本發(fā)明屬于形貌測量方法領(lǐng)域，具體涉及一種用于旋轉(zhuǎn)容器中液體或固體表面形貌測量裝置及方法。

背景技術(shù)：

為了定量研究物體的三維形貌特征，需要采用必要的測量方法得到物體的表面輪廓參數(shù)，進(jìn)而達(dá)到重建物體表面特征的目的。隨著工業(yè)的發(fā)展，為了確保產(chǎn)品質(zhì)量，很多擁有復(fù)雜曲面表面的產(chǎn)品需要通過測量產(chǎn)品表面形貌的測量及監(jiān)測判別產(chǎn)品的性能，如水輪機葉片、飛機等的外殼形狀等。

目前，靜態(tài)物體的表面三維形貌測量方法已經(jīng)比較成熟，趨于商業(yè)化的產(chǎn)品也有問世。運動物體的表面形貌測量方法還處于起步階段，其中，關(guān)于旋轉(zhuǎn)容器中液體的表面形貌測量的研究就相對較少。測量物體表面三維形貌的方法主要有接觸式測量和非接觸式測量。接觸式測量擁有比較高的精確度，但是速度比較慢，容易對容器產(chǎn)生損傷。非接觸測量方法主要是光學(xué)測量方法，主要包括激光掃描方法、計算機體層攝影、立體測量和結(jié)構(gòu)光測量方法。激光掃描法設(shè)備昂貴，可行性低。結(jié)構(gòu)光測量方法比較成熟，一般為相位法和云紋法。相位法需要從不同角度同時攝取被測物進(jìn)行三維重建，不適用于轉(zhuǎn)速很高的旋轉(zhuǎn)運動液體表面測量。同時，液體在旋轉(zhuǎn)容器中高速運行時狀態(tài)與靜止?fàn)顟B(tài)下形貌不同，就給在高速下測量液體表面形貌測量提高了難度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種用于旋轉(zhuǎn)容器中液體或固體表面形貌測量裝置及方法，能夠用于旋轉(zhuǎn)運動容器中液體或固體的表面形貌測量，結(jié)構(gòu)簡單且易于實現(xiàn)。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

包括照相機，以及通過旋轉(zhuǎn)軸同軸固定相連的斬波板和旋轉(zhuǎn)容器，斬波板和旋轉(zhuǎn)容器之間留有間隙；旋轉(zhuǎn)容器上能夠固定連接透明密封板；斬波板上開設(shè)有位置能夠調(diào)整的斬波窗口，在斬波窗口的上方設(shè)置有激光器；照相機的鏡頭位于斬波板和透明密封板之間，且朝向透明密封板。

進(jìn)一步地，激光器采用線型激光器。

進(jìn)一步地，透明密封板上設(shè)置刻度盤；透明密封板的材質(zhì)為亞克力，厚度為1mm。

進(jìn)一步地，斬波窗口為扇形；斬波窗口的最大半徑大于或等于所測液體或固體的最大半徑。

進(jìn)一步地，照相機的鏡頭和水平面之間有30°到60°的夾角。

本發(fā)明方法的技術(shù)方案是：包括以下步驟：

步驟一：先在帶有旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)容器中加入待測的液體或固體，蓋上透明密封板并固定；旋轉(zhuǎn)軸伸出透明密封板，在旋轉(zhuǎn)軸上端固定連接帶有斬波窗口的斬波板，斬波窗口的上方設(shè)置有激光器；

步驟二，通過旋轉(zhuǎn)軸帶動旋轉(zhuǎn)容器、透明密封板和斬波板同步轉(zhuǎn)動，啟動激光器發(fā)出激光束，激光束穿過斬波窗口和透明密封板，在旋轉(zhuǎn)容器中待測的液體或固體表面產(chǎn)生投影線；

步驟三：采用長時間曝光的多圈測量方法，通過照相機對待測的液體或固體表面拍照，獲得投影線信息圖片；對投影線信息圖片進(jìn)行圖像處理，獲取二維圖像；

步驟四：對獲得的二維圖像進(jìn)行優(yōu)化整合，繪制旋轉(zhuǎn)容器中液體或固體表面形貌。

進(jìn)一步地，步驟二中的轉(zhuǎn)速為300rad/min。

進(jìn)一步地，步驟三中，長時間曝光的多圈測量方法條件為：照相機的相機光圈大小為8，曝光時間為25s，感光度為100。

進(jìn)一步地，步驟三中的圖像處理包括：

(a)對獲得的投影線信息圖片進(jìn)行裁剪、調(diào)整飽和度并將投影線信息圖片中的激光信息提取得到激光光路圖的輪廓，得到初始圖像；

(b)根據(jù)激光器的主要色，提取初始圖像中的色素信息，并采用極大值檢測法，提取色素分量圖像上每列像素點最大值處的位置坐標(biāo)，得到由各列最大點位置坐標(biāo)組成的曲線；

