基于图像透光率的粉尘浓度视觉测量方法及分布规律研究

发布时间：2020-04-27 12:39

【摘要】：超过一定浓度的粉尘污染易对作业人员行为造成影响,对作业人员健康以及安全生产等造成危害,甚至发生粉尘爆炸事故,对生命造成威胁,因此开展对粉尘浓度测量方法及粉尘浓度分布规律的研究具有必要。实现粉尘浓度在线测量可及时掌握车间内的粉尘浓度变化情况,避免因粉尘浓度过高,对作业人员等造成危害;有限空间内粉尘浓度的分布规律分析可对除尘设施安装、作业人员作业位置安排等提供参考;其中粉尘浓度测量是研究基础,可作为测量方法应用,也可为开展粉尘浓度分布规律研究提供技术支撑,而粉尘浓度分布规律则是粉尘测量方法的应用,其研究成果可为粉尘控制工作提供理论支撑。为粉尘污染控制提供技术支撑及理论依据,课题基于视觉测量法(Vision Based Measurement,VBM)以及图像透光率特征,研究了以下内容:大气光散射效应和粉尘颗粒的遮挡效应影响视觉测量法的测量精度。为降低这两个效应对精度造成的影响,基于理论分析法和实验研究法,在构建VBM粉尘浓度视觉测量系统的基础上,建立基于图像透光率的粉尘浓度测量方法。结果表明所提出方法的相对误差为±3%,不确定度为2.05%,相关性为0.9978,测量周期为2s。图像透光率作为粉尘浓度的图像识别特征,可降低大气散射效应和粉尘颗粒遮挡效应对测量精度的影响,实现测量精度的提高。传统相似实验法多采用点测量,其精度受采样点个数影响。为更直观、更准确地分析有限空间内粉尘浓度的分布规律,提出采用相似模拟法,利用VBM面域测量特点以及图像透光率特征展开研究,构建了X方向和Z方向的粉尘浓度分布的经验公式。结果表明在车间内,X方向粉尘浓度随距离增加呈先指数函数后振荡函数分布,Z方向粉尘浓度与尘源距离呈抛物线函数分布,XOZ端面粉尘浓度较低时粉尘趋于层流分布,粉尘浓度越高越趋于湍流分布。
【图文】：

示意图,大气散射,成像,示意图

图 2.1 大气散射成像示意图由图 2.1 可知，场景目标在光的作用下产生反射光，该目标的图像则通过成像设备接收场景目标的反射光、其他场景光、地面反射光、光源光线等而形成。在粉尘环境下，场景目标的反射光、其他场景光、地面反射光欲到达成像设备处，需穿透大气中的粉尘颗粒。而该穿透过程中，部分光线会因粉尘颗粒产生散射作用，部分光线会被吸收，最终达到成像设备处的光线会受到衰减影响。因此场景目标成像的质量主要从两个方面受粉尘颗粒散射作用影响：一是粉尘颗粒散射和吸收导致的入射光衰减作用，即粉尘颗粒的遮挡效应；二是各种环境光通过大气介质的散射作用进入成像设备的大气光成像作用，即大气光散射效应。为进一步研究大气散射原理，分析粉尘遮挡效应及大气光散射效应对图像成像的影响，入射光衰减以及大气光成像模型被提出[61]。2.3.1 入射光衰减

示意图,入射光,示意图,场景

图 2.2 入射光衰减示意图由图 2.2 可知，入射光线在具有粉尘颗粒等散射介质的大气中传播后，其出射光线发生了衰减现象。由于粉尘颗粒的遮挡效应引起的光线强度衰减与场景深度有直接关系，即衰减后的入射光强度随着场景景深加深呈指数衰减分布，其场景深度越深，衰减作用越强。因此成像设备所接收的场景目标反射光线强度E ( , )dtd λ可表示为：( )0E ( , ) E ( )eddtdβ λλ λ = (2.6)式中0E ( λ )表示场景目标最初的反射光强度，d 表示场景深度，，λ 表示可见光波波长，β(λ)表示大气散射系数，其值的大小与波长 λ 有关，而( )e β λd则为图像透光率。2.3.2 大气光成像环境光遇到大气中悬浮微粒时，会产生散射效应导致原始传播路径发生偏移，
【学位授予单位】：四川师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD714.4

【参考文献】