专利名称：液滴体积自动控制系统及其方法
技术领域：
本发明涉及液滴体积的测量和控制，特别涉及一种液滴体积自动控制系统及其方法。
背景技术：
目前采用的方法是手动控制，控制方法是在液滴上方安装一个高差计，操作者通 过读取高差计的测量结果来推断液滴的蒸发量，然后操作注液器，向液滴中补充与蒸发量 同等的液体，以此保持液滴的体积不变。此种方法需要人工操作，控制精度差，且不能长时 间保持液滴体积不变。发明内容
本发明的目的是提供一种液滴体积的自动控制系统和自动控制方法，以对液体体 积进行有效的自动控制。
为实现上述目的，本发明提供了一种液滴体积的自动控制系统，其特征在于，该装 置通过实时计算出某一段时间内液滴蒸发掉的体积，控制注液器不断地向液滴中补充液 体，以维持液滴的体积不变，其包括图像采集模块、图像处理模块和控制模块；
如
图1和图2所示，所述的图像采集模块包括(XD摄像头，用于对液滴监控摄像， 并将捕捉到的PAL制式或其它制式的模拟视频流传送到图像采集卡；所述的图像采集卡用 于在对PAL制式或其它制式的模拟视频流进行解码、同步分离之后，将分离得到的数字液 滴图像信号传送至图像处理模块；
所述的图像处理模块，用于对每隔At时间间隔的、时刻单帧数字液滴图像信号 进行分析处理，得到^时刻液滴图像的轮廓线，由此轮廓线计算得到液滴体积，并传送至控 制模块；
所述的控制模块包括控制器和注液器，首先根据图像处理模块计算得到液滴的 初始时刻的体积作为目标体积，由控制器计算每隔△ t时间间隔之后的液滴体积与目标体 积之差，再进一步采用PID控制算法计算得到液滴的注入量，根据此注入量推动注液器向 液滴中注入液体；
所述的控制器采用单片机、DPS处理器或PC机。
通过控制算法(PID算法)计算出液滴的补充量，控制注液器向液滴中注入液体 (注入量为前述的补充量)，以此维持液滴的体积不变。也就是说，当液滴的蒸发量和注入 量相等时，液滴的体积就保持不变。
所述的图像处理模块采用轮廓拟合得到ti时刻液滴轮廓，得到以象素为单位的液 滴高度H和每一行的象素个数，即横截面直径Di, i = 1，2…N，N是行数；根据数值积分的 方法，叠加圆台的横截面积Ai得到液滴的体积V
权利要求
1.一种液滴体积自动控制系统，其特征在于，该装置通过实时计算出某一段时间内液 滴蒸发掉的体积，控制注液器不断地向液滴中补充液体，以维持液滴的体积不变，其包括 图像采集模块、图像处理模块和控制模块；所述的图像采集模块包括CCD摄像头，用于对液滴监控摄像，并将捕捉到的模拟视频 流传送到图像采集卡；所述的图像采集卡用于在对模拟视频流进行解码、同步分离之后，将 分离得到的数字液滴图像信号传送至图像处理模块；所述的图像处理模块，用于对每隔At时间间隔的、时刻单帧数字液滴图像信号进行 分析处理，得到^时刻液滴图像的轮廓线，由此轮廓线计算得到液滴体积，并传送至控制模 块；所述的控制模块包括控制器和注液器，首先根据图像处理模块计算得到液滴的初始 时刻i = 0，的体积作为目标体积，由控制器计算每隔Δ t时间间隔之后的液滴体积与目 标体积之差，再进一步采用PID控制算法计算得到液滴的注入量，根据此注入量推动注液 器向液滴中注入液体；所述的控制器采用单片机、DPS处理器或PC机。
2.根据权利要求1所述的液滴体积自动控制系统，其特征在于，所述的图像处理模块 采用轮廓拟合得到^时刻液滴轮廓，得到以象素为单位的液滴高度H和每一行的象素个 数，即横截面直径Di, i = 1，2…N，N是行数；根据数值积分的方法，叠加圆台的横截面积Ai得到液滴的体积V ^ = ⑴。/=1 /=1
3.根据权利要求1或2所述的液滴体积自动控制系统，其特征在于，所述的图像处理模 块还包括有一轮廓线获取单元，用于获得清晰的液滴外部轮廓线；所述的轮廓线获取单元利用Sobel算子对灰度图进行边缘检测，得到灰度变化剧烈的 区域，该区域包括液滴的真实轮廓、噪声干扰及由于液滴反光造成的内部虚假轮廓；然后， 进行阈值化处理，根据统计直方图合理选择阈值，去除噪声干扰，并通过对二值图的连通区 域标记算法处理，将图像中各个连通区域通过标记成不同的标号来区分开来，选择区域中 面积最大的区域，滤除由于反光造成的内部虚假轮廓以及噪声，提高了系统获取边缘轮廓 的鲁棒性；最后，进行外围边缘线提取。
