激光全息干涉法测量液相质扩散系数数字图像处理的研究

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1、维普资讯http://www.cqvip.com检测与仪表化工自动化及仪表，2008，35(5)：46—50ControlandInstrumentsinChemicalIndustry激光全息干涉法测量液相质扩散系数数字图像处理的研究费继友，涂娟(大连交通大学机械工程学院，大连116028)摘要：用He—Ne激光器、CCD和图像采集系统等仪器设备，搭建了数字激光全息干涉法测量液相质扩散系数的实验系统，并测试获得了浓度为O．33mol／1KC1水溶液在298．15K温度下的全息干涉图像，采用了图像增强、全息干涉条纹图再现及相位展开等数字图像处理过程的关键技术对全息干涉图进行处

2、理，得到了相位展开后物光相位差，经换算后获得了该溶液的质扩散系数。为化工工程上研究替代制冷剂急需的质扩散系数测量提供了有效的方法。关键词：数字激光全息干涉法；数字图像处理；质扩散系数；干涉图；水溶液；KC1中图分类号：TP751文献标识码：A文章编号：1000—3932(2008)05-0046-051引言全息干涉条纹图再现及相位展开等数字图像处理为了应对全球性的气候变暖、生态破坏等现过程的关键技术。象，《蒙特利尔议定书》第l9次缔约方大会达成最后测量浓度为0．33mol／1KC1水溶液在了氢氯氟烃(HCFC)于2030年完成生产量与消298．15K下的扩散系数，验证实验方法

3、的准确性和费量的淘汰。而当前国际上普遍采用的替代制可靠性，为化工工程上研究替代制冷剂急需的质扩冷剂是HFC，但是HFC也属于《京都议定书》中散系数测量提供了有效的方法。应实施减排的温室气体。目前市场上大量使用2液相质扩散系数的测定的R22制冷剂也将在2030年淘汰，即使是替代2．1液相质扩散系数的测量原理R22最理想的R404A仍然属于温室减排气体而Fick第二定律是质扩散系数实验测量和理论推面临淘汰。面对全球加速推动温室气体减排、减算的理论基础。当扩散被认为是一维时，并假设在缓全球变暖趋势、保护臭氧层以及我国绿色环保扩散开始前两溶液有明显的分界面。由Fick第二可持续发展战

4、略的实施，化工制冷行业迫切需要定律可得到质扩散系数D：找到新的环保制冷剂。而液相分子扩散系数是D．t．／t．一1‘)描述质量传递的最重要的物性参数，是化工上替式中：——溶液浓度变化极值点间的距离；t。，代制冷剂研究急需的主要参数之一，本文通过研t．——前后两张全息图的曝光时间。究数字全息干涉法测量液相质扩散系数原理，由式(1)可知质扩散系数D主要与参数t。，t。和用CCD传感器取代双曝光全息干涉法和实时全的测量有关。t。和t可以通过计算机硬件时钟息干涉法中的感光干板，物光和参考光由分光棱获得，而物光相位差△‘D的变化和溶液浓度△c的变镜聚合在一起，直接使用CCD传感器记录干涉

5、条化之问的关系为：纹图。数字全息干涉法的相于光波是采用时间Ac22_~r_l_(2)分隔法而获得的，随着时间的推移，物体的实际=状态发生变化，干涉条纹图也随之相应地发生变式中：——浓度变化和折射率变化之问的比例系化。由于折射率和溶液浓度存在着一一对应关数；A——物光波长；Z——扩散槽厚度。系，可以通过分析不同时刻的干涉条纹图获得溶由物光相位差的变化找到浓度变化的极值点液浓度的变化，通过换算进而得到质扩散系数。，最终求出了质扩散系数D。本文利用MATLAB软件对数字图像采集系统记录的全息图进行分析处理，清晰再现了干涉条纹收稿日期：2008-08．11(修改稿)图，应用了全息图的

6、预处理、数字图像的频域滤波、基金项目：国家自然科学基金资助项目(50676069)维普资讯http://www.cqvip.com第5期费继友等．激光全息干涉法测量液相质扩散系数数字图像处理的研究。47·z．2实验台的搭建人内存，再写入硬盘。此时全息干涉条纹图像可2．2．1数字激光全息干涉法质扩散系数测量原理以在计算机上进行去噪、细化等预处理，并对图数字激光全息干涉法测量液相质扩散系数像进行特征提取，从而使采集与图像的处理、分的测量光路如图1所示。由He—Ne激光器发析同步进行，实现图像处理的实时化。出的激光经平面镜反射，激光束进入空域滤波器2．3数字全息干涉图像的处理形成平

7、行光，通过挡光板后只保留亮度比较均匀2．3．1全息干涉图的处理过程的部分以供使用；然后通过分光棱镜将激光束分液相质扩散系数D的获得关键在于获取物光成两束，直透光束为物光，反射光束为参考光；物在不同时刻的相位差信息，全息干涉图像相位差的光通过扩散槽后和参考光都投射到CCD上，全息提取过程如图3所示。图通过图像采集卡由计算机采集和存储，就可以实时得到不同物质、不同时刻的干涉条纹。由测试原理可知通过对于涉条纹数字图像处理找到浓度变化的极值点即得到了质扩散系数。／(，Y)(，Y)输入图像增强后的图像图3数字全息