专利名称：液滴蒸发速率的测量系统及其测量方法
技术领域：
本发明涉及液滴的蒸发速率的测量，特别涉及一种液滴蒸发速率的测量系统及其 测量方法。
背景技术：
现有测量方法有1、计算液滴直径的图像法将液滴的图像近似为一个圆，获得圆的直径，由直径和液滴的比重得到液滴的质 量。根据两幅图像的质量差和时间间隔求取液滴的蒸发速率。但是，该方法测量结果偏差较大，因为液滴的形状距离理想的圆偏差较大，因此其 测量结果与实际蒸发速率偏差较大，并且要进行大量的图像处理工作，不能实现对液滴体 积的实时控制。2、仪器测量法使用激光共焦位移计测量液滴蒸发速率，其原理是测量液滴顶点的变化。随着时 间的推移，液滴的高度不断降低，激光共焦位移计可以测量到纳米级的变化，如此便可获得 液滴的蒸发速率。但是，该方法只能够测量某一点的蒸发速率，不能够得到整个液滴的蒸发速率。
发明内容
本发明的目的是解决现有的测量方法的上述不足，从而提供一种液滴蒸发速率的 测量系统及其测量方法。为实现上述目的，本发明提供了一种液滴蒸发速率的测量系统，该系统可实时计 算出某一时刻液滴的蒸发速率，包括图像采集模块、图像处理模块和蒸发速率计算模块；如图1和图2所示，所述的图像采集模块包括(XD摄像头，用于对液滴监控摄像， 并将捕捉到的PAL制式模拟视频流传送到图像采集卡；所述的图像采集卡用于对PAL制式 模拟视频流进行解码、同步分离之后，将分离得到的数字液滴图像信号传送至图像处理模 块；所述的图像处理模块，用于对每隔At时间间隔的单帧图像的数字液滴图像信号 进行分析处理，得到t时刻液滴图像的轮廓线，并传送至蒸发速率计算模块；所述的蒸发速率计算模块，用于根据从图像处理模块获得液滴轮廓线计算出t时 刻液滴的表面积和体积，并再根据经过At时间之后液滴表面积和体积的变化，最终由时 间间隔计算得到液滴单位面积单位时间内的蒸发速率。所述的图像处理模块采用轮廓拟合得到的t时刻液滴轮廓，得到以象素为单位的 液滴高度H和每一行的象素个数，即横截面直径Di, i = 1，2... N，N是行数；根据数值积分 的方法，叠加圆台的侧面积Ci得到液滴的表面积S
其中，A是第i行圆台的半径
，ΔΗ是一个象素的高度，ΔΗ
=1，η是圆周率；叠加横截面积At得到液滴的体积V 由公式(5)和(6)计算得到t时刻液滴的表面积S1和体积V1，最后，经过Δ t时 间，再次采集液滴的图像，再次计算液滴的表面积S2和体积N2,从而根据下式得到液滴在这 段时间内的平均蒸发速率 其中，5_ 是At内的平均表面积，Snrean= (SJS2)/2 ;Δν是时间At内体积的变 化量，AV = V1-V2 ； P是液滴密度。作为本发明测量系统的一种改进，所述的图像处理模块还包括有一轮廓线获取单 元，用于获得清晰的液滴外部轮廓线；所述的轮廓线获取单元利用Sobel算子对灰度图进 行边缘检测，得到灰度变化剧烈的区域，该区域包括液滴的真实轮廓、噪声干扰及由于液滴 反光造成的内部虚假轮廓；然后，进行域值化处理，根据统计直方图合理选择域值，去除噪 声干扰，并通过对二值图的连通区域标记算法处理，将图像中各个连通区域通过标记成不 同的标号来区分开来，选择区域中面积最大的区域，滤除由于反光造成的内部虚假轮廓以 及噪声，提高了系统获取边缘轮廓的鲁棒性；最后，进行外围边缘线提取。实际应用中，所述的液滴蒸发速率的测量系统还包括一上位机显示模块，用于接 收图像处理模块传送到计算机中的图像信息，并将图像显示在计算机屏幕上，同时实时显 示由蒸发速率计算模块传送来的液滴蒸发速率。