基于機器視覺的黏度檢測技術研究

高旭輝，薛 征，李 域，2，龔敏珍，于得水，2，臧 鵬

(1.陜西省計量科學研究院，陜西 西安 710100；2.國家市場監(jiān)管重點實驗室(計量光學及應用),陜西 西安 710100)

黏度是流體重要的熱物性參數(shù)之一，黏度的大小直接決定流體的流動性。黏度的準確測定對于預測指導石油產(chǎn)品[1-2]、高分子材料[3]的生產(chǎn)工藝控制和物流輸送，確定內(nèi)燃機[4]、印刷機[5]、液壓機械[6]的工作條件，反映人體體液循環(huán)的健康狀態(tài)[7-8]等都有著重要的意義。黏度的測試方法主要有毛細管法、旋轉法、振動法、落體法、光學法、超聲波法等。其中，毛細管法因其測量準確度高、結構簡單等特點，成為液體黏度測量應用最廣的方法。

常見的毛細管黏度計有烏氏(烏別洛特，Ubbelohde)、平氏(平開維奇，Pinkievich)、芬氏(芬斯克，F(xiàn)enske)以及逆流式等，其中平氏黏度計因其結構較為簡單、操作相對方便、黏度測量范圍寬等優(yōu)點，常用作工作毛細管黏度計。以平氏黏度計為代表，引入機器視覺技術，對黏度自動檢測過程進行了研究。

在恒溫條件下，一定量運動黏度已知的標準黏度液受重力作用通過毛細管黏度計的計時標線，測量黏度液通過計時標線的時長，即可計算出其黏度計常數(shù)。相應地，用常數(shù)已知的黏度計測量未知流體通過計時標線的時長，即可以計算出其運動黏度值。

目前毛細管黏度計的檢定和運動黏度的測量以人工測量為主，每次測量時間需持續(xù)200～2000 s，操作人員勞動強度大，精神緊張，工作效率難以提高。近年來，國內(nèi)多家機構開展了毛細管黏度計的自動檢定或黏度自動測量工作研究[9]。吳陽平等[10]采用電容式液位傳感器對黏度計的計時標線進行識別，抗干擾能力較強；李琴[11]采用自動黏度測試架實現(xiàn)對液位的自動測試；胡國星等[12]采用CCD攝像機對黏度計工作圖像進行識別分析，實現(xiàn)了黏度計的自動檢定/校準；邢志紅等[13]采用CCD圖像傳感芯片采集黏度計圖像，通過單片機對圖像進行處理，實現(xiàn)了黏度計檢測的自動化。

針對平氏黏度計的檢定過程和運動黏度測量過程，對基于機器視覺的黏度自動檢測技術進行了研究，利用計算機視覺系統(tǒng)模擬人的視覺進行目標識別、定位和判斷，提高了黏度計的檢定以及運動黏度測量效率，在計量技術機構進行量值傳遞和油品檢驗機構進行黏度測量方面有著較好的應用前景。

1 黏度自動檢測方案設計

1.1 黏度測量原理

根據(jù)泊肅葉(Poiseuille)定律，一定體積的牛頓流體在一定壓力梯度下通過給定的毛細管時，其動力黏度η可通過測量流體流速和流經(jīng)毛細管產(chǎn)生的壓力差Δp進行計算獲得，根據(jù)被測流體的密度ρ，可以計算獲得其運動黏度ν[14]：

(1)

使用玻璃毛細管黏度計進行測定時，Δp可以用液體靜壓力ρgh表示；式中L、R為毛細管長度和半徑；Q為單位時間通過毛細管的體積流量；g為重力加速度；h為被測流體液柱高度；V為流體的體積；τ為流體在毛細管中的流動時間。在毛細管和被測流體都確定的情況下，R，h，V，L均為定值，令

(2)

可得

ν=C·τ

(3)

式(3)即為毛細管黏度計測量流體運動黏度的公式，C稱為黏度計常數(shù)。按照JJG 155—2016《工作毛細管黏度計》[15]檢定規(guī)程要求，黏度計常數(shù)用標準黏度液國家標準物質對黏度計進行標定得到。

1.2 檢測需求分析和系統(tǒng)搭建

按照式(3)，自動檢測系統(tǒng)應能夠準確測量平氏黏度計計時球(見圖1)中流體的流動時間，即流體流過上、下計時標線(見圖1)的時刻之差。

圖1 平式黏度計結構與實物圖

根據(jù)測量系統(tǒng)的機器視覺檢測需求，確定機器視覺檢測系統(tǒng)由攝像機、流體跟蹤裝置、光源、計時裝置和圖像處理計算機組成，如圖2所示。

圖2 機器視覺檢測系統(tǒng)結構圖

各系統(tǒng)功能和技術指標如下。

① 攝像機。采用高速紅外攝像機，畫面采集速度120 f/s，滿足JJG 155—2016對于時間測量分辨力優(yōu)于0.1 s的要求，CMOS感光芯片尺寸為5.27 mm×3.93 mm(1/2.7 in)，像素數(shù)>1 M，可以生成1024像素×768像素分辨率的灰度圖像，采用USB2.0數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)實時傳輸，可以準確采集流體運動圖像。

② 流體跟蹤裝置。在測定過程中，步進電機帶動攝像機在垂直導軌上移動，其最小移動量為0.1 mm，使攝像機與計時刻線處于同一水平面，并保持靜止狀態(tài)，模擬人眼對計時標線的識別過程，有效避免了攝像機的圖像畸變帶來的影響。

