分散系统颗粒物分形维数的评估方法及评估系统

本发明属于分散系统颗粒物分形维数的测定，更具体地，涉及一种分散系统颗粒物分形维数的评估方法及评估系统。

背景技术：

1、分形维数是复杂形体不规则性的量度，可认为是分形形体与其所占据的空间的比例。分散系统粒度分布和分形维数体现了颗粒组成的均匀程度，能够较好地表征颗粒物的粒度整体分布，与颗粒物比表面积等物理性质有直接关系。当颗粒物分形维数越小时，其比表面积越大，吸附性也越强，被人体吸收后所造成的危害也就越大。此外，颗粒物的粒度分布分形维数还会对气候、环境等产生影响。因此，测定分散系统颗粒物的分散系数对于环境质量的评估具有重要的参考价值。

2、目前，关于颗粒物粒度分布分形维数的测量主要有实验观察、计算模拟、图像识别等技术。这些方法的实现原理均包含两个方面。首先通过显微镜观察其形态，获得不同样品的颗粒图片，之后利用不同模型拟合颗粒的分布，或者直接利用计算机图像识别技术计算其分形维数。这个过程会有两个因素影响最终结果的准确性。其一是显微镜图像精度，显微镜精度越高，微小的扰动则对其影响越大，这就导致图片产生的噪声点越多，因而会影响后续的观察与计算处理。其二是分形维数的计算方法。分形维数的计算方法主要有构造步长法、盒维数法、回旋半径法等。构造步长法属于手动测算，获得的数据较少且不精确。盒维数目前是使用较多的一种方法，在此方法中，盒子的大小对其最终结果极其重要，盒子越小，计算结果约精确，但会消耗巨大的计算机内存，且此方法的计算精度会受到颗粒形态的严重影响。回旋半径法假定粒子为球形且密度均匀，通过统计原始粒子的大小及位置来计算颗粒物的回旋半径。但该方法与原始粒子的大小及位置有关，不仅需要测量初粒子的大小，还需测量初粒子在颗粒团中的精确位置，因此过程复杂，容易产生误差。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种分散系统颗粒物分形维数的评估方法及评估系统，其目的在于高效、准确地得到整个分散系统的分形维数。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种分散系统颗粒物分形维数的评估方法，

3、获取分散系统颗粒物粒径在对数正态分布下的标准差；

4、基于标准差评估分散系统的分形维数，评估公式为：

5、。

6、在其中一个实施例中，所述获取分散系统颗粒物粒径在对数正态分布下的标准差，包括：

7、粒径分布测定：测定分散系统中颗粒物的粒径以及粒径为的颗粒物的颗粒含量；

8、拟合：利用标准的对数正态分布函数对分散系统颗粒物的粒径分布进行拟合，以确定对数正态分布函数中的期望和标准差为，所述对数正态分布函数的形式为：

9、；

10、其中，为关于粒径的分布概率密度函数。

11、在其中一个实施例中，所述获取分散系统颗粒物粒径在对数正态分布下的标准差，包括：

12、粒径分布测定：测定分散系统中颗粒物的粒径以及粒径为的颗粒物的颗粒含量；

13、第一计算：计算分散系统中颗粒物粒径分布的期望和方差，计算公式为：

14、；

15、；

16、第二计算：基于计算的期望和方差计算颗粒物粒径分布的标准差，计算公式为：

17、；

18、其中，为颗粒物的粒径数量。

19、在其中一个实施例中，利用激光粒度仪实现粒径分布测定。

20、在其中一个实施例中，基于计算机图像识别实现粒径分布测定，包括：

21、步骤s110、通过显微镜图像采集卡得到显微图像；

22、步骤s120、采用中值滤波，去掉背景或环境噪声；

23、步骤s130、通过0-1整数优化对图像进行再处理；

24、步骤s140、根据图论中的种子填充算法标记粒子的连通域及其中心点位置；

25、步骤s150、基于等效原理，计算出标记粒子的粒径并保存到数据结构中，其中，等效原理指的是以标记的连通域面积作为圆的面积并计算半径作为对应颗粒的等效半径，根据数据结构的存储数据得到颗粒物的粒径以及粒径为的颗粒物的颗粒含量。