(c)采用加權(quán)均值法對步驟(b)得到的曲線進(jìn)行圖像光滑處理，得到消噪的圖像曲線；

(d)對投影線信息圖片進(jìn)行灰度處理，利用投影線信息圖片中旋轉(zhuǎn)容器長寬比，計算照相機的傾斜角度；通過照相機的傾斜角度與投影線信息圖片和實物的比例，計算出投影線信息圖片中的曲線的高度與實際待測的液體或固體高度的比例，獲得實際待測的液體或固體高度；

(e)結(jié)合實際待測的液體或固體高度和消噪的圖像曲線，獲得二維圖像。

進(jìn)一步地，步驟四中的圖像優(yōu)化整合具體包括：

(a)通過補償處理及數(shù)據(jù)對準(zhǔn)步驟，對不同條件下得到的二維圖像進(jìn)行基準(zhǔn)統(tǒng)一，統(tǒng)一以原旋轉(zhuǎn)容器中心作為坐標(biāo)原點；

(b)數(shù)據(jù)插值處理及數(shù)據(jù)合成處理將離散的二維圖像曲線擬合為初始三維圖像；

(c)數(shù)據(jù)表面光滑處理將初始三維圖像進(jìn)行表面消噪，完成旋轉(zhuǎn)容器中液體或固體表面形貌的繪制。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

本發(fā)明通過采用透明密封板，實現(xiàn)透光與密封雙重功能；通過設(shè)置斬波窗口、激光器和照相機等，能夠在斬波窗口與固定的激光器重合時，使激光透過斬波窗口投影到旋轉(zhuǎn)容器內(nèi)待測液體或固體表面，產(chǎn)生投影，通過照相機長時間多圈測量拍攝，獲取投影信息，通過對投影信息處理可以獲取高轉(zhuǎn)速測量旋轉(zhuǎn)運動條件下容器內(nèi)液體或固體的表面形貌特征；本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，能夠用于旋轉(zhuǎn)運動容器中液體或固體的表面形貌測量。

進(jìn)一步地，采用了扇形斬波窗口獲得穩(wěn)定的表面投影線，屏蔽和消除了與測量無關(guān)的光線干擾。

進(jìn)一步地，本發(fā)明透明密封板上設(shè)置刻度盤，來確定斬波窗口的固定位置。

本發(fā)明方法測量對象為旋轉(zhuǎn)容器中的運動液體或固體表面，采用透明密封板實現(xiàn)密封與透光作用，加入斬波窗口的線型激光投影方法來獲得穩(wěn)定的表面投影線，采用同步斬波的長時間多圈測量方法獲得高亮度和對比度的液體表面投影線，相當(dāng)于對每圈的投影光線進(jìn)行疊加和平均，適用于轉(zhuǎn)速高的液體或固體測量，同時克服液體在高速運行時狀態(tài)與靜止?fàn)顟B(tài)下形貌不同的難度；并將得到的投影線信息應(yīng)用圖像處理方法獲取二維圖像，進(jìn)而進(jìn)行優(yōu)化整合，繪制出液體表面形貌的三維圖像。本發(fā)明能夠快速的得到旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的液體或固體的表面形貌，操作比較簡單，且成本較低。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為處理初始圖像；

圖3為90mt、300rad/min測量角度為3°條件下二維結(jié)果圖；

圖4為90mt、300rad/min條件下三維合成的表面形貌圖；

圖5為90mt、300rad/min條件下沿周向展開三維表面形貌圖。

其中：1-照相機；2-,激光器；3-斬波板；4-透明密封板；5-旋轉(zhuǎn)容器；6-斬波窗口。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

