蔡小舒教授:顆粒粒度及氣溶膠在線測量的圖像魔法

說起圖像法，大家很自然會聯想到相機。對，圖像法就是用相機作為傳感器測量顆粒粒度。其實，圖像法並不是一種新的測量方法，這是一種已有很多年歷史的測量方法。早期的相機採用膠片作為傳感器，記錄被測物體的影像，然後將影像投影到工具投影儀上，在投影儀上用標尺或後期發展的坐標傳感器量出被測物體的大小。下圖是一種顯微投影儀的照片，顯微物鏡把膠片上的圖像投影到屏幕上，在屏幕上量出物體圖像的尺寸。對於顆粒樣品，則可以直接在顯微鏡下進行觀測測量。很顯然，在用膠片作為傳感器的時期，圖像法是不可能用於在線測量的。

顯微投影儀

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圖像法作為顆粒粒度測量，尤其是顆粒粒度在線測量的新方法再次出現並得到日益廣泛的應用，得益於CCD和CMOS的發明，數位相機的飛速發展，以及光學鏡頭、光源、計算機技術以及圖像處理算法的飛速發展。數位相機的核心是CCD/CMOS傳感器，尤其是近年來CMOS技術的發展使其性能得到很大提高，幾乎佔據了絕大部分的數字傳感器。下圖是CMOS傳感器的照片。在CCD/CMOS傳感器中，代替膠片中感光粒子的是按矩陣排列的像素。如果在每個像素前按規律設置紅（R），綠（G）和藍（B）三色濾色片，則可以得到彩色圖像。這樣CCD/CMOS就將圖像自然分解成了成可以用計算機處理的離散信號。

圖像法在線測量裝置主要包括：相機、鏡頭、光源、取樣裝置等。其中相機是最關鍵的設備。為得到清晰的被測顆粒的影像邊緣，一般在在線測量中採用逆光（背光）照明方式，相機在測量區一側，光源在測量區另一側，如圖所示。由於光的穿透能力不強，因此圖像法不能用於高濃度顆粒的直接在線測量(in-line)。對於高濃度顆粒，必須採用取樣方式測量(on-line)。

圖像法在線測量原理示意圖

與圖像法靜態測量要求不同，在圖像法在線測量中，被測顆粒不是靜止不動的，而是在運動的，甚至運動速度很高。為得到清晰的顆粒圖像，就要「凍結」運動顆粒的影像，這就要求圖像的曝光時間要與被測顆粒的運動速度相匹配。對於高速運動的顆粒，要求的曝光時間要短，低速的可以稍長。 曝光時間還與拍攝圖像時所用鏡頭的放大倍率有關，放大倍率大，要求的曝光時間就短，放大倍率小，曝光時間就可以長一些。 曝光時間可以由相機的快門控制，也可以由光源的脈衝寬度控制。目前工業相機的電子快門時間最短可以到1微秒，而作為照明光源的脈衝雷射的脈衝寬度可以達到幾個納秒。曝光時間越短，需要的光源強度就越大，這就給光源提出了高的要求。工業相機的電子快門分成滾動快門（rolling shutter）和全局快門（global shutter）2類。為保證曝光時運動顆粒圖像不發生畸變，在圖像法在線測量中必須採用全局快門。

作為在線測量，圖像法裝置不能像顯微鏡那樣通過更換不同放大倍率的顯微物鏡來適應不同大小顆粒的測量，這就希望像素尺寸儘量小，以得到高的圖像解析度。通常，滾動快門的CMOS的像素小於全局快門，目前滾動快門的CMOS的最小像素已達到1.5微米，而全局快門的最小的像素是3.8微米。

在圖像法測量中，相機鏡頭是關鍵的設備。圖像法能進行在線顆粒測量，很大程度上是依賴於遠心鏡頭的發明和發展。用相機拍攝物體，通常圖像存在遠小近大的現象。而在線測量不能控制被測顆粒一定會處於鏡頭的焦平面位置，這就會造成顆粒的影像大小與顆粒的真實尺寸不同。遠心鏡頭的出現，很好解決了這個問題。被測顆粒處於不同位置時，遠心鏡頭獲得的顆粒圖像大小並不會隨位置變化而變化。這就使得圖像法可以用於顆粒的在線測量。遠心鏡頭有定倍率和工作距離，以及可變放大倍率和工作距離2類，可以根據需要採用其中一種。