26、在其中一个实施例中，所述拟合包括：

27、将粒径划分为若干区间，统计各区间粒子数量，画出粒度分布图，并采用最小二乘法对粒度分布曲线进行多项式拟合和优化，得到粒径分布的对数正态分布函数。

28、一种分散系统颗粒物分形维数的评估系统，包括：

29、分布参数计算模块，用于获取分散系统颗粒物粒径在对数正态分布下的标准差；

30、分形维数计算模块，用于基于标准差评估分散系统的分形维数，评估公式为：

31、。

32、在其中一个实施例中，所述分布参数计算模块包括：

33、粒径分布测定单元，用于测定分散系统中颗粒物的粒径以及粒径为的颗粒物的颗粒含量；

34、拟合单元，用于利用标准的对数正态分布函数对分散系统颗粒物的粒径分布进行拟合，以确定对数正态分布函数中的期望和标准差为，所述对数正态分布函数的形式为：

35、

36、其中，为关于粒径的分布概率密度函数。

37、在其中一个实施例中，所述分布参数计算模块包括：

38、粒径分布测定单元，用于测定分散系统中颗粒物的粒径以及粒径为的颗粒物的颗粒含量；

39、第一计算单元，用于计算分散系统中颗粒物粒径分布的期望和方差，计算公式为：

40、；

41、；

42、第二计算单元，用于基于计算的期望和方差计算颗粒物粒径分布的标准差，计算公式为：

43、；

44、其中，为颗粒物的粒径数量。

45、在其中一个实施例中，所述粒径分布测定单元包括：

46、滤波子单元，用于将通过显微镜图像采集卡得到显微图像进行中值滤波，去掉背景或环境噪声；

47、整数优化子单元，用于通过0-1整数优化对滤波后的图像进行再处理；

48、标记子单元，用于根据图论中的种子填充算法标记粒子的连通域及其中心点位置；

49、等效半径计算子单元，用于基于等效原理计算出标记粒子的粒径并保存到数据结构中，其中，等效原理指的是以标记的连通域面积作为圆的面积并计算半径作为对应颗粒的等效半径。

50、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

51、本发明给出了分散系统颗粒分布的分形维数评估公式，利用该公式计算分形维数只需要对颗粒物的粒径分布进行测量，无需测量颗粒物的几何形态特征参数，不存在颗粒形态等因素对分形维数产生的影响，故而按照本发明的测量方法，能够减少实验测量所带来的误差，同时快速、高效地得到颗粒物的分形维数，特别适合于分散系统、颗粒群的数据分析。

技术特征：

1.一种分散系统颗粒物分形维数的评估方法，其特征在于，获取分散系统颗粒物粒径在对数正态分布下的标准差；基于标准差评估分散系统的分形维数，评估公式为：

2.如权利要求1所述的分散系统颗粒物分形维数的评估方法，其特征在于，所述获取分散系统颗粒物粒径在对数正态分布下的标准差，包括：

3.如权利要求1所述的分散系统颗粒物分形维数的评估方法，其特征在于，所述获取分散系统颗粒物粒径在对数正态分布下的标准差，包括：

4.如权利要求2或3所述的分散系统颗粒物分形维数的评估方法，其特征在于，利用激光粒度仪实现粒径分布测定。

5.如权利要求2或3所述的分散系统颗粒物分形维数的评估方法，其特征在于，基于计算机图像识别实现粒径分布测定，包括：

6.如权利要求2所述的分散系统颗粒物分形维数的评估方法，其特征在于，所述拟合包括：

7.一种分散系统颗粒物分形维数的评估系统，其特征在于，包括：

8.如权利要求7所述的分散系统颗粒物分形维数的评估系统，其特征在于，所述分布参数计算模块包括：

9.如权利要求7所述的分散系统颗粒物分形维数的评估系统，其特征在于，所述分布参数计算模块包括：

10.如权利要求8或9所述的分散系统颗粒物分形维数的评估系统，其特征在于，所述粒径分布测定单元包括：

技术总结
本发明公开了一种分散系统颗粒物分形维数的评估方法及系统，其方法包括：设定分散系统颗粒物粒径的分布服从期望为标准差为的对数正态分布，确定标准差的取值；基于标准差评估分散系统的分形维数，评估公式为：。本发明给出了分散系统颗粒分布的分形维数评估公式，利用该公式计算分形维数只需要对颗粒物的粒径分布进行测量，无需测量颗粒物的几何形态特征参数，不存在颗粒形态等因素对分形维数产生的影响，故而按照本发明的测量方法，能够减少实验测量所带来的误差，同时快速、高效地得到颗粒物的分形维数，特别适合于分散系统、颗粒群的数据分析。

技术研发人员：杨益雄,姜之昊,谢明亮
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11