本发明涉及颗粒荷电量测量技术领域，尤其涉及一种基于图像识别的粉体颗粒荷电量测量装置和方法。
背景技术：
所谓静电，就是一种处于静止状态的电荷或者说不流动的电荷，是因颗粒之间或是颗粒与其他物体通过摩擦、碰撞等引起电荷的重新分布而形成的。它广泛的存在于我们的日常生活中，例如静电复印就是利用静电原理实现对图书、资料、文件等的方便快速的复印；家用很多的空气净化器就是利用静电吸除空气中的很小的尘埃，使空气净化。但是有研究表明，电荷性的颗粒在呼吸道内容易被阻留，在其他条件相同时带电荷粉尘在肺内的阻留量达70％～74％，而不带电荷者只有10％～16％，对人体健康产生具大的危害；另外它们也是酿成粉体爆炸事故的潜在因素。所以实现颗粒荷电量的测量，实现对颗粒荷电量进行有效的检测和控制，不仅直接关系到我们的身体健康，关系到安全生产，也是在生产过程中防治因粉体的静电效应产生爆炸的重要一环。
粉体颗粒荷电量的大小对于颗粒在电场中的受力情况和运动起到至关重要的作用，而且粉体颗粒在粒径、密度、荷电特性不同的情况下，同一条件下它们的荷电量也就不同，因此为了实现对粉体颗粒有效的控制，对于粉体颗粒荷电量的在线动态准确测量就提出了较高的要求。
现阶段主要是通过法拉第筒法进行粉体颗粒荷电量的测量，但是存在以下几个问题：首先，抗干扰能力差，由于法拉第筒法是通过颗粒上的电荷转移到法拉第筒中使得法拉第筒带电，是经过电路的处理得到的，而周围环境(如环境湿度等)对测量器材会产生影响，会造成测量结果不准确；其次，无法实现动态测量，法拉第筒法是将荷电颗粒放入到内筒中进行测量，无法实现动态颗粒荷电量的测量；再次，法拉第筒法测量结果是实验荷电颗粒所带正负电荷中和后的整体荷电量，无法实现单个颗粒荷电量的测量；最后，设备昂贵，由于电路要求很高这就使得测量成本会提高。
技术实现要素：
本发明主要解决现有的测试方法成本较高、动态测量不准确等技术问题，提出一种简单、便捷的粉体颗粒荷电量测量装置和方法，能够实现对运动颗粒荷电量的在线动态测量进而控制，对于工业的生产安全和日常生活都具有十分重大的意义。
本发明提供了一种图像识别的粉体颗粒荷电量测量装置，包括：测量装置主体和拍摄设备；其中，所述测量装置主体通过第二盖板(10)分隔成颗粒荷电室(4)和颗粒运动观察室(11)；
所述测量装置主体顶端设置第一盖板(3)，所述第一盖板(3)设有用于添加粉体颗粒的进料口(2)；所述第一盖板(3)中心位置固定有芒刺电极(6)，且芒刺电极(6)插入颗粒荷电室(4)中；
所述颗粒荷电室(4)通过第二盖板(10)中心固定的漏斗(9)与颗粒运动观察室(11)相连；所述颗粒运动观察室(11)底端设置用于收集荷电颗粒的可移动收集盒(13)；
颗粒荷电室(4)内壁相对应的两侧上分别固定第一不锈钢极板(7)，所述第一不锈钢极板(7)通过导线进行接地连接；颗粒运动观察室(11)内壁相对应的两侧上分别固定第二不锈钢极板(12)，其中一块第二不锈钢极板(12)通过导线连接直流高电压电源，另一块第二不锈钢极板(12)通过导线进行接地连接；
所述拍摄设备(14)的拍摄口对准颗粒运动观察室(11)，用于对颗粒运动观察室(11)内荷电颗粒的运动轨迹进行摄取。
进一步的，所述可移动收集盒(13)的数量不少于3个。
进一步的，所述芒刺电极(6)尖端与第一不锈钢极板(7)间的距离为6-10cm。
