一种测量颗粒流速度场的装置及方法与流程

本发明属于速度测量技术领域，具体涉及一种测量颗粒流速度场的装置及方法。

背景技术：

密集颗粒流是颗粒物质存在的一种状态，在自然界和工业生产中普遍存在，与人类的生产、生活息息相关。自然现象和灾害中的雪崩、滑坡、泥石流等，以及工业工程中的粮仓坍塌、矿坑滑坡、地基垮塌等，都是颗粒流的现象。因此，测量和研究密集颗粒流的机理和规律，对于减少甚至预防因此而导致的生命财产损失具有极其重要的现实意义。

密集颗粒流的速度测量是研究颗粒流机理的一种重要方向，但目前常用的测量方法如粒子图像测速法(piv)只能测量颗粒直径较大的球形颗粒，不适用于小颗粒或者不规则颗粒流；激光多普勒测速法(ldv)法只能测量两相流中的示踪颗粒速度，不适用于密集颗粒流的测量。此外，其他一些方法如：正电子发射颗粒跟踪(pept)、核磁共振成像(mri)、x射线断层摄影(ct)、激光散斑测速法(lsv)等，因为没有商业化仪器，因此不具有普遍性。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于空间滤波的颗粒流速度场测量装置和方法。

本发明提供了一种测量颗粒流速度场的装置，具有这样的特征，包括水平转台，装有不规则颗粒的滚筒，安装在水平精密转台上；光源部，用于产生照射滚筒内颗粒流的流化床表面上的平行光，图像采集部，设置在滚筒的被光照的一侧，以及计算机，与图像采集部相连，接收图像采集部采集的图像信号后进行处理，得到测量区域的速度信息。

在本发明提供的测量颗粒流速度场的装置中，还可以具有这样的特征：其中，光源部采用白色led光源，利用凹面镜产生平行光。

另外,在本发明提供的测量颗粒流速度场的装置中，还可以具有这样的特征：其中，图像采集部为线阵ccd相机，相机的像素数量为1024，采集的速率为每秒钟1000张。

一种对颗粒流速度场进行测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将装有不规则颗粒的滚筒水平放置于水平精密转台上，光源部采用白色led作为光源，利用凹面镜产生平行光照射在颗粒流的流化床表面上，图像采集部沿滚筒径向对准滚筒中的颗粒流化床中部某一位置，采集流化床表面的颗粒流的的图像，得到图像线阵ccd阵列，并传输到计算机中。

步骤2，将步骤1中的线阵ccd阵列分为若干采样点，依据采样点的分布情况划分测量子区域，每一个测量子区域都是一个速度测量区域。

步骤3，取测量子区域的一行数据进行像素分配模拟差分式空间滤波器件，进行空间滤波；然后遍历整个测量子区域，获得随时间变化的空间滤波原始信号。

步骤4，将测量子区域的空间滤波原始信号做快速傅里叶变换，得到空间滤波原始信号的频谱,对频谱进行分析，获得频谱的中心频率f，通过计算后得到测量子区域的速度。

步骤5，对划分的所有采样点重复步骤2、3、4，则可以得到整个测量区域的速度，即实现了颗粒流的速度场的测量。在连续流状态下，调整电机转速，使滚筒工作在不同转速下，重复以上速度场测量步骤，得到不同转速下的颗粒流的速度场。

在本发明提供的对颗粒流速度场进行测量的方法中,还可以具有这样的特征：其中，步骤1中，图像采集部采用线阵ccd相机，该线阵ccd相机一次拍摄所得图像为行数为1、列数为线阵ccd相机的像素n的图像。

另外,在本发明提供的对颗粒流速度场进行测量的方法中,还可以具有这样的特征：其中，步骤3中，运动速度v与中心频率f的关系表达式为：

式中，p为空间周期，即模拟的光栅狭缝宽度，m为成像系统的放大倍数。

另外,在本发明提供的对颗粒流速度场进行测量的方法中,还可以具有这样的特征：其中，步骤1中，不规则颗粒为粒径大小为1～1.5mm的砂粒，滚筒内填充度为0.4。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的一种测量颗粒流速度场的装置及方法，因为本发明提供的颗粒流速度场测量装置采用led作为光源，无需激光器；使用线阵ccd充当图像采集设备和空间滤波器，具有图像拍摄速率快，时间分辨率高等优点；采用计算机存储图像，节约成本，设备简单。

本发明提供的颗粒流速度场测量装置无需复杂的光学透镜和透射光栅，可解决传统空间滤波无法解决的速度场测量的问题，设备调试简单，符合不同场合下对颗粒流的测量要求。

附图说明

图1是本发明的实施例中颗粒流速度场测量装置的示意图；

图2是本发明的实施例中测量区域的划分示意图；

图3是本发明的实施例中信号频谱与校正结果；

图4是本发明的实施例中滚筒内颗粒流速度场的测量结果；以及

图5是本发明的实施例中图像处理流程图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明测量颗粒流速度场的装置及方法作具体阐述。

实施例

下面结合附图，对本发明提供的一种颗粒流速度场测量装置和方法，做具体说明。

本发明的工作原理：采用led为光源，利用凹面镜产生平行光，照射在流化床内的颗粒表面上，利用线阵ccd作为图像采集设备沿滚筒径向，对流化床某一位置进行连续拍摄，通过计算机采集原始图像。选取部分图像，通过像素分配模拟传统透射光栅，对图像进行空间滤波处理，得到空间滤波原始信号，通过频谱分析，得到空间滤波原始信号频谱，通过频谱校正方法得到精确的频谱中心频率，根据频谱中心频率与被测物速度的关系，通过运算得到颗粒流速度场的速度分布。