③ 光源。為實現(xiàn)對有色流體和無色計時標線的識別，增強檢測的通用性和一致性，系統(tǒng)采用300 mm×600 mm的白色LED光源作為攝像機的背景光源。

④ 計時裝置。時間的準確測量是黏度準確檢測的關鍵因素，本系統(tǒng)采用電秒表計時，其測量范圍0.0001～9999.99 s，測量誤差小于±(5×10-6τ)。

1.3 黏度檢測與圖像處理

黏度檢測過程如圖3所示。在檢測前，攝像機P通過步進電機M驅動往復運動一周，利用模板匹配方式識別待測黏度計的上下計時標線，實現(xiàn)對被測流體的跟蹤；待測定開始時，攝像機運行至上計時標線水平面，流體受重力影響向下流動，液面下降。在流體自身黏度的影響下，流體在流過刻線時為層流狀態(tài)，其液面呈彎月面形狀。當流體液面曲線與上計時標線相切時，輸出觸發(fā)脈沖起始計時，然后攝像機快速運行至下計時標線水平面，檢測到流體液面曲線與下計時標線相切時輸出截止脈沖結束計時，以兩次脈沖的時間間隔作為流體流動時間。

圖3 黏度檢測過程示意圖

在檢測過程中，毛細管黏度計中的流體處于運動狀態(tài)，檢測系統(tǒng)得到的是動態(tài)圖像。通過高速攝像機將動態(tài)圖像解析為連續(xù)的靜態(tài)圖片，通過高精度定位模板匹配方式識別計時起點和終點[16]。檢測軟件系統(tǒng)采用C#語言編寫，采用AForge庫進行視頻圖像采集輸入輸出，應用OpenCVSharp庫對采集圖片進行處理，通過灰度處理、去噪、二值化、形態(tài)學開、閉操作及膨脹、腐蝕處理，攝像機與刻度線、液面的水平同樣采用OpenCVSharp庫對圖像中像素進行處理、識別，實現(xiàn)自動測量，結果如圖4、圖5所示。

圖4 計時起始圖像及灰度、二值化處理結果示意

圖5 計時終止圖像及灰度、二值化處理結果示意

2 測量過程與結果

2.1 測量過程

黏度的自動檢測過程可以分為毛細管黏度計常數(shù)測量和運動黏度測量兩部分。

按照國家計量檢定規(guī)程JJG 155—2016《工作毛細管黏度計》的要求，在(20±0.01)℃的恒溫條件下，分別選取兩種適合的標準黏度液對平氏黏度計各進行4次流動時間測量，將流動時間平均值與標準黏度液的運動黏度標準值代入式(3)計算黏度計常數(shù)，以兩種標準黏度液測得的常數(shù)平均值作為毛細管黏度計常數(shù)測量結果。兩種標準黏度液測量結果的時間重復性δt和常數(shù)復現(xiàn)性δC分別按式(4)和式(5)計算：

(4)

(5)

按照國家標準GB/T10247—2008《粘度測量方法》[17]的要求，在(20±0.01)℃的恒溫條件下，分別選用兩種不同內(nèi)徑的平氏黏度計對流體樣品各進行兩次流動時間測量，將流動時間平均值與毛細管黏度計常數(shù)值代入式(3)計算運動黏度值。運動黏度值的重復性δν按式(6)計算：

(6)

2.2 毛細管黏度計常數(shù)測量結果

利用搭建好的自動檢測系統(tǒng)，按照2.1節(jié)中的步驟對毛細管內(nèi)徑為0.6～1.2 mm的4種平氏黏度計進行毛細管常數(shù)測量，并與人工測量結果進行對比，結果如表1所示。

表1 毛細管黏度計常數(shù)測量結果對比

測量結果表明，自動測量的時間重復性在0.05%～0.11%之間，優(yōu)于人工測量的0.07%～0.19%；對于兩種不同黏度液的常數(shù)復現(xiàn)性在0.03%～0.17%之間，優(yōu)于人工測量的0.11%～0.23%。自動測量與人工測量的毛細管常數(shù)平均值之測量偏差在0.03%～0.07%之間，符合檢定規(guī)程中常數(shù)復現(xiàn)性不大于0.3%的要求。

2.3 運動黏度測量結果

利用搭建好的自動檢測系統(tǒng)，按照2.1節(jié)中的步驟對0號柴油和0W20潤滑油等兩種樣品進行運動黏度測量，并與人工測量結果進行對比，結果如表2所示。

表2 運動黏度測量結果對比

測量結果表明，自動測量的運動黏度重復性在0.12%～0.46%之間，優(yōu)于人工測量的0.25%～0.56%。自動測量與人工測量的運動黏度平均值之測量偏差在0.02%～0.17%之間，符合國家標準中再現(xiàn)性不大于0.7%的要求。

3 結束語

為適應黏度檢測的實際需求，提高毛細管黏度計檢定和運動粘度測定的效率，基于機器視覺原理對黏度自動檢測技術進行研究，利用高速紅外攝像機和流體跟蹤裝置對人工測量過程進行模擬仿真。對平氏黏度計毛細管黏度計常數(shù)和流體樣品運動黏度測量結果表明，自動檢測系統(tǒng)均明顯優(yōu)于人工測量結果，二者的測量偏差符合相關規(guī)程和標準要求。同時應用自動檢測技術可以簡化計時和計算過程，可以起到提高測量準確度、節(jié)省人力的作用。