一种密闭中熔融态物料形态的层析图像测量方法

摘要

本发明公开了一种密闭中熔融态物料形态的层析图像测量方法，该方法通过使用包括成型空间层析图像获取、目标层析图像提取和预处理、目标层析特征图像提取、目标层析特征形态识别和测量的步骤来获取、识别和测量处于密闭中的熔融态物料形态。本发明与国内外现有技术相比，不仅解决了非破坏性地获取处于高压、中温的封闭空间中熔融态聚合物形态的问题，而且解决了在计算机层析图像测量中，由于物料几何尺寸小、成型设备几何结构大，物料密度与成型设备材料密度差别大所引发的物料的图像像素少，图像灰阶动态范围小，致使物料层析特征形态难以识别和测量的问题，从而为研究聚合物(或相似材料)成型机理提供了一种技术方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种成型设备中的熔融态物料形态的非接触式、在线测量方法，具体涉及一种密闭中熔融态物料形态的层析图像测量方法。

背景技术

了解加工过程中影响熔融态聚合物形态的详尽和完整的形态变化及热历程的各因素，不仅能引导人们着眼于动、静(平衡)条件下“结晶和非结晶聚合物的有序、结构和形态”的变化，而且更具有实际意义的是它可作为控制聚合物结构和提高聚合物成型制品质量的理论依据。迄今为止，国内外对成型过程中的熔融态聚合物形态测量有直接观察法、流动双折射法、激光多普勒测速法、电子显微镜微区、χ射线衍射术、激光斑纹照相法和可视化技术等方法，然而，聚合物成型是其在高压、中温的密闭成型空间内所进行的物理化学变化过程，具有不可视、动态和三维空间的特点，运用上述研究方法，是难以在线、真实和三维空间地反映出成型中动态聚合物形态、结构变化信息。为此，熔融态聚合物形态的三维层析图像法应运而生。

然而，在高压、中温和密闭成型条件下，一般成型设备都以大直径，厚桶壁和大密度的特点来满足其承受高压、中温和密闭的技术要求；而加工对象聚合物(尤其是处于熔融态聚合物)却以具有低密度、小尺寸的特点来参与加工，如成型设备所用钢的密度约为7.8(g.cm-3)，而熔融态聚合物(LDPE)的密度范围为0.91～0.97(g.cm-3)；成型设备的几何直径尺寸大于100mm，而熔融态聚合物所占据螺槽环厚度仅约为5mm。所以，成型设备7与其加工对象熔融态聚合物8不仅在材料物理性能方面，而且在几何结构等方面都存在很大的差异，在具有无损特点的层析图像测量方式下，这种差异在层析图像上的表现为，在同一测量截面上，由于成型装备所占据的几何尺寸大，其所拥有的背景图像信息量将远大于熔融态物料的目标图像信息量；并且，由于成型装备与熔融态聚合物在材料密度上的大差异，将使两者对应的层析图像灰阶值相差大，即各自层析图像的灰阶动态范围小。根据计算机层析成像原理，这些差异都将直接导致熔融态物料的图像分辨率过低，以致产生利用熔融态聚合物形态的三维层析图像法难以测量目标的难题。

因此，如何通过层析图像来提取具有低信息量、低图像分辨率的熔融态物料形态，并对此加以识别和测量，将是熔融态聚合物形态的层析图像测量的关键技术之一。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的问题，提供一种利用层析图像特征无损地对处于密闭高压、中温的成型设备中的熔融态物料形态进行提取和测量的方法，为应用计算机层析成像技术，解决对处于封闭空间的复杂工业环境下的材料形态进行非接触式、在线测量与分析等工程难题，提供了一种技术方法。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种处于密闭中的熔融态物料形态的层析图像测量方法，包括如下步骤：

(1)密闭成型空间的层析图像获取：由来自射线源的光电子流照射由成型设备和熔融态物料组成的密闭成型空间上，成型设备置放于机械扫描台上，机械扫描台可在运动控制装置的作用下，进行多维的直线和旋转的扫描运动；当光电子流穿越密闭成型空间时，将与其发生光电等效应，并产生相应的光电信号，通过光电探测器将此光电信号记录下来，再经过数据采集装置的转换，然后，以数字信号形式输入计算机中；在计算机中，利用数字图像处理和图像重建技术，将重建出密闭成型空间的层析图像，它包括成型设备和熔融态物料的图像信息；整个密闭成型空间的截面图像可通过机械扫描台的连续扫描运动、光电探测器记录连续光电信号和计算机的数据采集、图像处理和图像重建来获得；

(2)目标层析图像提取：以图像最大平均信息量为目标函数，以目标的几何结构和目标分割误差为约束条件，由计算机对密闭成型空间的层析图像进行处理，从中提取出熔融态物料的目标层析图像；

(3)目标层析图像预处理：利用计算机对目标层析图像进行至少包括图像标度变换和亚像素插补的图像预处理，获取具有动态范围宽、几何分辨率高的目标层析图像，其中图像预处理算法是基于物料的物质吸收系数及其分布；

(4)目标层析特征图像提取：采用包括时间、空间、物质吸收系数等多参数的图像分割算法，利用计算机对目标层析图像进行特征图像的提取，获取反映物料的几何、物质吸收系数及其分布的目标层析特征图像；

(5)目标层析特征识别：采用高维贯穿和低维分凝的层析链算法，运用计算机对目标层析特征图像进行层析特征的识别，获取目标的几何特征形态和物理特征，几何特征形态至少包括目标层析链；物理特征至少包括不同物质吸收系数或密度下的目标层析链及其分布；

