阴影粒径测量系统

多相流颗粒尺寸、速度、形状等参数的表征

基于先进成像技术的粒子流动表征方法

从自然现象到工业过程，多相流无处不在。无论是基础科学研究还是实际流动诊断，要全面理解这些流动过程，都需要按相位测量速度场。无论是空气或液体中的固体颗粒，还是气泡/浆料流，这类应用都更适合采用基于图像的处理方式，而非点式测量仪器。

ShadowSizer 测量解决方案 非常适用于研究复杂的多相流过程，例如喷雾破碎、气泡生长、冷凝现象、空间颗粒尺寸分布以及粒径-速度相关性分析。

该系统是一套完整的解决方案，可通过阴影成像技术直接测量颗粒的尺寸、速度和形状，无需假设颗粒为球形，也不需要了解其成分即可获得精确结果。

主要优势

• 应用范围广泛：液滴、气泡、固体颗粒 —— 静态或流动状态皆可
• 可在低频或高频下实现空间区域的瞬时测量
• 无需预先提供颗粒信息
• 操作直观、易于设置和使用 —— “所见即所得”
• 最小可测粒径低至 3 µm

易用的阴影粒径测量方案

ShadowSizer 是一种用于多相流过程中粒径、速度和形状映射的高效解决方案，真正实现了“所见即所得”。因此系统操作极为简便——就像拍照一样简单。整套系统包括：专用相机，背光源（LED 或脉冲激光器），计算机，DynamicStudio 软件平台。ShadowSizer 实现了图像采集与分析在同一平台上完成。成像方面，我们提供三种不同的长距离显微镜，及多种显微/微距成像镜头以适应不同应用场景。

系统由光源，相机，长距离显微镜或微距镜头，软件，及同步控制器组成

基本原理

利用背光照明物体，相机捕捉其投影阴影图像。对于流动中的颗粒，采用短时间闪光配合高精度同步装置，冻结颗粒运动轨迹。图像通过先进的自适应分割算法提取颗粒的尺寸与形状信息；速度信息则由专用的粒子追踪算法获取。

ShadowStrobe, I型长距离显微镜、FlowSense EO 5M 相机 ShadowSizer 系统测量农业空心锥形喷雾中的液滴

系统概述

系统包含：高分辨率CMOS 相机，长距离显微镜头，光源，校准靶标，分析软件。我们富有经验的工程师可根据具体需求自由组合相机、光学元件（镜头）和照明设备，从而最优匹配应用所需的速度范围、粒径范围及测量区域大小。

光源
提供三种类型的光源——ShadowStrobe LED，大口径超亮脉冲LED及基于激光的 ShadowStrobe——用于对测量对象进行背向照明。三种光源均无散斑，可提供均匀且明亮的背景，并可通过 DynamicStudio 软件轻松控制。

ShadowStrobe LED

• 高强度非相干脉冲光
• 准直且可调节光束发散角
• 最短脉冲持续时间可达 100 ns
• 最高重复频率达 100 kHz

大口径超亮脉冲LED

• 高强度非相干脉冲光
• 可提供高达90~150mm的近准直光学设计
• 最短脉冲持续时间可达300ns
• 最高重复频率可达100kHz

ShadowStrobe 光学组件

• 通过柔性液体光导与激光器配合使用
• 提供均匀准直且无散斑的背景照明
• 可选用多种激光器，具备不同脉冲能量和重复频率
• 适用于高速喷雾或流速高达数百米每秒的流动
• 可通过焦点调节改变照明区域

相机

我们提供多种分辨率及帧速的CMOS 相机可供选择，以满足不同应用要求。根据需求，可配置双帧系统或时间分辨系统。

重点关注颗粒统计时，双帧 FlowSense FCX 系列相机具有极短的帧间时间和小像素尺寸，同时保持高分辨率，可在宽动态范围内测量颗粒分布，甚至适用于超音速流动应用。采用最新的背照式 CMOS 传感器，具备优异的灵敏度、扩展的动态范围以及极强的抗溢出能力，即使在最具挑战性的应用中也能实现清晰成像。

若关注瞬态现象，SpeedSense CMOS 系列相机可在全分辨率下实现最高每秒7.5万帧的拍摄速率，能够以时间序列捕捉复杂的物理过程，例如：气泡形成/合并、液体碎裂、固相生成/分离等。有关 FlowSense、HiSense 和 SpeedSense 相机的更多信息，请参阅单独的数据手册。

长工作距离显微镜头

为了避免测量对象（如喷雾）污染成像系统，同时尽量减少整个测量系统对颗粒流的干扰和侵入，需要使用长距离显微镜在相对较远的工作距离下测量微小颗粒。为此我们提供了三种不同类型的镜头，以满足此类应用所需的高图像放大倍率。

第一类为 I 型和 T 型长工作距离显微镜，提供多种的放大倍率和工作距离组合，适应不同测量条件下的灵活性需求。

第二类为定焦光学结构的远心镜头系列，在特定应用中提供最高精度。T型长工作距离显微镜及远心镜头均采用焦内远心设计，配合DynamicStudio的景深标定技术，可以提供2.5D的粒径测量。

第三类为长焦微距显微镜头，我们提供从100mm至400mm焦距的多种规格的微距镜头，以满足不同工作距离及粒径范围要求。

长距离显微镜——I/T 型
I/T 型显微镜操作极为简便。两者均配有可调光圈和聚焦环。I型与T型具有相似的工作距离和放大倍率，其中I型适用于全画幅图像传感器格式，而T型适用于较小的 4/3 英寸传感器，但具备近似恒定放大倍率的聚焦功能，从而更精确地测量颗粒尺寸。