为实现上述目的，本发明还提供了一种液滴蒸发速率的测量方法，该方法通过实 时计算出某一段时间内液滴的体积和表面积的变化量来测量液滴蒸发速率，其步骤包括1)通过CXD摄像头对液滴监控摄像，并将捕捉到的PAL制式模拟视频流传送到图 像采集卡；并由所述的图像采集卡用于对PAL制式模拟视频流进行解码、同步分离之后，得 到数字液滴图像信号；2)通过图像处理模块对每隔At时间间隔的单帧图像的数字液滴图像信号进行 分析处理，得到t时刻液滴图像的轮廓线；3)通过蒸发速率计算模块计算出t时刻液滴的表面积和体积，并再根据经过Δ t 时间之后液滴表面积和体积的变化，最终由时间间隔计算得到液滴单位面积单位时间内的 蒸发速率。所述的图像处理模块采用轮廓拟合得到的t时刻液滴轮廓，得到以象素为单位的 液滴高度H和每一行的象素个数，即横截面直径Di, i = 1，2... N，N是行数；根据数值积分 的方法，叠加圆台的侧面积Ci得到液滴的表面积S
其中，A是第i行圆台的半径
，ΔΗ是一个象素的高度，ΔΗ =1，η是圆周率；叠加横截面积Ai得到液滴的体积V
(6)由公式(5)和(6)计算得到t时刻液滴的表面积S1和体积V1，最后，经过Δ t时 间，再次采集液滴的图像，再次计算液滴的表面积S2和体积N2,从而根据下式得到液滴在这 段时间内的平均蒸发速率 其中，5_ 是At内的平均表面积，Smean= (SJS2)/2 ;Δν是时间At内体积的变 化量，AV = V1-V2 ； P是液滴密度。作为本发明测量方法的一种优选，所述的步骤2)具体包括首先，利用Sobel算子对灰度图进行边缘检测，得到灰度变化剧烈的区域，该区域 包括液滴的真实轮廓、噪声干扰及由于液滴反光造成的内部虚假轮廓；然后，进行域值化处理，根据统计直方图合理选择域值，去除噪声干扰；再通过对 二值图的连通区域标记算法处理，将图像中各个连通区域通过标记成不同的标号来区分开 来，选择区域中面积最大的区域，滤除由于反光造成的内部虚假轮廓以及噪声，提高了系统 获取边缘轮廓的鲁棒性； 最后，进行外围边缘线提取。所述的液滴蒸发速率的测量方法还可以包括步骤4)，该步骤通过上位机显示模块 接收图像处理模块传送到计算机中的图像信息，并将图像显示在计算机屏幕上，同时实时 显示由蒸发速率计算模块传送来的液滴蒸发速率。本发明的优点在于，本发明利结合了图像处理的特点，依靠图像处理手段获得液 滴体积和表面积的精确数值，同时利用DSP的强大数据处理能力，能够在1秒钟之内给出一 次液滴蒸发速率的计算值。
图1是本发明液滴蒸发速率的测量系统的原理示意图；图2是本发明液滴蒸发速率的测量系统的结构框图；图3是一个实验中的水滴的图像预处理过程的示意图；其中，图3(a)是采集获得的图像，图3(b)是Sobel算子处理后的图像，图3 (c)是 阈值后的二值图像，图3(d)是经过了连通区域标记算法处理后的目标区域，图3(e)是提取 目标区域的每行最左边和最右边像素点的轮廓线；图4是本发明液滴蒸发速率的测量方法的流程示意图。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。如图4所示，图像采集模块获得液滴的图像之后，由图像处理模块对其进行处理。 首先利用Sobel算子对灰度图进行边缘检测，得到灰度变化剧烈的区域，这些区域包括液 滴的真实轮廓、噪声干扰及由于液滴反光造成的内部虚假轮廓；然后域值化处理，根据统计 直方图合理选择域值，去除噪声干扰；通过对二值图的连通区域标记算法处理，可以将图像 中各个连通区域通过标记成不同的标号来区分开来，选择区域中面积最大的区域，滤除由 于反光造成的内部虚假轮廓以及噪声，提高了系统获取边缘轮廓的鲁棒性；最后进行外围 边缘线提取。图3是一个实验中的水滴的处理过程，其中，图3(a)是采集获得的图像，图 3(b)是Sobel算子处理后的图像，图3(c)是阈值后的二值图像，图3(d)是经过了连通区域 标记算法处理后的目标区域，图3(e)是提取目标区域的每行最左边和最右边像素点的轮 廓线。有了图像处理的基础，能够直接从液滴的图像计算出液滴的尺寸，根据液滴尺寸 的变化，可以得到液滴单位时间内的蒸发速率。液滴的蒸发速率是指液滴表面单位面积、单位时间内的蒸发量。由轮廓拟合得到 的液滴轮廓，很容易得到以象素为单位的液滴高度H和每一行的象素个数，即横截面直径 Di, i = 1,2... N，N是行数；根据数值积分的方法，可以叠加圆台的侧面积Ci得到液滴的表 面积S 其中，A是第i行圆台的半径