进一步的，所述进料口(2)的数量为两个，两个进料口(2)分别设置在芒刺电极(6)的尖端与第一不锈钢极板(7)的中线上。
进一步的，所述拍摄设备为高速摄像机。
进一步的，所述芒刺电极(6)上端设置高压接线柱(1)，高压接线柱(1)位于第一盖板(3)上方；
所述芒刺电极(6)还套设绝缘管套(5)，绝缘管套(5)位于第一盖板(3)下方。
对应地，本发明还提供了一种图像识别的粉体颗粒荷电量测量方法，包括以下步骤：
步骤1，对颗粒荷电室(4)内的芒刺电极(6)施加高电压电离空气使其产生电晕放电，对颗粒荷电室内(4)的第一不锈钢极板(7)通过导线进行接地连接；对颗粒运动观察室(11)内第二不锈钢板(12)通过导线施加直流高电压使其产生均匀的电场；
步骤2，粉体颗粒通过进料口(2)进入到颗粒荷电室(4)，经过芒刺电极(6)产生的电晕，发生场致荷电或是扩散荷电带，形成荷电颗粒；荷电颗粒在重力的作用下，通过漏斗(9)进入到颗粒运动观察室(11)；利用拍摄设备(14)对颗粒运动观察室(11)内的荷电颗粒的运动轨迹进行拍摄，并提取连续的荷电颗粒运动轨迹；
步骤3，通过对荷电颗粒运动轨迹的分析，得到荷电颗粒在电场方向或反方向上的运动加速度；
步骤4，基于所得到的运动加速度，通过受力分析得到荷电颗粒运动的数学模型：
式中m表示颗粒的质量，a表示颗粒的加速度，v表示颗粒的速度；∑f表示颗粒所受总力；fg表示颗粒所受的重力，fe表示颗粒所受的电场力，fd表示颗粒所受的拖拽力，ff表示颗粒所受的浮力，fp表示颗粒所受的压力梯度力，fm表示颗粒所受的附加质量力，fb表示颗粒所受的basset力，fm表示颗粒所受的magnus力，fs表示颗粒所受的saffman力；
步骤5，根据荷电颗粒运动的数学模型，得到荷电颗粒的荷电量公式为：
式中ax表示荷电颗粒在电场方向或反方向上的加速度，vx表示荷电颗粒在电场方向或反方向上的速度；q表示颗粒的荷电量；e表示均匀电场的强度；m表示荷电颗粒的质量；d表示荷电颗粒的直径；ρp表示荷电颗粒的密度；μ表示空气动力粘度；
步骤6，利用荷电颗粒的荷电量公式，计算得到荷电颗粒的荷电量。
进一步的，步骤5包括以下子步骤：
步骤501，由于荷电颗粒在均匀静电场中运动时的浮力、压力梯度力、附加质量力、basset力、magnus力、saffman力均可以忽略，得到荷电颗粒在均匀静电场中的动力学方程为：
得到如下方程：
式中g表示重力加速度，取值9.8m/s2；e是均匀电场的强度；q/m是颗粒的荷质比；ρ是流体(空气)密度；ρp是颗粒密度；d是颗粒直径，v是颗粒运动速度，va是气流速度；cd是球形颗粒阻力系数表达式为：
其中，雷诺数re为：
步骤502，由于荷电颗粒在电场运动过程中，电场方向上只受电场力和拖曳力的作用，得到电场方向和重力方向上的运动方程分别为：
其中ax和ay是荷电颗粒加速度在在x和y方向上的分量；vx和vy是荷电颗粒的速度在x和y方向上的分量；vax和vay是流体的速度在x和y方向上的分量；
步骤503，得到自由落体的荷电颗粒在电场方向或反方向上的加速度与荷电量之间的关系表达式为：
式中ax表示荷电颗粒在电场方向或反方向上的加速度；vx表示荷电颗粒在电场方向或反方向上的速度；q为颗粒的荷电量；e为均匀电场的强度；m为荷电颗粒的质量；d为荷电颗粒的直径；ρp为荷电颗粒的密度；μ为空气动力粘度；
