一种采用蓝光背光照明的燃烧颗粒多参数测量装置及方法
【专利说明】
[0001]
技术领域
[0002] 本发明涉及采用数字图像手段的颗粒测量技术领域，尤其是采用蓝光背光照明的 燃烧颗粒多参数测量装置及方法。
【背景技术】
[0003] 近年来随着摄像机和计算机技术的发展，图像处理技术在颗粒和流场测量领域得 到很大的应用。对于燃烧火焰整体而言，这种利用CCD或CMOS相机拍摄图像的可视化技术 不仅可以直观地观察出火焰的结构形态和运动特征，用高速相机分析火焰的闪烁特性以用 于火焰故障检测，结合辐射测温原理对火焰序列图像进行分析还可重建得出火焰温度场。 上述测量一般利用火焰自身发光，采用彩色摄像机或黑白相机直接拍摄获取燃烧火焰图 像。但对实际火焰，尤其是煤粉火焰中燃烧颗粒的可视化多参数精细测量尚未见报道，而这 对于燃烧机理的发展和技术的提高无疑有着重要意义。
[0004] 通过CCD摄像机还可观察煤粉颗粒的热解、着火过程，利用可见光进行背光成像 可得到燃烧颗粒图像，计算颗粒粒度分布、速度与浓度场，还可计算碳黑辐射特性和浓度。
[0005] 由于燃烧颗粒的自身发光，若采用普通白光背光照明，则需要比火焰光强更高强 度的光源才能对颗粒成像，尤其当颗粒运动速度越大时，清晰成像所需要的光强越高，普通 白光光源难以满足该要求。而煤粉燃烧火焰光谱分析的相关研究表明，煤粉火焰的辐射光 谱主要集中在波长为550nm以上的可见光和红外波段，说明蓝光(包括蓝紫光）部分的辐射 极少，基本可以忽略。因此本发明提出采用蓝光背光照明，配合蓝光带通滤光片可采集到滤 除火焰发光后的颗粒阴影图像，从而可以提取出颗粒的粒度和速度信息；同时若配合蓝光 截止滤光片可采集到燃烧颗粒发光图像（即火焰图像）；本发明还提出同时获得以上两种图 像的方法及装置，实现同一视场内火焰自发光信息和燃烧中运行颗粒的投影信息的同时获 取，为燃烧颗粒的参数测量提供了新的途径。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种采用蓝光背光照明的燃烧颗粒多参数测量装置及方法， 以解决图像采集过程中火焰自发光与照明用背光相互干扰的技术问题，具有实施简单、测 量方便、信息丰富的特点。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用技术方案如下： 一种采用蓝光背光照明的燃烧颗粒多参数测量装置，其特点是，该装置包括蓝光光源、 由镜头、分光镜、蓝光带通滤光片、蓝光截止滤光片、第一图像传感器、第二图像传感器组成 的相机和计算机；用蓝光光源以背光的方式照明待测区域，分光棱镜或平面分光镜分光安 装在镜头背后，第一镜头接收蓝光光源发射的光束以及待测区域中被测颗粒散射的光束， 分光棱镜或平面分光镜将进入第一镜头的光分成光谱成分和强度相同的两束分光，一束分 光经蓝光带通滤光片滤过后被第一图像传感器接收，另一束分光经蓝光截止滤光片滤过后 被第二图像传感器接收，第一图像传感器和第二图像传感器将接收到的光信号转换为电视 信号通过同轴电缆传输到计算机。
[0008] 所述的蓝光带通滤光片和蓝光截止滤光片以镀膜方式镀在分光棱镜的第一出射 面B和第二出射面C的表面上，所述的分光棱镜、蓝光带通滤光片和蓝光截止滤光片构成一 个整体。
[0009] 所述的蓝光带通滤光片和蓝光截止滤光片分别和第一图像传感器和第二图像传 感器的前面相固接。
[0010] 所述的第一图像传感器和第二图像传感器的前面分别置有第一镜头和第二镜头 构成双镜头系统。
[0011] 所述的第一图像传感器和第二图像传感器选用同样的C⑶或CMOS器件。
[0012] 所述的镜头为远心或非远心镜头，单个透镜或透镜组合。
