一种测量颗粒流速度场的装置及方法制造方法及图纸

根据本发明专利技术所涉及的测量颗粒流速度场的装置及方法，测量颗粒流速度场的装置包括水平转台、滚筒、光源部、图像采集部以及计算机。对颗粒流速度场进行测量的方法，包括以下步骤：1，采集流化床表面的颗粒流的图像；2，将图像分割为多个测量子区域；3，空间滤波然后遍历整个测量子区域，获得空间滤波原始信号；4，对原始信号做频谱分析得到信号频谱；对信号频谱进行校正，获得信号的中心频率；通过计算后得到测量子区域的速度；步骤5，对所有采样点重复步骤2、3、4，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。本发明专利技术提供的测量装置调试简单，无需复杂的光学透镜和透射光栅，解决了传统空间滤波无法解决的速度场测量的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种测量颗粒流速度场的装置及方法
本专利技术属于速度测量
，具体涉及一种测量颗粒流速度场的装置及方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。在本专利技术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,在本专利技术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。在本专利技术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,在本专利技术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,在本专利技术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。专利技术的作用与效果根据本专利技术所涉及的一种测量颗粒流速度场的装置及方法，因为本专利技术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。本专利技术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是本专利技术的实施例中颗粒流速度场测量装置的示意图；图2是本专利技术的实施例中测量区域的划分示意图；图3是本专利技术的实施例中信号频谱与校正结果；图4是本专利技术的实施例中滚筒内颗粒流速度场的测量结果；以及图5是本专利技术的实施例中图像处理流程图。具体实施方式为了使本专利技术实现的技术手段、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专利技术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，对本专利技术提供的一种颗粒流速度场测量装置和方法，做具体说明。本专利技术的工作原理：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∈[1,10本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量颗粒流速度场的装置，其特征在于，包括：水平转台，装有不规则颗粒的滚筒，安装在所述水平转台上；光源部，用于产生照射所述滚筒内颗粒流的流化床表面上的平行光，图像采集部，设置在所述滚筒的被光照的一侧；以及计算机，与所述图像采集部相连，接收所述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，其中，所述光源部采用白色LED光源，利用凹面镜产生平行光,所述图像采集部为线阵CCD相机，所述相机的像素数量为1024，采集的速率为每秒钟1000张。

【技术特征摘要】
1.一种测量颗粒流速度场的装置，其特征在于，包括：水平转台，装有不规则颗粒的滚筒，安装在所述水平转台上；光源部，用于产生照射所述滚筒内颗粒流的流化床表面上的平行光，图像采集部，设置在所述滚筒的被光照的一侧；以及计算机，与所述图像采集部相连，接收所述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，其中，所述光源部采用白色LED光源，利用凹面镜产生平行光,所述图像采集部为线阵CCD相机，所述相机的像素数量为1024，采集的速率为每秒钟1000张。2.一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，图像采集部沿所述滚筒径向对准所述滚筒中的颗粒流化床中部某一位置，采集所述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中的所述线阵CCD阵列分为若干采样点，依据所述采样点的分布情况划分测量子区域，每一个所述测量子区域都是一个速度测量区域；步骤3，取所述测量子区域的一行数据进行像素分配模拟...

【专利技术属性】
技术研发人员：林世昊，杨晖，龚建铭，李然，侯鹏，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31