用於確定顆粒混合物的顆粒尺寸和/或顆粒形狀的設備的製作方法

2023-10-29 11:29:06

在數碼圖像處理的協助下分析塊狀材料的顆粒形狀和尺寸是一種廣泛使用的方法。這裡做出與靜態分析方法和動態分析方法之間的基本的區別。基於動態圖像處理的用於確定顆粒混合物的顆粒尺寸和/或顆粒形狀的設備是熟知的，例如，從DE 198 02 141C1、EP 0 348 469B1和EP 2 330 400A2。這些熟知的設備包括輸送裝置，所述輸送裝置具有用於顆粒塊狀材料的漏鬥形狀的存儲容器以及振動板，該振動板用於分離從存儲容器輸送的顆粒，使得它們作為幕簾形狀的顆粒流從振動板下落通過測量段。照明裝置被分配給測量段，該照明裝置被設置在測量段的後側並且指向測量段，以便從後側二維地照亮測量段中的顆粒流。此外，提供被定位在測量段的前側的相機，該相機與照明裝置對置並且其指向測量段，以便記錄被照明裝置照亮的顆粒的陰影投影。利用合適的分析程序，可以由每個單個的顆粒的陰影投影來確定尺寸參數和形狀參數。陰影投影一般很好地適合於確定顆粒的外觀。很容易將記錄的數據二進位化，因為在理想的情況中，只有兩件事被考慮，即：亮和暗。然而，只能獲得關於表面輪廓的有限信息，因為記錄的顆粒的朝向相機的前側作為連續的黑色區域出現。

動態方法的優點是在相對短的時間內測量大的樣本量。這導致測量的高統計可靠性。這個方法的缺點是一般只檢測到每個顆粒的隨機的定向的二維投影。由於動態方法的結果主要與來自篩查的數據對比，所以要求篩查處理和動態圖像處理之間最佳可能的關聯。當通過篩查確定尺寸時，所用的篩的篩網寬度對於顆粒被排序到的所謂的尺寸類別是決定性的。只有顆粒的最小投影表面小於篩網，顆粒才可以穿過篩網。由於在動態圖像處理中，僅記錄顆粒的隨機的定向，所以不可避免地導致最小的投影表面也可以差別很大。顆粒的形狀越偏離球體，越增加不確定性。通常，因此，在動態圖像處理的協助下確定的不對稱的顆粒的尺寸分布比在篩查的協助下獲得的不對稱的顆粒的尺寸分布寬。然而，對於具體的樣本通過分析例程和校正建立兩種測量方法之間的關聯是可能的。然而，這關係到相當大的複雜性。因此，努力獲得待測量的顆粒的三維數據。例如，在US 8,270,668B2中提出從不同的觀察方向記錄同一個顆粒若干次。這樣做，通過在自由下落期間的不同時間記錄顆粒的圖像，落下的顆粒的自旋轉被利用。

靜態圖像處理方法具有高空間解析度並且能夠以入射光和透射光兩者來操作。然而觀察的樣本量很小。此外，由於它們被放置在物體託架上，被檢查的顆粒在優選的定向上。因此，不會觀察到單個顆粒的靜態的分布定向。可以通過特定的光學系統諸如例如共聚焦顯微鏡來克服這個缺點。然而，靜態圖像處理仍然關係到僅可以分析小的樣本量的問題。

因此，下述發明的目標是設計初始指定類型的用於確定顆粒混合物的顆粒的顆粒尺寸和/或顆粒形狀的設備和方法，其根據動態圖像處理的原則工作，使得關於待測量的顆粒的幾何的額外的信息被很容易地獲得。

利用初始指定類型的設備來實現這個目標，通過將投影裝置分配到相機，該投影裝置設置在測量段的前側，指向測量段並且被定位為與相機成三角測量角α，以便將光線投射到測量段中的顆粒流的顆粒上，所述光線也被相機記錄，在分析單元中從光線的形狀確定關於記錄的顆粒的深度信息和/或幾何信息。

