CN111289408B - 激光辅助识别赫尔-肖氏薄板中颗粒分布的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光辅助识别赫尔‑肖氏薄板中颗粒分布的方法，采用的器件有赫尔‑肖氏盛颗粒玻片架、激光灯、CCD相机、数据处理系统、密封摄影棚以及赫尔‑肖氏盛颗粒玻片；将颗粒试样填充至赫尔‑肖氏盛颗粒玻片中形成颗粒床，置于密封摄影棚内的赫尔‑肖氏盛颗粒玻片支架上，利用激光灯提供稳定光源，在同一光束的投影下，在固定时间间隔内将由CCD相机采集到的颗粒床的每一帧图片；结合数据处理系统中的AlgolabPtVector图片处理软件与Matlab软件处理识别颗粒床中颗粒分布，通过所识别图片上呈现的不同明暗程度来获得颗粒的薄厚程度，确定颗粒运动轨迹与侵蚀区域，用来观察赫尔‑肖氏薄板中后源侵蚀的发展过程。

Description

激光辅助识别赫尔-肖氏薄板中颗粒分布的装置及方法

技术领域

本发明涉及水利及岩土工程试验系统，特别涉及一种激光辅助识别赫尔-肖氏薄板中颗粒分布，并确定颗粒运动轨迹与侵蚀区域的试验系统。

背景技术

颗粒起动是颗粒运动的基本问题之一，掌握颗粒起动规律对颗粒运动的研究有十分重要的意义。激光辅助识别赫尔-肖氏薄板中颗粒分布的装置及方法能够确定颗粒薄厚分布变化过程，对于观察总结颗粒起动规律具有十分重要的作用。目前赫尔-薄板试验中盛颗粒玻片间距离不可变，且无法直接由肉眼观测得到赫尔-肖氏薄板中颗粒薄厚分布情况与变化过程。由于光的折射，赫尔-肖氏薄板试验中赫尔-肖氏薄板中颗粒在平行自然光下也是无法识别的，而激光由于具有非常好的方向性、单色性和极高的发光强度，能够从单个颗粒层面上研究赫尔-肖氏薄板中颗粒的层数分布情况，确定颗粒的运动轨迹，有利于掌握颗粒起动规律，深入研究后源侵蚀的起动以及发展过程。

为得到精确的试验结果，急需提出一种试样分布情况的检验方法，在试验过程中对试样进行科学的检测。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提出一种激光辅助识别赫尔-肖氏薄板中颗粒分布的装置及方法，利用激光照射赫尔-肖氏薄板中颗粒，考虑均匀密实粉颗粒在不同薄厚程度下的明暗程度差异，通过处理试验图片确定赫尔-肖氏薄板中颗粒的薄厚程度，以配合观察研究赫尔-肖氏薄板中的渗流侵蚀发展过程。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种激光辅助识别赫尔-肖氏薄板中颗粒分布的装置，包括设置在密封摄影棚内的赫尔-肖氏盛颗粒玻片架，所述赫尔-肖氏盛颗粒玻片架上放置有赫尔-肖氏盛颗粒玻片，所述赫尔-肖氏盛颗粒玻片的上方设置有光源，所述赫尔-肖氏盛颗粒玻片的下方设有CCD相机，所述CCD相机连接至数据处理系统；所述光源采用激光灯；所述激光灯的型号为ZLM12D650-43BD，可射出光束直径为30mm的红光点状激光平行光源；所述激光灯的高度根据所述赫尔-肖氏盛颗粒玻片的半径进行调整，以保证所述激光灯射出光束的直径≥赫尔-肖氏盛颗粒玻片的直径；所述赫尔-肖氏盛颗粒玻片中的两玻片之间的距离可调，间距调节的范围在0.5～3.0mm之间；所述CCD相机采用型号为acA640-90gm-Basler ace的工业定制相机，所述CCD相机的镜头冲向所述赫尔-肖氏盛颗粒玻片；所述数据处理系统包括安装在一台计算机中的Matlab软件和AlgolabPtVector图片处理软件，所述数据处理系统接收、记录和处理来自于所述CCD相机的数据。

进一步讲，本发明所述的激光辅助识别赫尔-肖氏薄板中颗粒分布的装置，其中，所述CCD相机的镜头轴线与所述赫尔-肖氏盛颗粒玻片的中心线重合。

所述光源处于关闭状态时，所述密封摄影棚内处于绝对无光状态。

同时，本发明中还提供了利用上述激光辅助识别赫尔-肖氏薄板中颗粒分布的装置进行识别的方法，首先，将颗粒试样填充至所述赫尔-肖氏盛颗粒玻片中形成颗粒床；然后，在激光灯同一光束的投影下，在固定时间间隔内将由所述CCD相机采集到的颗粒床的每一帧图片；最后，结合数据处理系统中的AlgolabPtVector图片处理软件与Matlab软件处理识别所述颗粒床中颗粒分布，通过所有图片确定颗粒运动轨迹与侵蚀区域。