步骤504，根据自由落体的荷电颗粒在电场方向或反方向上加速度和荷电量的关系，得到荷电颗粒的荷电量公式为：
本发明提供的一种图像识别的粉体颗粒荷电量测量装置和方法，通过测量装置获得荷电颗粒的运动轨迹，获得荷电颗粒的运动轨迹后，对轨迹进行分析求解得到荷电颗粒在电场力方向(或反方向上)的加速度，进而根据荷电颗粒在均匀电场中的受力得到运动数学模型，最后根据加速度和颗粒荷电量的关系公式解得荷电颗粒的荷电量。与现有技术相比具有以下优点：
1、提高了测量系统的稳定性。本发明利用高压电晕放电技术对粉体颗粒进行荷电，利用拍摄荷电颗粒的运动轨迹进行处理分析来得到颗粒荷电量的大小，实现运动粉体颗粒的荷电和电荷的动态测量，避免了颗粒在移动过程中外界环境对其荷电量的影响。
2、实现了荷电颗粒荷电量的动态测量。本发明设计的透明的颗粒运动观察室，可以实现荷电颗粒运动轨迹的拍摄，即颗粒荷电量的动态测量。
3、降低了成本。本发明的颗粒荷电室和颗粒运动观察室设计简单、材料普通、使用周期长、易于维护，在实现其功能的基础上减少了额外的支出从而降低了成本。
附图说明
图1是本发明基于图像识别的粉体颗粒荷电量测量装置的结构示意图1；
图2是本发明基于图像识别的粉体颗粒荷电量测量装置的结构示意图2；
图3为进料口和高压接线柱的相对位置示意图；
图4为实验中滑石粉荷电颗粒的运动轨迹图像处理后的轨迹曲线。
附图标记：1-高压接线柱；2-进料口；3-第一盖板；4-颗粒荷电室；5-绝缘套管；6-芒刺电极；7-第一不锈钢极板；8-粉体颗粒；9-漏斗；10-第二盖板；11-颗粒运动观察室；12-第二不锈钢极板；13-可移动收集盒；14-拍摄设备。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
图1是本发明基于图像识别的粉体颗粒荷电量测量装置的结构示意图1；图2是本发明基于图像识别的粉体颗粒荷电量测量装置的结构示意图2(是对测量装置主要组件的简化图)。如图1、2所示，本发明实施例提供的基于图像识别的粉体颗粒荷电量测量装置，包括：测量装置主体和拍摄设备；其中，所述测量装置主体通过第二盖板10分隔成颗粒荷电室4和颗粒运动观察室11。
所述测量装置主体顶端设置第一盖板3，所述第一盖板3设有用于添加粉体颗粒的进料口2；所述第一盖板3中心位置固定有芒刺电极6，且芒刺电极6插入颗粒荷电室4中；所述芒刺电极6尖端与第一不锈钢极板7间的距离为6-10cm。所述芒刺电极6上端设置高压接线柱1，高压接线柱1位于第一盖板3上方；所述芒刺电极6还套设绝缘管套5，绝缘管套5位于第一盖板3下方，绝缘管套5与第一盖板3底面接触。图3为进料口和高压接线柱的相对位置示意图。如图3所示，所述进料口2的数量为两个，两个进料口2分别设置在芒刺电极6的尖端与第一不锈钢极板7的中线上。
所述颗粒荷电室4通过第二盖板10中心固定的漏斗9与颗粒运动观察室11相连；所述颗粒运动观察室11底端设置用于收集荷电颗粒的可移动收集盒13；为了实现较好的分选收集荷电颗粒，所述可移动收集盒13的数量不少于3个，并且收集盒是可以移动更换的。
颗粒荷电室4内壁相对应的两侧上分别固定第一不锈钢极板7，所述第一不锈钢极板7通过导线进行接地连接；颗粒运动观察室11内壁相对应的两侧上分别固定第二不锈钢极板12，其中一块第二不锈钢极板12通过导线连接直流高电压电源(用于接通直流高电压)，另一块第二不锈钢极板12通过导线进行接地连接。