此外，利用初始指定類型方法來實現目標，通過投影裝置從測量段的前側將光線投射到測量段中的顆粒流的顆粒上，並且用相機記錄光線，從光線的形狀可以確定關於記錄的顆粒的深度信息和/或幾何信息。

因此，發明基於用光切法(也被叫做線三角測量)的理念來確定顆粒的表面輪廓。為了這個目的，通過投影裝置將窄的光線投射到待測量的顆粒的前側上。投影裝置相應地被設置在測量段的前側上，但被定位為與相機有角度偏移，使得投影裝置的投影軸與相機的光軸偏移三角測量角α。顆粒流通常在方向Y上在直線上被傳送通過測量段，例如，自由下落。有利地，投影裝置和相機隨後被布置使得投影裝置的投影軸和相機的光軸被設置在垂直(水平)於顆粒的Y移動的方向的X，Z平面中，並且在這個平面中被布置為彼此偏移三角測量角α。在操作期間，測量段的區域中的顆粒流從後側被二維地照亮，以便產生被相機從測量段的前側記錄的陰影投影。此外，在相機的視野的狹窄的區域中，在投影裝置的協助下，細的光線被投射到顆粒上。這個光線被下落顆粒部分地散射回，並且散射的光被相機檢測。隨後可以利用合適的分析軟體由光線的形狀獲得關於測量的顆粒的深度信息和幾何信息。與用已知的方式從陰影投影獲得的輪廓信息一起，如果相機的幀速率足夠的高，則可以計算測量的顆粒面對相機的側的完整的重新構造。藉助顆粒相對於產生的光線和相機的移動，獲得在顆粒的移動Y方向的完全掃描。

為了獲得顆粒的完全掃描，需要使用高幀速率的相機。因為顆粒僅在兩個連續的圖像之間移動幾個像素，高於1000張/秒的幀速率是必要的。為了實現這個幀速率，許多相機具有隻讀出相機晶片的特定區域的選項。類似地，可以使用這樣的相機，所述相機的CCD或CMOS晶片具有(可選地)對數的敏感性，以便補償由待分析的塊狀材料的不均勻性引起的散射行為的區別。

根據發明的優選的實施例，做出規定使得相機和被分配給相機的投影裝置被設置在測量段的後側，以便產生和記錄顆粒的後側的光線，在分析單元中由光線的形狀確定關於記錄的顆粒的深度信息和/或幾何信息。在這個實施例中，額外的投影裝置和額外的相機被設置在測量段的後側以便也產生和記錄測量段中的顆粒的後側的光線，並從光線的形狀獲得關於顆粒的後側的輪廓信息。相應地，相機和投影裝置在測量段的後側被布置成彼此偏移三角測量角α並且優選地在垂直於待檢測的顆粒的移動方向Y的平面X，Z(水平)中。這種布置被有利地做出使得在測量段的前側和後側的兩個投影裝置的投影軸和相機的光軸都被設置在共同的XZ平面中。

在測量裝置後部的照明裝置和投影裝置有利地被脈衝或者計時使得它們交替地起作用並且顆粒由照明裝置或者投影裝置照亮。換言之，當投影光線產生時，顆粒不被照明裝置照亮，使得光線可以被在測量段的後側的相機良好地檢測。

在測量段的前側和/或後側上的用於產生細的光線的合適投影裝置優選地包括雷射器和/或至少一個LED作為光源。此外，透鏡和/或衍射光學元件被優選地用於產生光線。

此外，在測量段的前側和/或後側上的投影裝置被構造成產生不同顏色的投影光線。眾所周知不同的材料具有不同的吸收和透射屬性。這對散射回的光的量有直接的影響。因此具有可用的多個可能的投影顏色是有利的，所述多個可能的投影顏色可以取決於待測量的顆粒混合物的材料以便產生光線而被可選地使用。

根據發明的一個實施例，做出規定使得濾波裝置被設置在測量段的前側和/或後側在相機的上遊，以便過濾掉由待分析的顆粒的表面上的螢光激發產生的光。例如，濾波裝置可以包括高通和或帶通濾波器。