进一步讲，本发明所述的激光辅助识别赫尔-肖氏薄板中颗粒分布的方法，经数据处理系统处理后的每一帧图片中：颗粒厚处呈现黑色；颗粒薄处呈现灰色；无颗粒处呈现白色。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的光源采用方向性、单色性和极高发光强度俱佳的激光灯，结合AlgolabPtVector图片处理软件与Matlab处理识别试验过程中采集的图片，从单个颗粒层面上对赫尔-肖氏薄板中颗粒的层数分布情况进行研究，明确颗粒侵蚀过程中的变化情况，有利于深入研究赫尔-肖氏薄板中后源侵蚀的起动及发展过程。

附图说明

图1为本发明激光辅助识别赫尔-肖氏薄板中颗粒分布的装置的结构示意简图；

图2为本发明中的图像采集过程示意图；

图3为本发明激光辅助识别赫尔-肖氏薄板中颗粒分布的方法得到的识别结果示意图。

图中：

1、赫尔-肖氏盛颗粒玻片架 2、激光灯 3、CCD相机

4、数据处理系统 5、密封摄影棚 6、赫尔-肖氏盛颗粒玻片

7、颗粒床

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

本发明的设计思路是，通过本发明提供的装置及方法标定颗粒床中颗粒试样密实及均匀程度来防止因为试样初始缺陷而导致试验失败，从而进一步完善赫尔-肖氏薄板试验。

如图1所示，本发明提出的一种激光辅助识别赫尔-肖氏薄板中颗粒分布的装置，包括设置在密封摄影棚5内的赫尔-肖氏盛颗粒玻片架1，所述赫尔-肖氏盛颗粒玻片架1上放置有赫尔-肖氏盛颗粒玻片6，所述赫尔-肖氏盛颗粒玻片6的上方设置有光源，所述赫尔-肖氏盛颗粒玻片6的下方设有CCD相机3，所述CCD相机3连接至数据处理系统4。

本发明中，所述光源采用激光灯2，所述激光灯2发出光束的直径尺寸与赫尔-肖氏薄板在盛颗粒玻片的尺寸相符，并固定于赫尔-肖氏盛颗粒玻片6中心正上方的指定高度位置，用于提供稳定、可重复的激光，即所述激光灯2在单次赫尔-肖氏薄板试验过程中激光应保持稳定且不发生任何变化。所述激光灯2的高度根据所述赫尔-肖氏盛颗粒玻片6的半径进行调整，以保证所述激光灯2射出光束的直径≥赫尔-肖氏盛颗粒玻片6的直径，使得赫尔-肖氏薄板在盛颗粒玻片范围内均可使激光透过，本发明中的所述激光灯2的型号为ZLM12D650-43BD，可射出光束直径为30mm的红光点状激光平行光源。

所述赫尔-肖氏盛颗粒玻片6中两玻片之间的距离必须为盛薄颗粒单元的尺寸相符，所述赫尔-肖氏盛颗粒玻片6中的两玻片之间的距离可调，间距调节的范围在0.5～3.0mm之间。

所述CCD相机3采用型号为acA640-90gm-Basler ace的工业定制相机，所述CCD相机3的镜头冲向所述赫尔-肖氏盛颗粒玻片6，所述CCD相机3的镜头轴线与所述赫尔-肖氏盛颗粒玻片6的中心线重合。所有被CCD相机3采集到的图片，其上所有图像必须是激光穿过颗粒试样而得到的。

所述数据处理系统4包括安装在一台计算机中的Matlab软件和AlgolabPtVector图片处理软件，所述数据处理系统4接收、记录和处理来自于所述CCD相机3的数据。

所述密封摄影棚5保证该摄影棚内所有器件和系统无外部光线干扰，即如果没有激光灯2照射，试验装置处于绝对无光状态。

本发明提出的激光辅助识别赫尔-肖氏薄板中颗粒分布的方法，其主要目的在于配合观察研究赫尔-肖氏薄板中后源侵蚀的发展过程。此方法考虑均匀密实粉颗粒在不同薄厚程度下的明暗程度差异，通过处理试验图片确定试样薄厚程度，主要用于观察研究赫尔-肖氏薄板渗流侵蚀发展过程。

