场粒子粒径测量做了大量的研究。

利用PIV系统实现粒子粒径测量的最简单的方法就是处理由PIV系统获得的一次曝光的单幅粒子图像，得到图像上各个粒子像点包含的像素个数，作为粒子像点的面积，将粒子像点等效为圆形粒子像点，借助圆面积计算公式来获得图像上粒子的粒径信息。另外的方法是在CCD相机镜头前加装一个狭缝盘，利用非焦面成像获得粒子的干涉条纹，测量条纹间距以获得整个流场粒子粒径分布信息。

已有技术中，王喜世、廖光煊等在“A method of extending DPIV and its applicationin spray droplet size measurements”(《Chinese Science Bulletin》，Vol.47 NO.12 June2002)一文中介绍的数字PIV系统测量喷雾粒径的方法，是利用PIV系统获得喷雾的粒子图像，通过在计算机上采用图像集合校正、平滑和去噪、二值化、元素分割以及膨胀和腐蚀等数字图像分析处理方法对粒子图像进行预处理，再对预处理后的粒子图像作粒子识别和统计，获得各个粒子像点占据的像素个数，借助圆面积计算公式得到整个喷雾的粒子粒径分布。这种方法的缺点是各种数字图像分析预处理方法都会影响粒子像点的大小，从而影响到粒子直径真实尺寸的确定；同时，该方法对激光强度的稳定性要求很高，激光强度一旦改变，就需要对各种数字图像分析处理方法重新设定；另外，粒子成像还受激光衍射和PIV系统误差的影响。

发明内容

本方法的目的在于提供一种利用粒子图像灰度差异测量粒径的方法，该方法利用用于灰度统计判别查询的粒子图像速度场仪成像系统获得流场经两次曝光形成的具有灰度差异的粒子图像，经图像处理后，由特定的粒径求解公式获得整个流场的粒子粒径信息。

利用用于灰度统计判别查询的粒子图像速度场仪成像系统获得流场经两次曝光形成的具有灰度差异的粒子图像，经图像处理技术预处理后，实现同一粒子两次曝光对应两粒子像点的配对，由两粒子像点的灰度总和经粒径求解公式得到粒子粒径大小，从而获得整个流场的粒子粒径信息。

进一步，本发明可通过以下技术方案实现，具体包括：

(1)合理选择设定用于灰度统计判别查询的粒子图像速度场仪成像系统的各个参数：设定半导体泵浦连续激光器发射的激光的波长λ、所用相机镜头前加装的孔板的正方形小孔的边长b′、相机镜头至激光光路的垂直距离d₁、激光光路与相机镜头轴线夹角θ₀、激光片光脉冲宽度即相机两次曝光时间t₁和t₂；相机快门开启的持续时间T以及决定激光片光脉冲光强I的激光器输出功率P；并将各个参数输入计算机。

(2)利用用于灰度统计判别查询的粒子图像速度场仪成像系统获得一幅待测流场经两次曝光的具有灰度差异的粒子图像：使用用于灰度统计判别查询的粒子图像速度场仪成像系统先后发射两束具有相同光强不同脉宽的激光片光脉冲照明待测流场，相机伴随激光脉冲进行两次曝光，获得一幅具有灰度差异的双曝光粒子图像，输入计算机。

(3)使用计算机对粒子图像作预处理：针对不同流场特性采用合适的平滑和去噪等数字图像处理技术对粒子图像作预处理，去除图像中的背景和其它噪声影响，改善图像质量。

(4)获取流场粒子图像上各个粒子像点的位置与灰度总和信息：对粒子图像作边缘检测，区分出图像上的各个不同粒子像点，同时获得粒子像点的位置信息x和y和面积大小S；再结合预处理后粒子图像获得各个粒子像点对应的灰度总和信息G。