如圖1所述，本發(fā)明用于旋轉(zhuǎn)容器中液體或固體表面形貌測量方法的實驗結(jié)構(gòu)，由照相機1、激光器2、斬波板3、透明密封板4、旋轉(zhuǎn)容器5，斬波窗口6組成。斬波板3和旋轉(zhuǎn)容器5通過旋轉(zhuǎn)軸同軸固定相連，斬波板3和旋轉(zhuǎn)容器5之間留有間隙；旋轉(zhuǎn)容器5上能夠固定連接透明密封板4，比如粘合連接，保證斬波板3、透明密封板4和旋轉(zhuǎn)容器5同步運動，并保證旋轉(zhuǎn)容器5的密封效果良好；斬波板3上開設(shè)有斬波窗口6，斬波板3的上方靜止固定設(shè)置有激光器2，激光器2由一個磁力表座固定在一個水平實驗臺上，通過調(diào)節(jié)磁力表座使激光器2位于斬波窗口上方，且激光器2的中心位于斬波窗口6的中心正上方，激光器2采用線型激光器，加入斬波窗口6的目的在于當(dāng)斬波板3隨著旋轉(zhuǎn)容器5轉(zhuǎn)動時，只有當(dāng)斬波窗口6與固定的激光器2重合時，才有激光透過斬波窗口6投影到旋轉(zhuǎn)容器5內(nèi)待測液體或固體表面。

照相機1的鏡頭位于斬波板3和透明密封板4之間，且朝向透明密封板4。照相機1的鏡頭和水平面之間有30°到60°的夾角。

透明密封板4上設(shè)置刻度盤，來確定斬波窗口6的固定位置；透明密封板4的材質(zhì)為高透光率的亞克力，厚度為1mm，透光性很高，激光可以透過透明密封板4照射到待測液體或固體表面，實現(xiàn)密封旋轉(zhuǎn)容器5內(nèi)液體密封與透光的雙重性能。

斬波板3與旋轉(zhuǎn)容器5轉(zhuǎn)子之間固定連接同步運動但相對角度位置可通過螺栓調(diào)節(jié)，斬波窗口6為扇形；通過控制斬波窗口6的位置就可以控制激光器2在旋轉(zhuǎn)容器5內(nèi)液體或固體表面的投影位置；斬波窗口6的最大半徑大于或等于所測液體或固體的最大半徑。

本發(fā)明方法包括以下步驟：

步驟一：先在帶有旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)容器5中加入待測的液體或固體，蓋上透明密封板4并固定；旋轉(zhuǎn)軸伸出透明密封板4，在旋轉(zhuǎn)軸上端固定連接帶有斬波窗口6的斬波板3，斬波窗口6的上方設(shè)置有激光器2；

步驟二，通過旋轉(zhuǎn)軸帶動待測液體或固體、旋轉(zhuǎn)容器5、透明密封板4和斬波板3同步轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速可以設(shè)置為300rad/min；啟動激光器2發(fā)出激光束，激光束穿過斬波窗口6和透明密封板4，在旋轉(zhuǎn)容器5中待測的液體或固體表面產(chǎn)生投影線；

步驟三：照相機1拍攝位置位于斬波板3和透明密封板4之間；采用長時間曝光的多圈測量方法，通過照相機1對待測的液體或固體表面拍照，獲得投影線信息圖片；對投影線信息圖片進(jìn)行圖像處理，獲取二維圖像；調(diào)整旋轉(zhuǎn)容器5與扇形斬波窗口6之間不同相對位置，得到不同情況下的投影線信息，重復(fù)步驟三，得到不同相對位置情況下的二維圖像；其中：

照相機1以30度至60度之間角度拍攝，照相機1的豎直位置介于斬波擋板3與透明密封板4之間。長時間曝光的多圈測量方法條件為：照相機1的相機光圈大小為8，曝光時間為25s，感光度為100。照相機1一次可拍攝的時間為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動多圈的時間。

圖像處理主要包括：圖像裁剪、圖像的灰度處理、圖像的色素提取、圖像色素極大值檢測法及圖像曲線光滑處理。具體步驟如下：

(a)對獲得的投影線信息圖片進(jìn)行裁剪、調(diào)整飽和度并將投影線信息圖片中的激光信息提取得到激光光路圖的輪廓，得到初始圖像；

(b)根據(jù)激光器2的主要色，提取初始圖像中的色素信息，并采用極大值檢測法，提取色素分量圖像上每列像素點最大值處的位置坐標(biāo)，得到由各列最大點位置坐標(biāo)組成的曲線；

