專利名稱：液滴體積自動控制系統及其方法
技術領域：
本發明涉及液滴體積的測量和控制，特別涉及一種液滴體積自動控制系統及其方法。
背景技術：
目前采用的方法是手動控制，控制方法是在液滴上方安裝一個高差計，操作者通 過讀取高差計的測量結果來推斷液滴的蒸發量，然后操作注液器，向液滴中補充與蒸發量 同等的液體，以此保持液滴的體積不變。此種方法需要人工操作，控制精度差，且不能長時 間保持液滴體積不變。發明內容
本發明的目的是提供一種液滴體積的自動控制系統和自動控制方法，以對液體體 積進行有效的自動控制。
為實現上述目的，本發明提供了一種液滴體積的自動控制系統，其特征在于，該裝 置通過實時計算出某一段時間內液滴蒸發掉的體積，控制注液器不斷地向液滴中補充液 體，以維持液滴的體積不變，其包括圖像采集模塊、圖像處理模塊和控制模塊；
如
圖1和圖2所示，所述的圖像采集模塊包括(XD攝像頭，用于對液滴監控攝像， 并將捕捉到的PAL制式或其它制式的模擬視頻流傳送到圖像采集卡；所述的圖像采集卡用 于在對PAL制式或其它制式的模擬視頻流進行解碼、同步分離之后，將分離得到的數字液 滴圖像信號傳送至圖像處理模塊；
所述的圖像處理模塊，用于對每隔At時間間隔的、時刻單幀數字液滴圖像信號 進行分析處理，得到^時刻液滴圖像的輪廓線，由此輪廓線計算得到液滴體積，并傳送至控 制模塊；
所述的控制模塊包括控制器和注液器，首先根據圖像處理模塊計算得到液滴的 初始時刻的體積作為目標體積，由控制器計算每隔△ t時間間隔之后的液滴體積與目標體 積之差，再進一步采用PID控制算法計算得到液滴的注入量，根據此注入量推動注液器向 液滴中注入液體；
所述的控制器采用單片機、DPS處理器或PC機。
通過控制算法(PID算法)計算出液滴的補充量，控制注液器向液滴中注入液體 (注入量為前述的補充量)，以此維持液滴的體積不變。也就是說，當液滴的蒸發量和注入 量相等時，液滴的體積就保持不變。
所述的圖像處理模塊采用輪廓擬合得到ti時刻液滴輪廓，得到以象素為單位的液 滴高度H和每一行的象素個數，即橫截面直徑Di, i = 1，2…N，N是行數；根據數值積分的 方法，疊加圓臺的橫截面積Ai得到液滴的體積V
權利要求
1.一種液滴體積自動控制系統，其特征在于，該裝置通過實時計算出某一段時間內液 滴蒸發掉的體積，控制注液器不斷地向液滴中補充液體，以維持液滴的體積不變，其包括 圖像采集模塊、圖像處理模塊和控制模塊；所述的圖像采集模塊包括CCD攝像頭，用于對液滴監控攝像，并將捕捉到的模擬視頻 流傳送到圖像采集卡；所述的圖像采集卡用于在對模擬視頻流進行解碼、同步分離之后，將 分離得到的數字液滴圖像信號傳送至圖像處理模塊；所述的圖像處理模塊，用于對每隔At時間間隔的、時刻單幀數字液滴圖像信號進行 分析處理，得到^時刻液滴圖像的輪廓線，由此輪廓線計算得到液滴體積，并傳送至控制模 塊；所述的控制模塊包括控制器和注液器，首先根據圖像處理模塊計算得到液滴的初始 時刻i = 0，的體積作為目標體積，由控制器計算每隔Δ t時間間隔之后的液滴體積與目 標體積之差，再進一步采用PID控制算法計算得到液滴的注入量，根據此注入量推動注液 器向液滴中注入液體；所述的控制器采用單片機、DPS處理器或PC機。
2.根據權利要求1所述的液滴體積自動控制系統，其特征在于，所述的圖像處理模塊 采用輪廓擬合得到^時刻液滴輪廓，得到以象素為單位的液滴高度H和每一行的象素個 數，即橫截面直徑Di, i = 1，2…N，N是行數；根據數值積分的方法，疊加圓臺的橫截面積Ai得到液滴的體積V ^ = ⑴。/=1 /=1
3.根據權利要求1或2所述的液滴體積自動控制系統，其特征在于，所述的圖像處理模 塊還包括有一輪廓線獲取單元，用于獲得清晰的液滴外部輪廓線；所述的輪廓線獲取單元利用Sobel算子對灰度圖進行邊緣檢測，得到灰度變化劇烈的 區域，該區域包括液滴的真實輪廓、噪聲干擾及由于液滴反光造成的內部虛假輪廓；然后， 進行閾值化處理，根據統計直方圖合理選擇閾值，去除噪聲干擾，并通過對二值圖的連通區 域標記算法處理，將圖像中各個連通區域通過標記成不同的標號來區分開來，選擇區域中 面積最大的區域，濾除由于反光造成的內部虛假輪廓以及噪聲，提高了系統獲取邊緣輪廓 的魯棒性；最后，進行外圍邊緣線提取。