如图1所示，测量颗粒流速度场的装置包括水平精密转台(图中未显示)、滚筒4、光源部3、图像采集部2以及计算机1。

滚筒4内装有不规则颗粒，水平安装在水平精密转台上，沿箭头方向进行旋转；光源部3产生平行光，照射在滚筒4内颗粒流的流化床表面上，图像采集部2设置在滚筒4的被光照的一侧，计算机1与图像采集部2相连，接收图像采集部2采集的图像信号后进行处理，得到测量区域的速度信息。计算机1保存从图像采集部2采集到的图像，将线阵ccd阵列划分为不同的采样点，按照采样点的分布划分测量子区域，对每一个子区域模拟传统光栅的透光和遮光作用进行像素分配，将采样列的灰度值累加做差分运算，构成差分空间滤波器，然后对采样点得到的原始信号序列进行快速傅里叶变换(fft)得到信号的频谱，最后对所得的频谱信号采用平均法对频谱进行校正，得到频谱变化曲线，再对频谱进行重心法校正，所得频谱重心即认为是信号的中心频率，根据中心频率可以得到该采样点的运动速度，对每一个采样点进行上述操作，即可得到颗粒流运动速度的分布情况。

实施例中，图像采集部2采用线阵ccd相机，该线阵ccd相机既作为图像采集设备又作为空间滤波器件，该相机的速率为每秒钟1000张，采集像素为1024*1的图像；光源部3采用白色led光源，利用凹面镜产生平行光。

一种对颗粒流速度场进行测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，如图1所示，光源部3的白色led光源利用凹面镜产生平行光照射在滚筒4的颗粒流表面，此时要注意避免被其它的光源污染，其中滚筒4被电机驱动做匀速转动。其中，流化床由滚筒4内填充1～1.5mm的不规则颗粒砂的产生，滚筒4内填充度为0.4，调整电机的转速，使滚筒4内颗粒处于连续流状态。图像采集部2的高速线阵ccd相机在计算机软件的控制下，以1000张每秒的速度拍摄颗粒流的表面的图像，将10秒内拍摄的像素灰度值存入下列矩阵x：

其中，xij表示一个像素的灰度值，k＝10000，n＝1024，i∈[1,1024],j∈[1,10000]。

步骤2，将线阵ccd的阵列1*n均分为若干个如图2所示的测量子区域，实施例中。测量子区域按照狭缝个数为10、空间周期p＝32的条件划分；取测量子区域的一行数据存入矩阵xi：

xi＝[xi1xi2…xij]

步骤3，将矩阵xi均分为20份，每一份为16像素，每一份都可以认为是一条狭缝，所有基数份组合在结构上相当于一个空间滤波器a，所有偶数份组合在结构上相当于一个空间滤波器b，将空间滤波器a中的一条狭缝的灰度值累加得到ai，测量子区域内的空间滤波器a的灰度值信号累加并输出：

空间滤波器b的输出信号为：

这里n＝10。

因此，矩阵xi的输出为：yi＝a-b

步骤4，对于同一个测量子区域，位移一行做遍历处理，重复步骤三的处理，可得到一个序列y：

y＝[y1y2…ym]

其中m＝1000，然后将序列y做傅里叶变换得到信号的频谱，最后对所得的频谱信号采用能量重心法对频率进行校正，其中信号的频谱与校正结果如图3所示，频谱的重心即为信号的中心频率f，其中运动速度与频率f的关系为：

即得到了一个测量子区域的速度。

步骤5，对划分的所有采样点重复步骤2、3、4，则可以得到整个测量区域的速度，即实现了颗粒流的速度场的测量。在连续流状态下，调整电机转速，使滚筒工作在不同转速下，重复以上速度场测量步骤，不同的转速下的滚筒内颗粒流速度场的测量结果如图4所示。

图5是本发明的实施例中图像处理流程图。

如图5所示,本实施例中对颗粒流速度场进行测量获取的图像处理流程包括以下步骤:

步骤s1，采集原始图像；

步骤s2，将图像分割为多个测量子区域；

步骤s3，取子区域一行数据；

步骤s4，像素分配模拟差分式空间滤波器进行空间滤波；

步骤s5，遍历整个测量子区域，获得随时间变化的空间滤波原始信号；

步骤s6，对原始信号做频谱分析得到信号频谱；

步骤s7，对信号频谱进行校正，获得信号的中心频率；

步骤s8，根据公式计算后得到测量点的速度信息；

步骤s9，遍历所有测量子区域，得到每个测量子区域速度信息；

步骤s10，结果分析。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的一种测量颗粒流速度场的装置及方法，因为本发明提供的颗粒流速度场测量装置采用led作为光源，无需激光器；使用线阵ccd充当图像采集设备和空间滤波器，具有图像拍摄速率快，时间分辨率高等优点；采用计算机存储图像，节约成本，设备简单。

本实施例提供的颗粒流速度场测量装置无需复杂的光学透镜和透射光栅，可解决传统空间滤波无法解决的速度场测量的问题，设备调试简单，符合不同场合下对颗粒流的测量要求。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。