(c)根據(jù)極大值檢測法得到的圖像曲線進(jìn)行圖像光滑處理，處理過程中采用加權(quán)均值法進(jìn)行，得到消噪的圖像曲線。

(d)對投影線信息圖片進(jìn)行灰度處理，利用投影線信息圖片中旋轉(zhuǎn)容器5長寬比，計算照相機1的傾斜角度；通過照相機1的傾斜角度與投影線信息圖片和實物的比例，計算出投影線信息圖片中的曲線的高度與實際待測的液體或固體高度的比例，獲得實際待測的液體或固體高度。其中，投影線信息圖片與實物的比例可以通過計算投影線信息圖片上某一位置的像素值與實際中的同一相對位置的實際尺寸值的比例得到，在本發(fā)明中，選擇旋轉(zhuǎn)容器5直徑為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計算。

(e)根據(jù)實際待測的液體或固體高度，代入消噪的圖像曲線，獲得二維圖像。

步驟四：對獲得的二維圖像進(jìn)行優(yōu)化整合，繪制旋轉(zhuǎn)容器5中液體或固體表面形貌。

優(yōu)化整合包括：依據(jù)相機的測量角度、透明密封板厚度影響的補償處理、數(shù)據(jù)對準(zhǔn)、數(shù)據(jù)插值處理、數(shù)據(jù)表面光滑處理、數(shù)據(jù)合成等過程。

(a)通過補償處理及數(shù)據(jù)對準(zhǔn)步驟，對不同條件下得到的二維圖像曲線進(jìn)行基準(zhǔn)統(tǒng)一，統(tǒng)一以原旋轉(zhuǎn)容器5中心作為坐標(biāo)原點。

(b)數(shù)據(jù)插值處理及數(shù)據(jù)合成處理將離散的二維圖像曲線擬合為初始三維圖像。

(c)數(shù)據(jù)表面光滑處理將初始三維圖像進(jìn)行表面消噪，使結(jié)果平滑。

本發(fā)明測量對象為旋轉(zhuǎn)容器5中的運動液體或固體表面；采用透明密封板4實現(xiàn)密封與透光作用；采用加入斬波窗口6的線型激光1投影方法獲得穩(wěn)定的表面投影線；采用長時間多圈測量方法提取表面投影線信息，應(yīng)用圖像處理方法獲取二維圖像；對得到的二維圖像進(jìn)行優(yōu)化整合，繪制液體表面形貌的三維圖像。

下面以在旋轉(zhuǎn)容器5中充入磁流體作為示例，通過測量旋轉(zhuǎn)容器5中的磁流體的表面形貌來判別本發(fā)明測量方法的可行性。

本發(fā)明測量方法結(jié)構(gòu)操作簡單，可行性較高。在旋轉(zhuǎn)容器5中加入磁場強度為90mt的磁鐵，由于磁流體是由磁性顆粒分散在溶劑中形成的懸浮狀智能型液體，具有磁化響應(yīng)和磁流變效應(yīng)，加入磁鐵之后，會產(chǎn)生質(zhì)量分布的變化。本發(fā)明中加入磁鐵會使磁流體在旋轉(zhuǎn)容器5中產(chǎn)生一定的質(zhì)量凸起，實驗的目的在于測量磁流體的凸起質(zhì)量的表面形貌。在實驗中，設(shè)定旋轉(zhuǎn)容器5的轉(zhuǎn)速為300rad/min，以3度為間隔逐漸轉(zhuǎn)動斬波板3，進(jìn)而調(diào)整斬波窗口6的位置，相機光圈大小選擇8，曝光時間選擇25s，感光度選擇為100進(jìn)行測量。

圖像處理采用matlab軟件進(jìn)行；首先對獲得的投影線信息圖片進(jìn)行裁剪處理，提高投影線信息圖片色彩飽和度提高激光光線對比度。為了減少matlab軟件需要處理的數(shù)據(jù)大小，將實驗結(jié)果中拍攝得到的投影線信息圖片進(jìn)行裁剪、調(diào)整飽和度并將投影線信息圖片中的激光信息智能提取得到激光光路圖的輪廓，進(jìn)而得到matlab處理的初始圖像，初始圖像如圖2所示。