(6)目标层析特征测量：采用物质吸收系数的阈值变化算法，利用计算机3对目标层析特征进行测量，获取至少包括物料中各种层析链的链长、面积、质心、离心率，层析链在成型设备中的轴向、径向和周向几何分布等几何特征形态量；获取包括物料中各种层析链的物质吸收系数、密度，层析链随时间、成型设备的轴向、径向和周向空间、温度和压力的变形、变形速度和变形速度分布等物理特征量。

相对于现有技术本发明具有的优点：

与国内外现有熔融态聚合物测量的直接观察法、流动双折射法、激光多普勒测速法、电子显微镜微区、χ射线衍射术、激光斑纹照相法和可视化技术等方法相比，本发明不仅解决了非破坏性地获取处于高压、中温的封闭空间中熔融态聚合物形态的问题，而且解决了在计算机层析图像测量中，由于物料几何尺寸小、成型设备几何结构大，物料密度与成型设备材料密度差别大所引发的物料的图像像素少，图像灰阶动态范围小，致使物料层析特征形态难以识别和测量的问题，从而为研究聚合物(或相似材料)成型机理提供了一种技术方法。

附图说明

图1是本发明密闭中熔融态物料形态的层析图像测量装置结构示意图。

图2是目标层析图像提取程序基本流程图。

图3是目标层析图像预处理程序基本流程图。

图4是目标层析特征图像提取程序基本流程图。

图5是目标层析特征识别程序基本流程图。

图6是目标层析特征测量程序基本流程图。

图7是实施例测量的成型设备和熔融态物料层析图像的示意图。

图8是实施例测量的经预处理后的熔融态物料层析图像的示意图。

图9是实施例测量的经特征形态识别后的熔融态物料层析图像的示意图。

具体实施方式

为更好理解本发明，下面结合实施例对本发明做进一步地详细说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。

该实施例为利用动态挤出过程的层析图像测量系统对挤出过程中的熔融态物料形态进行了三维层析图像的实例测量。

(1)密闭成型空间的层析图像获取

如图1所示，密闭中熔融态物料形态的层析图像测量系统主要由射线源5，光电探测器1、数据采集装置2、计算机3、机械扫描台6，运动控制装置4等组成，测量对象为成型设备7和处于密闭高压、中温的熔融态物料8。其中成型设备7选用挤出机，它主要由直径为20mm的单螺杆和金属机筒所组成；运动控制装置4选用Advance工业控制机，它主要用以控制挤出温度、压力、速度和机械扫描台6的运动；射线源5采用1.17M eV的γ射线源；图像测量系统的相对密度分辨率是1％，空间分辨能力经亚像素插补可以达到0.02mm～0.08mm，层析图像的大小是512×512像素，灰阶级是256；熔融态物料8选用低密度聚乙烯，实例中在固体输送段、熔融段、熔体输送段和口模处所设置的控制温度分别为150℃、160℃、180℃和210℃。图像测量系统在实例过程中，沿挤出方向以每间隔4mm方式获取熔融段的层析形态图像信息，图5是实施测量中获取的成型设备7和熔融态物料8层析图像Y，为了提高目标图像的信息量，对层析图像Y进行目标层析图像提取和标度变化与亚像素插补的图像预处理，获得目标图像Y1，如图6所示，从图中可知，目标图像Y1的像素数量和信息量较之Y中相应量得以大大提高，即图像质量得以改善。在此基础上，通过对目标图像Y1施以包括时间、空间、物质吸收系数等多参数的图像分割和高维贯穿和低维分凝的层析链识别，来获得具有层析链结构的目标特征图像，如图7所示，它是以物质吸收系数提取特征值为120，对熔融段初期中的物料8进行特征提取和识别而获得的目标形态图像Y2。

然后，根据聚合物成型的基本机理，采用物质吸收系数的阈值变化算法，利用计算机3对目标层析特征形态进行测量，测量量包括物料8中各种层析链的链长、面积、质心、离心率，层析链在成型设备7中的轴向、径向和周向几何分布等目标几何特征形态量；层析链的物质吸收系数、密度，层析链随时间、成型设备7的轴向、径向和周向空间、温度和压力的变形、变形速度和变形速度分布等。

通过测量与分析目标层析特征形态可以发现，处于不同特征值的目标形态图像不仅反映了处于不同聚集态的目标特征形态，而且也表现了它们在挤出空间上的分布，通过它可分析出目标在外力场作用下随时间、挤出空间的多值流动变化关系，求出在挤出加工条件下聚合物结构与性能的联系。

根据密闭中熔融态物料形态的层析图像测量方法，首先利用计算机层析图像测量装置(见图1)获取由成型设备7(背景)和处于密闭高压、中温的熔融态物料8(目标)所组成的密闭成型空间的层析图像Y，见图7，该图为成型设备7和熔融态物料8层析图像的示意图，其中背景图像10的灰度值较低，目标图像9的灰度值较高；由图7可知，尽管在图像灰度分布上，背景图像10与目标图像9分别处于图像灰度的低值区和高值区，但在像素数量上，背景图像10像素数与目标图像9像素数之比大约9∶1，即在整幅层析图像中，目标图像9所携带的信息量太小，如果以整幅图像为处理单元，则目标特征难以从图像Y中获得，这直接影响到对成型中熔融态物料形态的研究。

(2)目标层析图像提取

根据光电图像信息论，目标图像所含有信息量I(X；Y)表示为：