所述拍摄设备14的拍摄口对准颗粒运动观察室11，用于对颗粒运动观察室11内荷电颗粒的运动轨迹进行摄取。其中，所述拍摄设备为高速摄像机，采用高速摄像机摄取运动轨迹的效果较好，普通摄像机或具有摄像功能的手机也可以实现。测量装置主体采用透明材料制成或者至少拍摄设备14对准的颗粒运动观察室11壁是透明的。拍摄设备14的拍摄过程同颗粒荷电过程是同步进行的。另外，所述的颗粒荷电室4和颗粒运动观察室11是通过螺栓进行连接，颗粒荷电室4、颗粒运动观察室11和漏斗9均是可以拆卸调整。
在上述基于图像识别的粉体颗粒荷电量测量装置的基础上，本发明还提供一种基于图像识别的粉体颗粒荷电量测量方法，包括以下步骤：
步骤1，首先进行测量前的准备：对颗粒荷电室4内的芒刺电极6施加高电压电离空气使其产生电晕放电，对颗粒荷电室内4的第一不锈钢极板7通过导线进行接地连接；对颗粒运动观察室11内第二不锈钢板12通过导线施加直流高电压使其产生均匀的电场；打开拍摄装置14，调整合适的距离、角度位置使其能够很好的拍摄颗粒运动观察室11内的荷电颗粒运动轨迹情况。
步骤2，进行测量：通过进料口2向颗粒荷电室内添加实验材料；粉体颗粒通过进料口2进入到颗粒荷电室4，经过芒刺电极6产生的电晕，发生场致荷电或是扩散荷电带，形成荷电颗粒；荷电颗粒在重力的作用下，通过漏斗9进入到颗粒运动观察室11；利用拍摄设备14对颗粒运动观察室11内的荷电颗粒的运动轨迹进行拍摄，对拍摄运动轨迹的视频进行提取得到连续的荷电颗粒运动轨迹照片，对运动轨迹照片进行二值处理。
步骤3，分析荷电颗粒运动加速度：通过对荷电颗粒运动轨迹的分析，得到荷电颗粒在电场方向或反方向上的运动加速度。
因为在很短的时间内，荷电颗粒的运动状态可以认为是匀加速直线运动，即符合牛顿运动定律；根据牛顿运动定律通过对荷电颗粒运动轨迹照片的分析(也可以通过matlab软件中的pivlab进行图像处理)，得到荷电颗粒在电场方向或反方向上的运动加速度a。
步骤4，分析荷电颗粒运动模型：由于运动荷电颗粒在电场所受的力包括：重力、电场力、拖拽力、浮力、压力梯度力、附加质量力、basset力、magnus力、saffman力，并基于所得到的运动加速度，通过受力分析得到荷电颗粒运动的数学模型为：
式中m表示颗粒的质量，a表示颗粒的加速度，v表示颗粒的速度；∑f表示颗粒所受总力；fg表示颗粒所受的重力，fe表示颗粒所受的电场力，fd表示颗粒所受的拖拽力，ff表示颗粒所受的浮力，fp表示颗粒所受的压力梯度力，fm表示颗粒所受的附加质量力，fb表示颗粒所受的basset力，fm表示颗粒所受的magnus力，fs表示颗粒所受的saffman力。
步骤5，根据荷电颗粒运动的数学模型，得到荷电颗粒的荷电量公式，包括步骤501至步骤504。
步骤501，根据受力大小数量级的比较，荷电颗粒在均匀静电场中运动时的浮力、压力梯度力、附加质量力、basset力、magnus力、saffman力均可以忽略，得到荷电颗粒在均匀静电场中的动力学方程可以写为：
化简得：
式中g表示重力加速度，取值9.8m/s2；e是均匀电场的强度；q/m是颗粒的荷质比；ρ是流体(空气)密度；ρp是颗粒密度；d是颗粒直径，v是颗粒运动速度，va是气流速度；cd是球形颗粒阻力系数(通过计算雷诺数re的方法来得到)：