可替代地，或者此外，濾波裝置也可以包括辨別被測量段中的顆粒散射的光的預定偏振方向的濾波器，並且這在測量透明顆粒時是尤其有利的。

在發明的進一步的發展中，做出規定使得分析單元被構造為通過合適的軟體濾波和/或自適應算法，特別是亞像素和/或高斯適應，進一步處理由在測量段的前側和/或後側上的投影裝置產生的光線的圖像，從而獲得光線的最高可能的解析度。這個實施例帶來了獲得深度和形貌信息的高準確度。

此外，對於光線的算法確定有利的是限定每個記錄的圖像中的感興趣的區域(ROI)。這顯著地降低了分析程序的搜尋工作。為了確定這種區域，通過相應地分析連續的圖片藉助由相機記錄的陰影投影來追蹤顆粒是有幫助的。以此方式，可以預測追蹤的顆粒什麼時候將穿過光線的區域並且在隨後記錄的圖像中限定對應的ROI，其中在記錄的圖像中分析光線。

以自身已知的方式，輸送裝置被構造為分離測量段上的顆粒混合物並且產生以自由下落移動通過測量段的顆粒幕簾的形式的顆粒流。這裡不期望下落顆粒相對於下落平面的旋轉。因為這個原因，輸送裝置優選地具有用於抵消下落顆粒相對於下落平面的旋轉的工具，諸如例如導向板。

關於進一步的有利的實施例，參考參照附圖的示例性實施例的如下描述。附圖如下所示：

圖1：根據本發明的用於確定顆粒混合物的顆粒的顆粒尺寸和/或形狀的設備的原理圖，以及

圖2：顆粒的陰影投影，投影光線通過使用根據發明的設備獲得。

圖1示出根據本發明的用於確定顆粒混合物的顆粒的顆粒尺寸和/或形狀的設備的原理圖。設備包括輸送裝置1，所述輸送裝置1具有存儲容器2和傳送裝置，漏鬥形狀的所述存儲容器2用於顆粒塊狀材料，所述傳送裝置呈振動板3的形式，被定位在存儲容器2的輸出開口，其中振動板用於捕捉從存儲容器2落出的顆粒T並將它們沿著振動板3運輸到振動板3的自由輸出端，在該處它們從振動板3落下。用這種方式，在豎直方向Y中移動的顆粒T的像幕簾的顆粒流在下落平面E中產生。在下落期間，顆粒T的旋轉是不被期望的。因為這個原因，輸送裝置1具有抵消顆粒T的旋轉或者阻止旋轉的工具(未示出)，諸如例如導向板。捕捉容器(未示出)被設置在輸送裝置1下面，顆粒流被收集在捕捉容器中。

下落段的一部分被定義為測量段M。設備的照明裝置4被分配給這個測量段M，該照明裝置4被設置在測量段M的後側，並且指向測量段M，以便從後側二維地照亮測量段M中的顆粒流。此外，這個設置包括相機5，相機5被定位在測量段M的前側、與照明裝置4對置，並且指向測量段M，以便記錄被照明裝置4照亮的顆粒T的陰影投影。最後，設備包括被分配給相機5的投影裝置6，所述投影裝置6被設置在測量段M的前側並且也指向測量段M。投影裝置6用於將細光線L投射至測量段M中的顆粒T上，該光線也被相機5記錄。因為這個目的，投影裝置6被定位為與相機5有角度偏移使得投影裝置6的投影軸P與相機5的光軸K圍城一個三角測量角α。具體地，投影裝置6和相機5被布置使得投影裝置6的投影軸P和相機5的光軸K位於與顆粒T的移動方向Y或下落平面E相垂直的(即，水平的)X,Z平面中，並且被布置在這個平面中彼此偏移三角測量角α。