如图1和图2所示，利用本发明提供的激光辅助识别赫尔-肖氏薄板中颗粒分布的方法，首先，将颗粒试样填充至所述赫尔-肖氏盛颗粒玻片6中形成颗粒床7，然后，将所述赫尔-肖氏盛颗粒玻片6嵌入赫尔-肖氏盛颗粒玻片架1的卡槽中，在进行试验系统调整时，要求确保赫尔-肖盛颗粒玻片架1水平放置，不得倾斜；将嵌装有颗粒床7的赫尔-肖氏盛颗粒玻片架1置于密封摄影棚5内；在赫尔-肖氏盛颗粒玻片架1的上、下方分别放置激光灯2和CCD相机3，保证激光灯2、赫尔-肖盛颗粒玻片架1和CCD相机3三者对齐，中心位置处于同一铅垂线上；调整CCD相机3的焦距，保证得到大小合适、图像清晰的赫尔-肖氏薄板颗粒图像，将CCD相机与数据采集系统4相连接；图像采集时保持固定频率，且保持试验过程中激光光源稳定，以便对赫尔-肖氏薄板中后源侵蚀的起动及发展过程做出研究。整个系统除数据采集系统4外，其余装置均置于密封摄影棚5内以排除外部光线干扰。本发明装置中相关器件的布置形式，可根据试验具体情况调整，以达到最佳试验效果。

在进行具体实施时，首先应将整个装置中的各部件准备好，将有关部件按照图1连接；确保激光灯2在指定高度处提供稳定光源；在进行设备连接时，确保CCD相机3的机盖处于拧紧状态，以防止灰尘进入，利用该支架底部的CCD相机3采集颗粒床7图片，在激光灯2同一光束的投影下，在固定时间间隔内将由所述CCD相机3采集到的颗粒床7的每一帧图片，结合数据处理系统4中的AlgolabPtVector图片处理软件与Matlab软件处理识别图片上呈现的不同明暗程度来获得颗粒的薄厚程度，即图片的深浅程度不同，经数据处理系统4处理后的每一帧图片中按照所述颗粒床7中颗粒分布的情形分别是：颗粒厚处呈现黑色；颗粒薄处呈现灰色；无颗粒处呈现白色，如图3所示，通过所有图片确定颗粒运动轨迹与侵蚀区域。本发明中，对于AlgolabPtVector图片处理软件与Matlab软件的使用属于本领域公知常识，在此不再赘述。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种激光辅助识别赫尔-肖氏薄板中颗粒分布的装置，包括设置在密封摄影棚(5)内的赫尔-肖氏盛颗粒玻片架(1)，所述赫尔-肖氏盛颗粒玻片架(1)上放置有赫尔-肖氏盛颗粒玻片(6)，所述赫尔-肖氏盛颗粒玻片(6)的上方设置有光源，所述赫尔-肖氏盛颗粒玻片(6)的下方设有CCD相机(3)，所述CCD相机(3)连接至数据处理系统(4)；其特征在于，

所述光源采用激光灯(2)；

所述激光灯(2)的型号为ZLM12D650-43BD，可射出光束直径为30mm的红光点状激光平行光源；所述激光灯(2)的高度根据所述赫尔-肖氏盛颗粒玻片(6)的半径进行调整，以保证所述激光灯(2)射出光束的直径≥赫尔-肖氏盛颗粒玻片(6)的直径；

所述赫尔-肖氏盛颗粒玻片(6)中的两玻片之间的距离可调，间距调节的范围在0.5～3.0mm之间；

所述CCD相机(3)采用型号为acA640-90gm-Basler ace的工业定制相机，所述CCD相机(3)的镜头冲向所述赫尔-肖氏盛颗粒玻片(6)；

所述数据处理系统(4)包括安装在一台计算机中的Matlab软件和AlgolabPtVector图片处理软件，所述数据处理系统(4)接收、记录和处理来自于所述CCD相机(3)的数据。

2.根据权利要求1所述的激光辅助识别赫尔-肖氏薄板中颗粒分布的装置，其特征在于，所述CCD相机(3)的镜头轴线与所述赫尔-肖氏盛颗粒玻片(6)的中心线重合。

3.根据权利要求1所述的激光辅助识别赫尔-肖氏薄板中颗粒分布的装置，其特征在于，所述光源处于关闭状态时，所述密封摄影棚(5)内处于绝对无光状态。

4.一种激光辅助识别赫尔-肖氏薄板中颗粒分布的方法，其特征在于，利用如权利要求1所述的激光辅助识别赫尔-肖氏薄板中颗粒分布的装置，将颗粒试样填充至所述赫尔-肖氏盛颗粒玻片(6)中形成颗粒床(7)，在激光灯(2)同一光束的投影下，在固定时间间隔内将由所述CCD相机(3)采集到的颗粒床(7)的每一帧图片，结合数据处理系统(4)中的AlgolabPtVector图片处理软件与Matlab软件处理识别所述颗粒床(7)中颗粒分布，通过所有图片确定颗粒运动轨迹与侵蚀区域。

5.根据权利要求4所述的激光辅助识别赫尔-肖氏薄板中颗粒分布的方法，其特征在于，经数据处理系统(4)处理后的每一帧图片中：颗粒厚处呈现黑色；颗粒薄处呈现灰色；无颗粒处呈现白色。