• 最大放大倍率：约12倍
• 最大工作距离：675 mm
• 特点：操作简便；可调光圈；适配所有图像传感器格式

远心镜头
当应用已知其放大倍率和工作距离时，远心镜头可在整个景深范围内提供无畸变且放大倍率恒定的成像效果，是实现高精度颗粒尺寸测量的理想选择。

• 最大放大倍率：1.0倍
• 最大工作距离：400 mm
• 特点：放大倍率恒定；无需聚焦或调整

所有类型的长距离显微镜均配有专用支架和安装板，可与 HiSense、FlowSense 和 SpeedSense 系列相机兼容组合。

长焦微距显微镜头
长距离显微镜的工作距离通常而言是有限的。当测量需要超长工作距离时，或预算有限时，我们通常推荐采用长焦微距显微镜头。该系列镜头采用消色差设计，无论背光光源为单色光还是白光，均可以获得优异的满足Shadow系统边缘检测要求的图像质量。

标定靶

Shadow 校准靶标有助于减小尺寸测量中的偏差。其多频网格畸变图案可用于执行阴影尺寸校准，结合 DynamicStudio 软件和 Shadow Sizing 插件功能。通过在不同离焦深度位置采集图像，可以获得三项主要校准输出：尺寸修正、深度位置确定以及用于颗粒统计的景深（DOF）修正。

阴影粒径校准标定靶，覆盖粒径范围10至1000um 

相机与光学元件的选择

一般而言，正确选择显微镜及其参数取决于所需分辨的最小颗粒尺寸。经验法则是：至少需要5个像素来分辨一个成像颗粒。举例来说，若相机像素大小为3.5μm，放大倍率为1.5，则可分辨的最小液滴/颗粒尺寸约为√(5 × 4/π) × 3.5 / 1.5 ≈ 5.9 μm（基于投影面积等效直径）。

为了测量颗粒速度，需要短时闪光“冻结”颗粒在其视野中的运动，并保证足够的重复频率以便在后续帧中追踪它们。所有提供的相机均可获取双帧图像，而只有SpeedSense及FlowSense CX 系列才能实现时间分辨追踪。

我们以 100 µm 的颗粒作为参考标准，使其在帧内最大移动不超过其直径的 10%，以此设定闪光灯的最小脉宽。为了在时间上追踪该颗粒，考虑帧间最大位移为 80 像素，由此设定最小重复频率，以确保能够在帧之间准确匹配颗粒轨迹。

以下是典型相机的像元大小以及典型物镜的最大放大倍数。各型号物镜的工作距离与放大倍数的关系，请与负责您地区销售的工程师联系获得。

不同配置方案的最高测速范围受光源脉宽、相机最小跨帧时间、放大倍数以及粒子浓度影响，通常而言，对于LED光源，最高测速范围约<100m/s；对于激光光源，最高测速范围则可达到200m/s以上。具体请与负责您地区销售的工程师联系，探讨技术方案。

软件

ShadowSizer 软件是 DynamicStudio 平台的一个插件。DynamicStudio 是一个创新、灵活且易于使用的成像测量软件平台。得益于即插即用设备和配置向导，硬件配置非常简便。该软件平台贯穿整个流程，协助用户完成系统设置、数据采集、处理和结果展示。

图像分析与数据处理

所采集的含有颗粒阴影的图像揭示了每个颗粒的几何信息。我们先进的自适应阴影追踪检测算法确保正确测量颗粒的几何特征和尺寸。结合这一算法，最新的阴影尺寸校准方法有助于提高尺寸测量的准确性与精度，并可计算颗粒的深度位置。

对于每一个被检测到的对象，测量以下参数：

• 位置（x, y）
• 深度（|z|）
• 速度矢量
• 形状因子
• 面积
• 离心率
• 对比度
• 等效直径
• 校准直径
• 周长
• 等效体积
• 主/次轴长度
• 方向

颗粒速度由连续两帧图像之间的位移信息确定，结果通过粒子追踪速度（PTV）算法计算。

DynamicStudio 中的自适应阴影追踪方法。农业空心锥喷雾中的颗粒检测。结果通过颗粒显示叠加图和数据表格呈现，便于快速可视化关键参数，如速度、尺寸、离心率等。

高级图像处理与颗粒统计

传统的阴影成像颗粒测量通常仅提供二维信息。“所见即所得”原则适用，允许你在 x-y 视场平面内计算颗粒的位置和形状参数。新的图像处理技术使单相机系统能够超越二维测量平面，通过计算颗粒的离焦程度来获得其绝对深度位置。我们在 DynamicStudio 中称之为“2.5D 阴影测量”。

应用阴影统计方法时，可计算关键颗粒尺寸统计数据，如 D10、D32、D43、Dv10、Dv50、Dv90 和 Span。颗粒尺寸分布可用颗粒尺寸或体积的直方图表示，形式为计数、概率密度或累积密度函数。此外，结合来自阴影尺寸校准的景深（DOF）估计，可校正阴影成像固有的偏差，提升整体统计精度。

其他统计量如颗粒体积分数或体积通量也可通过 DOF 校准进行估算。所有统计数据均可在数值界面上显示，并可轻松导出，供外部工具（如 MATLAB、Octave、Python、Excel 等）进一步处理。

离焦颗粒的尺寸校正、距离估算与景深。基于阴影尺寸校准方法构建。

喷雾阴影测量的综合工作流程。左下图为自适应阴影追踪显示测量颗粒叠加在原始图像上；右下图为阴影相关性图，展示液滴的整体尺寸-速度相关关系；右上图为阴影统计图，展示经景深校正后的颗粒尺寸概率累积密度函数；左上图为借助阴影尺寸校准深度估计算法实现的颗粒尺寸与速度的 2.5D 表示。

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