显微环境下运动颗粒图像测量系统研究

　　0　引言

　　颗粒是物质经破碎或分裂加工过程(自然的或人工的)所得到的一组或一批在形状、体积线度等物化特性方面具有某种共同特征的粒状物群体。它可以以单体存在,但却以其群体特性为科学与应用技术所关注。随着现代科学技术的发展,颗粒技术作为一门新兴的边缘学科,已深入到兵器、航空、航天、航海、化工、冶金、石油、煤炭、电力、轻工、环保、地质、水利、医药、食品、气象、材料以及交通运输等许多领域中[1]。颗粒的基本物理特性包括孔隙、形状、粒径以及颗粒分布等参数。孔隙反映了颗粒的内部结构,从而影响到颗粒的相关特性,如在土壤研究中,孔隙结构是研究的重要对象;而对于工业生产中由于颗粒多是作为材料、介质出现,因此其外形特征较为受到关注。例如磨粒由于其形态与接触表面的磨损信息有关,据此可以进行机器的状态监测和故障诊断,磨粒的形态研究则是非常重要的[2]。

　　目前发展起来的利用显微观测与图像处理技术的颗粒检测与分析,是通过从颗粒的显微图像中提取出的颗粒的相关信息,如粒径、形状等参数及微观结构等,此技术有着极大的发展潜力。在自然界和工业生产中,颗粒往往分散于流体系统中,传统的颗粒显微图像分析技术需要把颗粒采集到载玻片进行静态观测,这样会造成分析过程繁琐、周期长以及不能实时检测等问题,而且采集的图像中颗粒可能会重叠、链接,不利于图像处理。但传统的显微测量平台大都是针对静止的观测目标设计的,载玻片和盖玻片的尺寸都必须符合特定的标准,而流体中运动颗粒的测量需要采用特定的测量器件,图像在颗粒运动的过程中采集,颗粒成像的条件和静态颗粒有很大区别,为此必须对显微环境下运动颗粒图像测量系统进行专门研究。

　　1　运动颗粒测量平台的原理以及测量器件

　　为了构建运动颗粒的图像测量平台,本文首先确定了运动颗粒的显微图像的观测原理。系统组成如图1所示。系统主要由检测芯片、显微物镜以及数字图像传感器等部分组成。

　　检测芯片是整个系统的核心器件,是自行设计加工的有微管道的光学器件。考虑到图像采集的需要和分析样品之间的化学稳定性,芯片采用玻璃为基体材料,并采用了微机电系统加工工艺,其中微管道采用湿法腐蚀的方法得到,一般采用含氢氟酸的腐蚀剂,如HF/ HNO3, HF/ NH4F等对玻璃基体进行腐蚀,封装采用热键合技术,在管道的两端加工有可连接毛细管的钢管作为流体的出入口。图2为一个芯片的实物图,芯片中微管道的深度为100μm,宽度为数百微米不等。可测量颗粒的粒径范围在5~200μm之间。