4.根據權利要求1或2所述的液滴體積自動控制系統，其特征在于，還包括一上位機顯 示模塊，所述的上位機接收圖像處理模塊傳送的圖像信息，并將圖像顯示在計算機屏幕上， 同時實時顯示液滴體積。
5.根據權利要求1或2所述的液滴體積自動控制系統，其特征在于，所述的得到液滴的 注入量Ui WPID控制算法為Ui = Uh+ Δ Ui(2)AUi = P(Aei+Iei+DA2ei)上式O)中，Ui是、時刻液滴的注入量，Uh是tg時刻液滴的注入量，AUi是、時刻 液滴注入量的變化量& = V-Vi是目標體積與、時刻液滴體積之差；Δ ei = e-e^是、時刻液滴體積之差的差；= Aei-Aei^1是、時刻液滴體積的二次差；/ = |"是控制周期 與積分系數的比；D = |是微分系數與控制周期的比。S
6.一種液滴體積自動控制方法，該方法通過實時計算出某一段時間內液滴蒸發掉的體 積，控制注液器不斷地向液滴中補充液體，以維持液滴的體積不變，其步驟包括1)通過CCD攝像頭對液滴監控攝像，并將捕捉到的模擬視頻流傳送到圖像采集卡； 并由所述的圖像采集卡用于對模擬視頻流進行解碼、同步分離之后，得到數字液滴圖像信 號；2)通過圖像處理模塊對每隔At時間間隔的、時刻單幀數字液滴圖像信號進行分析 處理，得到、時刻液滴圖像的輪廓線；3)通過圖像處理模塊首先計算出液滴的初始時刻ti;i = 0，的體積作為目標體積，計 算得到每隔At時間間隔之后的液滴體積與目標體積之差，采用PID控制算法進一步計算 得到液滴的注入量，根據此注入量推動注液器向液滴中注入液體。
7.根據權利要求6所述的液滴體積自動控制方法，其特征在于，還包括一上位機顯示 的步驟，上位機接收圖像處理模塊傳送的圖像信息，并將圖像顯示在計算機屏幕上，同時實 時顯示液滴體積。
8.根據權利要求6所述的液滴體積自動控制方法，其特征在于，所述的圖像處理模塊 采用輪廓擬合得到的^時刻液滴輪廓，得到以象素為單位的液滴高度H和每一行的象素個 數，即橫截面直徑Di, i = 1，2…N，N是行數；根據數值積分的方法，疊加圓臺的橫截面積Ai得到液滴的體積V
9.根據權利要求6或8所述的液滴體積自動控制方法，其特征在于，所述的PID控制算 法得到液滴的注入量Ui的步驟包括Ui = Uh+ Δ Ui(2)AUi = P(Aei+Iei+DA2ei)上式(2)中Ui是、時刻液滴的注入量，Uh是、時刻液滴的注入量，AUi是、時刻 液滴注入量的變化量& = V-Vi是目標體積與、時刻液滴體積之差；Δ ei = e-e^是、時刻液滴體積之差的差；A2ei = Aei-Aep1是、時刻液滴體積的二次差；7 = 是控制周期 與積分系數的比；D = $是微分系數與控制周期的比。L S
10.根據權利要求6或8所述的液滴體積自動控制方法，其特征在于，所述的步驟2)具 體包括首先，利用Sobel算子對灰度圖進行邊緣檢測，得到灰度變化劇烈的區域，該區域包括液滴的真實輪廓、噪聲干擾及由于液滴反光造成的內部虛假輪廓；然后，進行閾值化處理， 根據統計直方圖合理選擇域值，去除噪聲干擾；再通過對二值圖的連通區域標記算法處理， 將圖像中各個連通區域通過標記成不同的標號來區分開來，選擇區域中面積最大的區域， 濾除由于反光造成的內部虛假輪廓以及噪聲，提高了系統獲取邊緣輪廓的魯棒性；最后，進 行外圍邊緣線提取。
全文摘要
本發明涉及一種液滴體積自動控制系統及其方法，通過實時計算出某一段時間內液滴蒸發掉的體積，控制注液器不斷地向液滴中補充液體，以維持液滴的體積不變，所述的圖像采集模塊包括CCD攝像頭，用于對液滴監控攝像，并將捕捉到的模擬視頻流傳送到圖像采集卡；所述的圖像采集卡用于在對模擬視頻流進行解碼、同步分離之后，將數字液滴圖像信號傳送至圖像處理模塊；所述的圖像處理模塊，用于對每隔Δt時間間隔的ti時刻單幀數字液滴圖像信號進行分析處理，得到輪廓線，由此輪廓線計算得到液滴體積，并傳送至控制模塊；所述的控制模塊首先根據圖像處理模塊計算得到每隔Δt時間間隔之后的液滴體積與目標體積之差，再采用PID控制算法計算得到液滴的注入量。
文檔編號H04N7/18GK102033499SQ20091023523
公開日2011年4月27日 申請日期2009年9月28日 優先權日2009年9月28日
發明者于強, 蔡世界 申請人:中國科學院空間科學與應用研究中心