是一个象素的高度，ΔΗ
=1, 31是圆周率。叠加横截面积Ai可以得到液滴的体积V 由公式(5)和(6)计算得到t时刻液滴的表面积S1和体积V1，最后，经过Δ t时 间，再次采集液滴的图像，再次计算液滴的表面积S2和体积N2,从而根据下式得到液滴在这 段时间内的平均蒸发速率 其中，5_ 是At内的平均表面积，Smean= (SJS2)/2 ;Δν是时间At内体积的变 化量，AV = V1-V2 ； P是液滴密度。需要说明的是，以上介绍的本发明的实施方案而并非限制。本领域的技术人员应 当理解，任何对本发明技术方案的修改或者等同替代都不脱离本发明技术方案的精神和范 围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。
权利要求
一种液滴蒸发速率的测量系统，其特征在于，该系统可实时计算出某一时刻液滴的蒸发速率，包括图像采集模块、图像处理模块和蒸发速率计算模块；所述的图像采集模块包括CCD摄像头，用于对液滴监控摄像，并将捕捉到的PAL制式模拟视频流传送到图像采集卡；所述的图像采集卡用于对PAL制式模拟视频流进行解码、同步分离之后，将分离得到的数字液滴图像信号传送至图像处理模块；所述的图像处理模块，用于对每隔Δt时间间隔的单帧图像的数字液滴图像信号进行分析处理，得到t时刻液滴图像的轮廓线，并传送至蒸发速率计算模块；所述的蒸发速率计算模块，用于根据从图像处理模块获得液滴轮廓线计算出t时刻液滴的表面积和体积，并再根据经过Δt时间之后液滴表面积和体积的变化，最终由时间间隔计算得到液滴单位面积单位时间内的蒸发速率。
2.根据权利要求1所述的液滴蒸发速率的测量系统，其特征在于，所述的图像处理模 块采用轮廓拟合得到t时刻液滴轮廓，得到以象素为单位的液滴高度H和每一行的象素个 数，即横截面直径Di, i = 1，2... N，N是行数；根据数值积分的方法，叠加圆台的侧面积Ci得到液滴的表面积S 其中，^是第i行圆台的半径 ，ΔΗ是一个象素的高度，ΔΗ= 1，η是圆周率；叠加横截面积Ai得到液滴的体积V 由公式(5)和(6)计算得到t时刻液滴的表面积S1和体积V1，最后，经过At时间，再 次采集液滴的图像，再次计算液滴的表面积S2和体积N2,从而根据下式得到液滴在这段时 间内的平均蒸发速率 其中，Sm-是At内的平均表面积，Sm_=饵+幻/2 ;Δν是时间At内体积的变化量， AV = V1-V25P是液滴密度。
3.根据权利要求1或2所述的液滴蒸发速率的测量系统，其特征在于，所述的图像处理 模块还包括有一轮廓线获取单元，用于获得清晰的液滴外部轮廓线；所述的轮廓线获取单元利用Sobel算子对灰度图进行边缘检测，得到灰度变化剧烈的 区域，该区域包括液滴的真实轮廓、噪声干扰及由于液滴反光造成的内部虚假轮廓；然后， 进行阈值化处理，根据统计直方图合理选择阈值，去除噪声干扰，并通过对二值图的连通区 域标记算法处理，将图像中各个连通区域通过标记成不同的标号来区分开来，选择区域中 面积最大的区域，滤除由于反光造成的内部虚假轮廓以及噪声，提高了系统获取边缘轮廓 的鲁棒性；最后，进行外围边缘线提取。
4.根据权利要求1或2所述的液滴蒸发速率的测量系统，其特征在于，还包括一上位机 显示模块，用于接收图像处理模块传送到计算机中的图像信息，并将图像显示在计算机屏幕上，同时实时显示由蒸发速率计算模块传送来的液滴蒸发速率。