4.根据权利要求1或2所述的液滴体积自动控制系统，其特征在于，还包括一上位机显 示模块，所述的上位机接收图像处理模块传送的图像信息，并将图像显示在计算机屏幕上， 同时实时显示液滴体积。
5.根据权利要求1或2所述的液滴体积自动控制系统，其特征在于，所述的得到液滴的 注入量Ui WPID控制算法为Ui = Uh+ Δ Ui(2)AUi = P(Aei+Iei+DA2ei)上式O)中，Ui是、时刻液滴的注入量，Uh是tg时刻液滴的注入量，AUi是、时刻 液滴注入量的变化量& = V-Vi是目标体积与、时刻液滴体积之差；Δ ei = e-e^是、时刻液滴体积之差的差；= Aei-Aei^1是、时刻液滴体积的二次差；/ = |"是控制周期 与积分系数的比；D = |是微分系数与控制周期的比。S
6.一种液滴体积自动控制方法，该方法通过实时计算出某一段时间内液滴蒸发掉的体 积，控制注液器不断地向液滴中补充液体，以维持液滴的体积不变，其步骤包括1)通过CCD摄像头对液滴监控摄像，并将捕捉到的模拟视频流传送到图像采集卡； 并由所述的图像采集卡用于对模拟视频流进行解码、同步分离之后，得到数字液滴图像信 号；2)通过图像处理模块对每隔At时间间隔的、时刻单帧数字液滴图像信号进行分析 处理，得到、时刻液滴图像的轮廓线；3)通过图像处理模块首先计算出液滴的初始时刻ti;i = 0，的体积作为目标体积，计 算得到每隔At时间间隔之后的液滴体积与目标体积之差，采用PID控制算法进一步计算 得到液滴的注入量，根据此注入量推动注液器向液滴中注入液体。
7.根据权利要求6所述的液滴体积自动控制方法，其特征在于，还包括一上位机显示 的步骤，上位机接收图像处理模块传送的图像信息，并将图像显示在计算机屏幕上，同时实 时显示液滴体积。
8.根据权利要求6所述的液滴体积自动控制方法，其特征在于，所述的图像处理模块 采用轮廓拟合得到的^时刻液滴轮廓，得到以象素为单位的液滴高度H和每一行的象素个 数，即横截面直径Di, i = 1，2…N，N是行数；根据数值积分的方法，叠加圆台的横截面积Ai得到液滴的体积V
9.根据权利要求6或8所述的液滴体积自动控制方法，其特征在于，所述的PID控制算 法得到液滴的注入量Ui的步骤包括Ui = Uh+ Δ Ui(2)AUi = P(Aei+Iei+DA2ei)上式(2)中Ui是、时刻液滴的注入量，Uh是、时刻液滴的注入量，AUi是、时刻 液滴注入量的变化量& = V-Vi是目标体积与、时刻液滴体积之差；Δ ei = e-e^是、时刻液滴体积之差的差；A2ei = Aei-Aep1是、时刻液滴体积的二次差；7 = 是控制周期 与积分系数的比；D = $是微分系数与控制周期的比。L S
10.根据权利要求6或8所述的液滴体积自动控制方法，其特征在于，所述的步骤2)具 体包括首先，利用Sobel算子对灰度图进行边缘检测，得到灰度变化剧烈的区域，该区域包括液滴的真实轮廓、噪声干扰及由于液滴反光造成的内部虚假轮廓；然后，进行阈值化处理， 根据统计直方图合理选择域值，去除噪声干扰；再通过对二值图的连通区域标记算法处理， 将图像中各个连通区域通过标记成不同的标号来区分开来，选择区域中面积最大的区域， 滤除由于反光造成的内部虚假轮廓以及噪声，提高了系统获取边缘轮廓的鲁棒性；最后，进 行外围边缘线提取。
全文摘要
本发明涉及一种液滴体积自动控制系统及其方法，通过实时计算出某一段时间内液滴蒸发掉的体积，控制注液器不断地向液滴中补充液体，以维持液滴的体积不变，所述的图像采集模块包括CCD摄像头，用于对液滴监控摄像，并将捕捉到的模拟视频流传送到图像采集卡；所述的图像采集卡用于在对模拟视频流进行解码、同步分离之后，将数字液滴图像信号传送至图像处理模块；所述的图像处理模块，用于对每隔Δt时间间隔的ti时刻单帧数字液滴图像信号进行分析处理，得到轮廓线，由此轮廓线计算得到液滴体积，并传送至控制模块；所述的控制模块首先根据图像处理模块计算得到每隔Δt时间间隔之后的液滴体积与目标体积之差，再采用PID控制算法计算得到液滴的注入量。
文档编号H04N7/18GK102033499SQ20091023523
公开日2011年4月27日 申请日期2009年9月28日 优先权日2009年9月28日
发明者于强, 蔡世界 申请人:中国科学院空间科学与应用研究中心