[0013] -种应用上述装置的采用蓝光背光照明的燃烧颗粒多参数测量方法，其特征在 于，该方法包括以下步骤： 1) 测量开始前先用透明标定物对测量装置进行标定，获得镜头的实际工作距离以及像 素所代表的实际尺寸； 2) 采用蓝光光源以背光方式照明待测区域，调整背光光源位置、照明角度和强度，使背 景光均勾； 3) 将分光镜置于第一镜头后，分光镜能把进入镜头的光分成两束，对两束光分别用蓝 光带通滤光片和蓝光截止滤光片进行滤光，分别允许特定波段的光透过并采用CCD或CMOS 的第一图像传感器和第二图像传感器成像，由于两个图像传感器与镜头的光程距离相同， 即保证拍摄到的视场完全相同； 4) 根据测量要求调节相机的曝光时间，减少成像时运动颗粒轨迹重叠或黏合的情况； 5) 使待测颗粒着火，对待测流场区域中的颗粒进行拍摄，并将采集的图像输入计算机 进行处理； 6) 获取的颗粒阴影图像在图形处理软件MATLAB程序中经灰度变换、滤波去噪、形态 学、区域分割、阈值变换，转化为二值图像，利用图像测量系统的帧率、像元尺寸、曝光时间 参数，对颗粒的粒径、速度进行测量； 7) 对获取的燃烧发光图像通过结合黑体炉标定试验及比色测温法，利用火焰辐射光强 与图像亮度的关系，在MATLAB等程序中计算得到测量区域的火焰温度场。
[0014] 其中，蓝光光源是指中心波长在420nm至490nm范围内的蓝光，可以是LED、氙灯、 激光等任何形式光源。
[0015] 其中，背光方式是指采用从背后的方式进行照射。
[0016] 其中，蓝光带通滤光片是对应照明光源光谱的窄带或宽带滤光片。蓝光截止滤光 片是滤掉照明光源光谱所在波段的短波截止滤光片。
[0017] 其中，分光镜是指将一束光分成两束的立体型或平面型分束镜。
[0018] 其中，滤光片可以镀膜方式镀在分光镜的第一出射面或第二出射面构成一个整 体，可以是独立安装在图像传感器与分光镜之间，所述的蓝光带通滤光片和蓝光截止滤光 片分别和第一图像传感器和第二图像传感器的前面相固接，可以是直接以螺纹连接或其他 方式安装在图像传感器前。
[0019] 其中，第一和第二图像传感器可以是C⑶或CMOS器件，镜头可以是远心或非远心 镜头。
[0020] 其中，待测颗粒可以是燃烧发光的颗粒，也可以是自发光的荧光颗粒。
[0021] 其中，光源颜色及波段可以根据待测颗粒的发光范围进行调整，即采用波长不在 颗粒发光波段范围内、而又在图像传感器响应波段范围内的光源。
[0022] 本发明的有益效果是用蓝光背光配合分光镜以及不同滤光片的方式，就能实现同 时进行燃烧颗粒流场中同一视场内运动颗粒投影与发光图像的采集与处理，不仅简化了繁 琐重复的测量程序，且在采集颗粒信息的同时也能避免燃烧火焰发光的影响，丰富和深化 了测量参数，对颗粒尤其是煤粉颗粒燃烧过程的机理研究提供了新的方法和途径。
【附图说明】
[0023] 为清楚说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单 介绍。
[0024] 图1为本发明所述方法的流程图； 图2为本发明实施例1示意图； 图3为本发明实施例2示意图； 图4为本发明实施例3示意图； 图5为本发明实施例4示意图； 图6为本发明实施例5示意图。
【具体实施方式】
[0025] 下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
[0026] 实施例1 : 如图2所不，该装置包括蓝光光源1、由镜头2、分光镜3用分光棱镜、蓝光带通滤光片 4、蓝光截止滤光片5、第一图像传感器6、第二图像传感器7组成的相机和计算机8 ;用蓝光 光源1以背光的方式照明待测区域11，分光棱镜3安装在第一镜头2背后，第一镜头2接 收蓝光光源1发射的光束以及待测区域11中被测颗粒散射的光束，分光镜3将进入第一镜 头2的光分成光谱成分和强度相同的两束分光，一束分光经蓝光带通滤光片4滤过后被第 一图像传感器6接收，另一束分光经蓝光截止滤光片5滤过后被第二图像传感器7接收，第 一图像传感器6和第二图像传感器7将接收到的光信号转换为电视信号通过同轴电缆传输 到计算机8。
[0027] 如图1所示，所述的采用上述装置的蓝光背光照明的燃烧过程中煤粉颗粒