由于在拍攝過程照相機有一定的傾斜角度，圖片也會在水平方向上有一定的偏移角度。在圖像處理過程中，必須要對這兩個角度進(jìn)行處理來保證程序結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。由于投影線信息圖片中的旋轉(zhuǎn)容器5長寬比是照相機角度的余弦值，在程序中選擇旋轉(zhuǎn)容器5的長寬計算長寬比，便可以得到照相機的傾斜角度，通過照相機的傾斜角度與投影線信息圖片和實物的比例可以計算出投影線信息圖片中的曲線的高度與實際高度的比例。在計算提取出磁流變液光束的曲線之后，可以計算得到實際的磁流變液表面的光束曲線并進(jìn)行實際的計算比較。在計算傾斜角度時，需要將投影線信息圖片轉(zhuǎn)化為灰度圖像，并提取出圖像的等高圖，再進(jìn)行選點處理。在拍攝過程中，仍然存在有水平傾斜的現(xiàn)象。解決圖像水平傾斜的方法可以通過畫圖軟件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)校正。但是畫圖軟件的水平校正的角度有限制，不能做到精確處理。由于這種原因，用matlab程序處理會得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果。在圖像處理過程中，選擇一條本應(yīng)是水平直線的線段，計算這條線段的斜率，便可以得到圖像的水平傾斜角度。在matlab圖像處理中將圖2中初始圖像按照計算得到的水平傾斜角度計算旋轉(zhuǎn)，便可以較為準(zhǔn)確的解決水平方向上的傾斜問題。

通過計算投影線信息圖片中旋轉(zhuǎn)容器5的長寬比計算照相機拍攝的傾斜角度和照片與實際旋轉(zhuǎn)容器5的比例，利用此傾斜角度和比例可以將處理得到的激光光圖轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實條件下的磁流體液面高度。

由于激光源的主要色為紅色，在處理中提取旋轉(zhuǎn)后的初始圖像的紅色色素信息進(jìn)行分析。分析圖像信息的方法采用極大值檢測法，提取紅色分量圖像上每列像素點最大值處的位置坐標(biāo)，最后得到由各列最大點位置坐標(biāo)組成的曲線。極大值算法程序的處理過程是對初始圖像沿行進(jìn)行縱向(每列)掃描，掃描單位是一個像素，在每次掃描的過程中會得到一個或者多個顏色最深的點，將這些點都記錄下來。經(jīng)過多次掃描之后，整個圖形就掃描完畢，得到的各個顏色最深的點在同一張圖像上繪制出來，并進(jìn)行光滑處理。由于需要得到實際情況下的磁流體液面高度，需要將圖片中的磁流體液面高度進(jìn)行轉(zhuǎn)化。首先需要計算轉(zhuǎn)化基準(zhǔn)，主要為照相機1的垂直方向的傾斜角度和水平方向的傾斜角度，根據(jù)轉(zhuǎn)化基準(zhǔn)與轉(zhuǎn)化比例求得真實高度，并求得磁流體表面曲線，其中轉(zhuǎn)化比例主要是指照片圖像與實物圖的比例尺。將磁流體表面曲線進(jìn)行插值處理，方便與其他曲線進(jìn)行合并分析。在實驗中，將各個角度磁流體的表面形貌分別測量出來并分別處理出二維圖像，將所有角度的結(jié)果按照角度分布進(jìn)行整合為三維，即為所要求的磁流體表面形貌。

得到的二維曲線，如圖3所示。圖3為斬波窗口6移動至3度情況下拍攝得到的照片的二維處理結(jié)果。將所有角度的結(jié)果按照角度分布整合為三維，并根據(jù)計算得到的三維曲線計算磁流體在加入磁場之后的質(zhì)心與凸出質(zhì)量，進(jìn)去計算不平衡量。三維合成的表面形貌圖如圖4所示。將圖4沿周向展開，展開三維圖如圖5所示。計算得到的在90mt,300rad/min磁流體凸出質(zhì)量產(chǎn)生的不平衡量為9.374gmm。

對本方法進(jìn)行相關(guān)驗證實驗，采用德國schenck型號為hv2-30立式硬支撐動平衡機，通過其內(nèi)置傳感器和計算機，計算磁流體產(chǎn)生的不平衡量。通過動平衡機測量可以得到在300rad/min，磁場強度為90mt條件下，磁流體在磁場作用下產(chǎn)生的不平衡量為9.3gmm。

通過比較測量形貌得到的結(jié)果和動平衡機得到的實驗結(jié)果，可以得到測量形貌的測量誤差為0.8％。通過上述實驗表明，本發(fā)明的方法能夠完成旋轉(zhuǎn)容器中液體的表面形貌的測量。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的實施方式對本發(fā)明所做的進(jìn)一步詳盡說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實施方式僅限于此，對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由所提交的權(quán)利要求書確定專利保護(hù)范圍。