[发明专利]基于图像识别方法的纤维与液滴受力测量装置与方法

说明书

本发明属于纤维与液滴受力测量技术领域，公开了一种基于图像识别方法的纤维与液滴受力测量装置，包括空气压缩机、第一限压阀、电磁阀、第二限压阀、第一高速摄像机、计算机、空气过滤装置、稳流管、第二高速摄像机、液滴、尼龙纤维、支撑板和光源。该测量装置拍摄悬挂在纤维上液滴的顶视图与侧视图，识别液滴在横向气流作用下的动态重心位置，建立液滴受力的力平衡与动量矩平衡方程，计算得到气流对液滴横向拖曳力和纤维对液滴的拉力。本发明的装置结构简单，通过计算能够获得纤维上的液滴在横风作用下受到的气流拖曳力和纤维拉力，在纤维过滤介质的气液分离、纤维表面喷涂等技术领域能够得到很好的应用。

技术领域

本发明属于纤维与液滴受力测量技术领域，尤其涉及一种基于图像识别方法的纤维与液滴受力测量装置与方法。

背景技术

在很多工程应用中，设计液滴与纤维作用力分析问题，如采用纤维过滤介质的气液分离、纤维表面喷涂等。由于液滴与纤维尺度较小(10^-3m)，两者之间的作用力(10^-5N)很难通过常规测量方法进行直接测量。为了研究悬挂在纤维上的液滴在横风作用下受到的气流拖曳力和纤维拉力，设计本测量装置与方法。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于图像识别方法的纤维与液滴受力测量装置与方法,以解决上述技术问题。

为解决上述技术问题，本发明的一种基于图像识别方法的纤维与液滴受力测量装置与方法的具体技术方案如下：

一种基于图像识别方法的纤维与液滴受力测量装置，包括空气压缩机、第一限压阀、电磁阀、第二限压阀、第一高速摄像机、计算机、空气过滤装置、稳流管、第二高速摄像机、液滴、尼龙纤维、支撑板和光源，所述空气压缩机通过管子和第一限压阀相连，电磁阀放置在连接第一限压阀和空气过滤器的管子上，稳流管连接空气过滤器，第二限压阀连接稳流管，尼龙纤维依靠支撑板固定在稳流管的出风口处；第一高速摄像机和第二高速摄像机与计算机相连，液滴位于稳流管的出风口处的尼龙纤维上，光源位于液滴下面。

本发明还公开了一种基于图像识别方法的纤维与液滴受力测量方法，包括如下步骤：

步骤1：调好第一限压阀和第二限压阀的值后打开空气压缩机释放气体，然后打开电磁阀，让压缩后的气体流入实验管道；

步骤2：通过第一高速摄像机和第二高速摄像机拍摄液滴在层流作用下的变形情况并记录在计算机中；

步骤3：最后将第一高速摄像机和第二高速摄像机拍到的图片以及实验数据放置到编好程序的MATLAB中进行分析处理，即可拟合得到液滴的轮廓、识别出液滴的中心点、计算得到液滴的半径，从而对受横向气流力的液滴进行受力分析。

进一步的，步骤3对受横向气流力的液滴进行受力分析的步骤如下：

液滴与纤维中心之间的接触点为O₁，液滴在静态稳定情况下的中心为O₂，液滴横向气流的影响下动态振荡的中心为O₃，液滴中心竖直方向偏移距离为Δz_drop，水平方向偏移距离为Δy_drop，利用三角函数，结合液滴中心在y方向上的偏移距离Δy_drop和椭球液滴的长轴半径R_drop-z，可以得到液滴在纤维上的旋转角α

通过等高线拟合得到的液滴的轮廓且分析出液滴的直径，由椭球液滴半径在笛卡尔坐标系的三个轴方向上的值R_drop-x、R_drop-y和R_drop-z计算得出液滴的质量：

在动力学条件下，结合液滴的半径，得到液滴与纤维轴的转动惯量：