在圖像法在線測量中最大問題是被測顆粒不僅存在於測量區中，有些還處於離焦位置，顆粒圖像是不清晰的。下圖中就同時存在清晰顆粒、離焦程度不大和離焦尺度大的模糊顆粒影像。對於離焦顆粒圖像，可以有2種處理方法，對於離焦程度大的模糊影像，直接剔除，不予處理。對於離焦程度不大的模糊圖像，可以採用圖像處理算法來恢復，得到顆粒的粒度。

在圖像法在線測量中，一般都需要用取樣裝置將被測粉體樣品從生產工業管路中去出，在取樣時，必須採取措施防止顆粒樣品發生團聚，如用無油無水的壓縮空氣分散樣品顆粒。下面3個圖給出了在在線測量取樣中沒有對顆粒採取分散措施，分散不足和充分分散後的顆粒圖像。可以明顯看出充分分散的重要性。

圖像法在線測量不僅可以給出被測顆粒的粒度，還可以得到被測顆粒的形貌參數，這是其它顆粒測量方法不能做到的。

圖像法與RGB三波段消光法融合在線測量

受光學原理和硬體的限制，圖像法在線測量下限一般在2-3微米。但在工業過程中存在著大量亞微米顆粒中同時存在有少量較大顆粒，並都需要測量其粒度的情況。這時可以將圖像法與多波長消光法相結合，用圖像法測量較大顆粒的粒度，而用多波長消光法測量亞微米顆粒的粒度。

彩色相機中的CMOS傳感器可以認為是RGB三個波段光探測器件，當採用白光作為光源，對獲得的圖像可以分別用圖像處理算法處理其中的大顆粒影像，用多波長消光法處理背景圖像中的RGB信息來分別獲得大顆粒和亞微米顆粒的粒度。如下圖是用彩色相機獲得的高速流動中的溼蒸汽兩相流圖像，其中高速流動的較大水滴的軌跡寬度對應其粒度，而長度對應其速度，背景是較高濃度的小水滴，無法用圖像識別。此時，可以分別對如圓圈中的大水滴影像用圖像處理算法處理，得到其粒度和速度，而對矩形框內的亞微米顆粒用RGB三波段消光法進行數據處理，得到小水滴的粒度及分布。

同時存在大小顆粒的圖像

圖像法與後向光散射融合測量大氣顆粒和排放煙塵濃度

圖像法不僅可以測量成像的顆粒的粒度，還可以與光散射結合測量無法成像的大氣中氣溶膠顆粒的濃度和排放煙塵的濃度。氣溶膠是空氣中懸浮顆粒與大氣構成的體系，懸浮顆粒包括固體顆粒，液體顆粒，生物顆粒等。由於氣溶膠顆粒粒度很小，受氣流和布朗運動的作用，會在大氣中長時間擴散傳播，PM2.5就屬於氣溶膠範疇。下圖分別是室內和大空間懸浮的氣溶膠顆粒在雷射照射下的散射光。該散射光強與懸浮顆粒的粒度、濃度和測量散射角度有關。用相機作為傳感器，將相機聚焦於雷射照射的要測量區域，得到氣溶膠後向散射強度後，用米散射理論和相關數學模型進行數據處理，可以得到空間的氣溶膠濃度。該方法可以用於煙囪排放煙塵濃度的遠距離遙測。如果同時用多個波長的雷射進行測量，還可能可以得到懸浮顆粒的平均粒度和分布。

作者簡介：曾任中國顆粒學會、中國計量測試學會、中國工程熱物理學會、中國動力工程學會、上海顆粒學會等學術組織的副理事長、常務理事、理事、理事長等，是《Proceedings of IMechE Part A: Journal of Power and Energy》、《Particuology》、《KONA Powder and Particle Journal》、《Frontiers in Energy》等SCI刊物和一些國內學術刊物的編委，多個國際學術會議的名譽主席，主席等。