說起圖像法，大家很自然會(huì)聯(lián)想到相機(jī)。對(duì)，圖像法就是用相機(jī)作為傳感器測(cè)量顆粒粒度。其實(shí)，圖像法并不是一種新的測(cè)量方法，這是一種已有很多年歷史的測(cè)量方法。早期的相機(jī)采用膠片作為傳感器，記錄被測(cè)物體的影像，然后將影像投影到工具投影儀上，在投影儀上用標(biāo)尺或后期發(fā)展的坐標(biāo)傳感器量出被測(cè)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(duì)于顆粒樣品，則可以直接在顯微鏡下進(jìn)行觀測(cè)測(cè)量。很顯然，在用膠片作為傳感器的時(shí)期，圖像法是不可能用于在線測(cè)量的。

顯微投影儀

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圖像法作為顆粒粒度測(cè)量，尤其是顆粒粒度在線測(cè)量的新方法再次出現(xiàn)并得到日益廣泛的應(yīng)用，得益于CCD和CMOS的發(fā)明，數(shù)碼相機(jī)的飛速發(fā)展，以及光學(xué)鏡頭、光源、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及圖像處理算法的飛速發(fā)展。數(shù)碼相機(jī)的核心是CCD/CMOS傳感器，尤其是近年來CMOS技術(shù)的發(fā)展使其性能得到很大提高，幾乎占據(jù)了絕大部分的數(shù)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(gè)像素前按規(guī)律設(shè)置紅（R），綠（G）和藍(lán)（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(jì)算機(jī)處理的離散信號(hào)。

圖像法在線測(cè)量裝置主要包括：相機(jī)、鏡頭、光源、取樣裝置等。其中相機(jī)是最關(guān)鍵的設(shè)備。為得到清晰的被測(cè)顆粒的影像邊緣，一般在在線測(cè)量中采用逆光（背光）照明方式，相機(jī)在測(cè)量區(qū)一側(cè)，光源在測(cè)量區(qū)另一側(cè)，如圖所示。由于光的穿透能力不強(qiáng)，因此圖像法不能用于高濃度顆粒的直接在線測(cè)量(in-line)。對(duì)于高濃度顆粒，必須采用取樣方式測(cè)量(on-line)。

圖像法在線測(cè)量原理示意圖

與圖像法靜態(tài)測(cè)量要求不同，在圖像法在線測(cè)量中，被測(cè)顆粒不是靜止不動(dòng)的，而是在運(yùn)動(dòng)的，甚至運(yùn)動(dòng)速度很高。為得到清晰的顆粒圖像，就要“凍結(jié)”運(yùn)動(dòng)顆粒的影像，這就要求圖像的曝光時(shí)間要與被測(cè)顆粒的運(yùn)動(dòng)速度相匹配。對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的顆粒，要求的曝光時(shí)間要短，低速的可以稍長(zhǎng)。 曝光時(shí)間還與拍攝圖像時(shí)所用鏡頭的放大倍率有關(guān)，放大倍率大，要求的曝光時(shí)間就短，放大倍率小，曝光時(shí)間就可以長(zhǎng)一些。 曝光時(shí)間可以由相機(jī)的快門控制，也可以由光源的脈沖寬度控制。目前工業(yè)相機(jī)的電子快門時(shí)間最短可以到1微秒，而作為照明光源的脈沖激光的脈沖寬度可以達(dá)到幾個(gè)納秒。曝光時(shí)間越短，需要的光源強(qiáng)度就越大，這就給光源提出了高的要求。工業(yè)相機(jī)的電子快門分成滾動(dòng)快門（rolling shutter）和全局快門（global shutter）2類。為保證曝光時(shí)運(yùn)動(dòng)顆粒圖像不發(fā)生畸變，在圖像法在線測(cè)量中必須采用全局快門。

作為在線測(cè)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(yīng)不同大小顆粒的測(cè)量，這就希望像素尺寸盡量小，以得到高的圖像分辨率。通常，滾動(dòng)快門的CMOS的像素小于全局快門，目前滾動(dòng)快門的CMOS的最小像素已達(dá)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(cè)量中，相機(jī)鏡頭是關(guān)鍵的設(shè)備。圖像法能進(jìn)行在線顆粒測(cè)量，很大程度上是依賴于遠(yuǎn)心鏡頭的發(fā)明和發(fā)展。用相機(jī)拍攝物體，通常圖像存在遠(yuǎn)小近大的現(xiàn)象。而在線測(cè)量不能控制被測(cè)顆粒一定會(huì)處于鏡頭的焦平面位置，這就會(huì)造成顆粒的影像大小與顆粒的真實(shí)尺寸不同。遠(yuǎn)心鏡頭的出現(xiàn)，很好解決了這個(gè)問題。被測(cè)顆粒處于不同位置時(shí)，遠(yuǎn)心鏡頭獲得的顆粒圖像大小并不會(huì)隨位置變化而變化。這就使得圖像法可以用于顆粒的在線測(cè)量。遠(yuǎn)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(jù)需要采用其中一種。