其中，雷诺数re为：
步骤502，因为荷电颗粒在电场运动过程中，电场方向(水平方向)上只受电场力和拖曳力的作用，因此将运动方程分解为电场方向x和重力方向y两个运动方程分别为：
其中ax和ay是荷电颗粒加速度在在x和y方向上的分量；vx和vy是荷电颗粒的速度在x和y方向上的分量；vax和vay是流体的速度在x和y方向上的分量。
步骤503，以实际生产和实验中常见的层流区为例，那么荷电颗粒在电场方向或反方向上的加速度ax与荷电量q之间的关系表达式如下：
特别的当荷电颗粒是自由落体运动(即流体的速度为vax为0)有：
式中ax表示荷电颗粒在电场方向或反方向上的加速度；vx表示荷电颗粒在电场方向或反方向上的速度；q为颗粒的荷电量；e为均匀电场的强度；m为荷电颗粒的质量；d为荷电颗粒的直径；ρp为荷电颗粒的密度；μ为空气动力粘度；
步骤504，根据荷电颗粒在电场方向或反方向上加速度和荷电量的关系，计算得到颗粒的荷电量q：
同样当荷电颗粒是自由落体运动(即流体的速度为vax为0)有：
即得到得到颗粒的荷电量公式。
步骤6，利用荷电颗粒的荷电量公式，计算得到荷电颗粒的荷电量。因此，本发明的装置和方法可实现粉体颗粒荷电量。
在测量过程中，在颗粒荷电室4中芒刺电极6上施加的荷电电压和颗粒运动观察室11内第二不锈钢极板7上施加电压均为直流高压。荷电颗粒最终主要在重力的影响下进入到可移动收集盒13内。
下面以实例的形式对本发明进行说明，利用本发明基于图像识别的粉体颗粒荷电量测量装置进行颗粒荷电量测量的过程如下：
将颗粒荷电室4安装在颗粒运动观察室11上；芒刺电极1通过导线施加直流负电源-18kv，颗粒荷电室的第一不锈钢极板7通过导线进行接地连接，颗粒运动观察室11的第二不锈钢板12通过导线一侧连接直流负电源-14kv，一侧通过导线进行接地连接；可移动收集盒13放置在颗粒运动观察室11内的下方，放置顺序依次是i，ii，iii号，i号靠近高压极板，ii号在中间，iii号靠近接地极板；打开并调节拍摄设备14使其能够对颗粒运动观察室11内进行清楚的拍摄纪录，试验中缓慢均匀的添加滑石粉颗粒，得到滑石粉荷电颗粒的运动轨迹图像；对拍摄的轨迹进行提取处理并结合颗粒受力分析得到所受的电场力从而得到荷电量。
对上述实验的实验材料滑石粉原始样品进行检测分析，得到样品参数如表1所示；对实验中高压极板、接地极板、以及i、ii、iii号收集盒内的质量和成分进行测试，得到的质量分布和主要成分sio2、mgo、fe2o3变化如表2所示；实验中滑石粉荷电颗粒的运动轨迹图像如图4所示。
表1滑石粉样品的参数
表2实验后样品质量和成分分析
通过实验前后样品主要成分sio2、mgo、fe2o3变化表明，在实验中，对于颗粒成分的分选有着很好的效果，特别是在极板上测试结果表明变化最为明显。
对实验拍摄图像处理得到的图4中荷电颗粒的运动轨迹进行分析计算，实验中滑石粉颗粒的荷电量的数量级为10-14c。
综上所述，本发明基于图像识别粉体颗粒荷电量测量装置和方法，克服了传统直接方法对于单个颗粒荷电量测量不准确、成本高的缺点，简化了测量设备、降低了测量成本同时还实现颗粒的静电分选，减少了能耗，提升了工作效率，具有广泛的应用前景。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。