图像式液滴分析仪的研究

　　为了保护消费者的合法权益,技术监督部门要经常识别假酒、假饮料等。对于酒类和饮料生产部门来说,为保证产品质量经常要进行品质分析。目前通常的作法是用化学分析法,有时则需要使用多种仪器分别进行测量,而测量结果差异较大,判断难度也较大。采用液滴分析技术是一种综合方法,它可以直接或间接同时测出液体的多种物理和化学参数。而利用液滴的形成过程的差异,可以很容易鉴别两种液体的细微差别。因为,在一定条件下液滴的体积大小与液体的质量、浓度、粘度、表面张力等有关。利用摄像的方法,可以找到液滴生长过程与体积之间的变化关系,从而进一步分析和得到酒的质量数据、饮料的糖分和水的质量等。

　　一、图像式液滴分析仪的工作原理

　　图1是我们研究的液滴分析仪的原理图

　　被测液体由泵加压,经溢流阀稳压,再经节流阀送到处于恒温中的滴头,并形成液滴,液滴的生长过程和形状,由90°放置的两个摄像机摄像。

　　如果两个摄像机摄取的同步图像一致,那么只需对一路图像进行处理;如果两幅同步图像不同,则用图像合成技术进行合成,对合成后的图像进行分析、计算。由泵加压的液体通过溢流阀具有相同的压力,以免影响液滴生长速度,而节流阀则可以控制液滴生长速度。摄像机摄取的图像,由图2所示的框图进行处理,最后显示出液滴图像和体积生长过程。液滴的体积是根据液滴边缘轮廓图像处理后计算得出。计算机则由软件控制每秒钟摄取一帧图像,这样就可得到从液滴生成直至液滴生长完毕的一系列液滴生长体积图,根据这些图像则可以分析液滴物理参数,用以控制和指导生产过程。用获得的图像与标准液滴图像进行同义比较,则可辨别液体的真伪。

　　二、液滴分析

　　根据液滴边界张力与液滴体积之间的关系,可以得到

　　式中:A与A′分别为修正系数,由经验和实验得到;m为液滴质量;g为重力加速度;V为液滴体积;d为液滴密度;r为滴头毛细管半径。

　　由于r、d、g均为已知,而V由液滴分析仪测得,因而可以得到液滴体积与张力F和密度d的相关值,从而分析液体质量。

　　图3是纯净水的液滴体积与生长时间之间的关系图,可以看出纯净水液滴体积生长是线性的。若水中掺有杂质,则体积生长曲线斜率发生变化,或者局部破坏其线性关系。

　　为了正确测出液滴体积,必须准确地从图像中获取液滴的边缘。物体的边缘是由灰度的不连续反映出来的,经典的边缘提取法是考察图像的每个象素在某个领域的灰度变化来检测边缘。如微分算示、梯度算示、Roborts算示、Kivsh算示、Laplace算示、Marr算示等。考虑液滴的边缘是光滑的,我们采用LapLace算示提取边缘,其定位准确度大约为一个象素,这对液滴体积计算准确度已足够。获得边缘后,在正常情况下(均匀对称液滴)液滴体积可按式(2)进行计算