為了產生細的光線L，投影裝置6包括雷射器或者LED作為光源。此外，投影裝置6包括用於產生光線L的透鏡/或衍射光學元件。此外，投影裝置6被構造為產生不同顏色的投影光線。眾所周知不同的材料具有不同的吸收透射性能。這對散射回的光的量有直接的影響。因此具有可用的多個可能的投影顏色是有利的，所述多個可能的投影顏色可以取決於待測量的顆粒混合物的材料而被可選地使用，以便產生光線L。

最後，根據發明的設備包括分析單元7，所述分析單元7聯接到相機5，以便分析由相機5記錄的圖像。因為這個目的，分析單元7被設置有對應的分析軟體使得該分析單元7可以分析記錄的陰影投影和記錄的光線L，以便獲得與由相機5記錄的顆粒的顆粒尺寸和/或顆粒形狀相關的信息。

因為這個目的，分析裝置7被構造為藉助合適的軟體濾波器和/或自適應算法，具體地，藉助亞像素和/或高斯適應，進一步處理由投影裝置6產生的光線L的圖像，從而獲得光線的單像素解析度。這個實施例帶來高的精確度。

最後，用於光線的算法確定的分析單元7在每個記錄的圖像中限定感興趣的區域(ROI)。這顯著地降低了分析程序的搜尋工作。具體地，分析單元7分析相機5的連續的圖像，以便基於連續的圖像來追蹤各個顆粒的陰影投影。通過這種方式可以預測顆粒什麼時候將進入產生的光線的區域使得對應的ROI可以在隨後記錄的圖像中被限定。

在操作期間，待檢查的顆粒經由振動板3在下落平面E的方向傳送並且由此被分離。隨著顆粒T到達在附圖中的右邊的振動板3的輸出端，顆粒T進入自由下落。照明裝置4從測量段M的後側照亮顆粒並且因此產生被測量段M的前側上的相機5記錄的陰影投影。

此外，細的光線L在投影裝置6的協助下被投射進相機視野的狹窄的區域。這個光線L被下落顆粒T部分地散射回並且散射的光也被相機5檢測。隨後可以在分析單元中藉助分析單元中的合適的分析軟體，從由陰影投影獲得的輪廓信息和從光線的形狀獲得的額外的信息，計算記錄的顆粒T朝向相機5的側的完整重新構造。在這裡Y方向的全掃描通過顆粒T的相對於光線L和相機5的移動而實現。

為了實現顆粒的全掃描，使用高幀速率的相機是必要的。因為兩個連續的圖像之間的顆粒僅移動幾個像素，高於1000張/秒的幀速率是必需的。為了實現這個幀速率，許多相機具有隻讀出相機晶片的特定區域的選項。類似地，可以使用這樣的相機，所述相機的CCD或CMOS晶片具有(可選地)對數的敏感性，以便補償由於待分析的塊狀材料的不均勻性引起的散射行為的區別。

此外，以未圖示的方式，存在分配給相機5的濾波裝置，該濾波裝置用於過濾掉由在待分析的顆粒的表面上的螢光激發產生的光。例如，濾波裝置可以具有高通和/或帶通濾波器。

類似的，濾波裝置可以具有辨別被測量段中的顆粒散射的光的預定偏振方向，並且這在測量透明顆粒時是尤其有利的。

圖2示出具有投影光線L的下落顆粒的陰影投影的圖解圖示。顆粒是圓柱體。附圖示出只有外部輪廓可以被陰影投影確定。可以清楚的從圖2看出關於顆粒T的額外的形狀信息可以通過投影光線獲得。光線L的產生在顆粒的三維測量之外提供了進一步的優點。在顆粒T不精確的沿下落平面E移動的情況中，如圖1中所示，當記錄陰影投影時，發生透視誤差。如果顆粒T的軌跡較靠近相機5(較小的Z值)，則對於相機5而言顆粒T看起來較大；然而如果顆粒T的軌跡遠離相機5(較大的Z值)，則對於相機5而言顆粒T看起來較小。在投影光線L的協助下確定顆粒T的精確的Z位置是可能的。因此，通過使用線性光學，陰影投影的透視誤差可以被補償。