在圖像法在線測(cè)量中最大問題是被測(cè)顆粒不僅存在于測(cè)量區(qū)中，有些還處于離焦位置，顆粒圖像是不清晰的。下圖中就同時(shí)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(duì)于離焦顆粒圖像，可以有2種處理方法，對(duì)于離焦程度大的模糊影像，直接剔除，不予處理。對(duì)于離焦程度不大的模糊圖像，可以采用圖像處理算法來恢復(fù)，得到顆粒的粒度。

在圖像法在線測(cè)量中，一般都需要用取樣裝置將被測(cè)粉體樣品從生產(chǎn)工業(yè)管路中去出，在取樣時(shí)，必須采取措施防止顆粒樣品發(fā)生團(tuán)聚，如用無油無水的壓縮空氣分散樣品顆粒。下面3個(gè)圖給出了在在線測(cè)量取樣中沒有對(duì)顆粒采取分散措施，分散不足和充分分散后的顆粒圖像?？梢悦黠@看出充分分散的重要性。

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

圖像法與RGB三波段消光法融合在線測(cè)量

受光學(xué)原理和硬件的限制，圖像法在線測(cè)量下限一般在2-3微米。但在工業(yè)過程中存在著大量亞微米顆粒中同時(shí)存在有少量較大顆粒，并都需要測(cè)量其粒度的情況。這時(shí)可以將圖像法與多波長(zhǎng)消光法相結(jié)合，用圖像法測(cè)量較大顆粒的粒度，而用多波長(zhǎng)消光法測(cè)量亞微米顆粒的粒度。

彩色相機(jī)中的CMOS傳感器可以認(rèn)為是RGB三個(gè)波段光探測(cè)器件，當(dāng)采用白光作為光源，對(duì)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(zhǎng)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(jī)獲得的高速流動(dòng)中的濕蒸汽兩相流圖像，其中高速流動(dòng)的較大水滴的軌跡寬度對(duì)應(yīng)其粒度，而長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)其速度，背景是較高濃度的小水滴，無法用圖像識(shí)別。此時(shí)，可以分別對(duì)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(duì)矩形框內(nèi)的亞微米顆粒用RGB三波段消光法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到小水滴的粒度及分布。

同時(shí)存在大小顆粒的圖像

圖像法與后向光散射融合測(cè)量大氣顆粒和排放煙塵濃度

圖像法不僅可以測(cè)量成像的顆粒的粒度，還可以與光散射結(jié)合測(cè)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(gòu)成的體系，懸浮顆粒包括固體顆粒，液體顆粒，生物顆粒等。由于氣溶膠顆粒粒度很小，受氣流和布朗運(yùn)動(dòng)的作用，會(huì)在大氣中長(zhǎng)時(shí)間擴(kuò)散傳播，PM2.5就屬于氣溶膠范疇。下圖分別是室內(nèi)和大空間懸浮的氣溶膠顆粒在激光照射下的散射光。該散射光強(qiáng)與懸浮顆粒的粒度、濃度和測(cè)量散射角度有關(guān)。用相機(jī)作為傳感器，將相機(jī)聚焦于激光照射的要測(cè)量區(qū)域，得到氣溶膠后向散射強(qiáng)度后，用米散射理論和相關(guān)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以得到空間的氣溶膠濃度。該方法可以用于煙囪排放煙塵濃度的遠(yuǎn)距離遙測(cè)。如果同時(shí)用多個(gè)波長(zhǎng)的激光進(jìn)行測(cè)量，還可能可以得到懸浮顆粒的平均粒度和分布。

作者簡(jiǎn)介：曾任中國(guó)顆粒學(xué)會(huì)、中國(guó)計(jì)量測(cè)試學(xué)會(huì)、中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)、中國(guó)動(dòng)力工程學(xué)會(huì)、上海顆粒學(xué)會(huì)等學(xué)術(shù)組織的副理事長(zhǎng)、常務(wù)理事、理事、理事長(zhǎng)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(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)刊物的編委，多個(gè)國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議的名譽(yù)主席，主席等。