5.一种液滴蒸发速率的测量方法，该方法通过实时计算出某一段时间内液滴的体积和 表面积的变化量来测量液滴蒸发速率，其步骤包括1)通过CCD摄像头对液滴监控摄像，并将捕捉到的PAL制式模拟视频流传送到图像采 集卡；并由所述的图像采集卡用于对PAL制式模拟视频流进行解码、同步分离之后，得到数 字液滴图像信号；2)通过图像处理模块对每隔At时间间隔的单帧图像的数字液滴图像信号进行分析 处理，得到t时刻液滴图像的轮廓线；3)通过蒸发速率计算模块计算出t时刻液滴的表面积和体积，并再根据经过At时间 之后液滴表面积和体积的变化，最终由时间间隔计算得到液滴单位面积单位时间内的蒸发速率。
6.根据权利要求5所述的液滴蒸发速率的测量方法，其特征在于，所述的图像处理模 块采用轮廓拟合得到t时刻液滴轮廓，得到以象素为单位的液滴高度H和每一行的象素个 数，即横截面直径Di, i = 1，2... N，N是行数；根据数值积分的方法，叠加圆台的侧面积Ci得到液滴的表面积S S = YiCi= π ^ η +rM) = \nl^{Di+DM)(5)/=1 i=l ^ /=1其中，^是第i行圆台的半径，/,_=V(^-。)2+A//2，ΔΗ是一个象素的高度，ΔΗ= 1，η是圆周率；叠加横截面积Ai得到液滴的体积V V =(6)/=1 4 /=1由公式(5)和(6)计算得到t时刻液滴的表面积S1和体积V1，最后，经过At时间，再 次采集液滴的图像，再次计算液滴的表面积S2和体积N2,从而根据下式得到液滴在这段时 间内的平均蒸发速率^ = AFp ^ (F1-F2)P^tSmean 導^ S1V 2 其中，Sm-是At内的平均表面积，Sm_= (Si+S2)/2 ;Δν是时间At内体积的变化量， AV = V1-V25P是液滴密度。
7.根据权利要求5或6所述的液滴蒸发速率的测量方法，其特征在于，所述的步骤2) 具体包括首先，利用Sobel算子对灰度图进行边缘检测，得到灰度变化剧烈的区域，该区域包括 液滴的真实轮廓、噪声干扰及由于液滴反光造成的内部虚假轮廓；然后，进行阈值化处理，根据统计直方图合理选择域值，去除噪声干扰；再通过对二值 图的连通区域标记算法处理，将图像中各个连通区域通过标记成不同的标号来区分开来， 选择区域中面积最大的区域，滤除由于反光造成的内部虚假轮廓以及噪声，提高了系统获 取边缘轮廓的鲁棒性；最后，进行外围边缘线提取。
8.根据权利要求5或6所述的液滴蒸发速率的测量方法，其特征在于，还包括步骤4)，该步骤通过上位机显示模块接收图像处理模块传送到计算机中的图像信息，并将图像显示 在计算机屏幕上，同时实时显示由蒸发速率计算模块传送来的液滴蒸发速率。
全文摘要
本发明涉及一种液滴蒸发速率的测量系统及其测量方法，包括图像采集模块、图像处理模块和蒸发速率计算模块；所述的图像采集模块包括CCD摄像头，用于对液滴监控摄像，并将捕捉到的PAL制式模拟视频流传送到图像采集卡；所述的图像采集卡用于对PAL制式模拟视频流进行解码、同步分离之后，将数字液滴图像信号传送至图像处理模块；所述的图像处理模块，用于对每隔Δt时间间隔的单帧图像的数字液滴图像信号进行分析处理，得到t时刻液滴图像的轮廓线，并传送至蒸发速率计算模块；所述的蒸发速率计算模块最终由时间间隔计算得到液滴单位面积单位时间内的蒸发速率。本发明结合了图像处理的特点，同时利用DSP的强大数据处理能力，可实时给出某一时刻液滴的蒸发速率。
文档编号G01P3/38GK101887066SQ200910084290
公开日2010年11月17日 申请日期2009年5月15日 优先权日2009年5月15日
发明者于强, 蔡世界 申请人:中国科学院空间科学与应用研究中心