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1、    基于圖像分析的二氧化硅熔體表征模型    謝銘超 梁明滔 吳鎮(zhèn)強(qiáng)摘  要:本論文研究了基于opencv運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和跟蹤系統(tǒng),將目標(biāo)像素與給定的時(shí)序圖像分離,并建立質(zhì)心位置變化模型。最終得出結(jié)論:隨著熔化過(guò)程的進(jìn)行,粒子質(zhì)心在到達(dá)時(shí)間序列0557后開(kāi)始以125°均勻移動(dòng),直到完全熔化消失。y方向的位移很大,而在x方向上的值可以忽略不計(jì)。關(guān)鍵詞:二氧化硅;融化;非接觸式;高溫熔池1.引言鐵尾礦的主要成分是二氧化硅,這是最難熔化的部分。因此,鐵尾礦的熔融行為可以通過(guò)二氧化硅的熔融行為來(lái)表達(dá)1。首次使用具有放大效果的ccd步槍相機(jī)系

2、統(tǒng)可以克服許多問(wèn)題。在非接觸模式下獲得高溫熔池中二氧化硅的動(dòng)態(tài)視覺(jué)數(shù)據(jù)(時(shí)序圖像)2。通過(guò)視頻分析可以觀察到二氧化硅的實(shí)時(shí)熔融速率,可以為后續(xù)尾礦添加和熱補(bǔ)償提供指導(dǎo),并為高爐礦渣的直接成纖過(guò)程提供理論和技術(shù)支持3。2.模型的建立與求解2.1 二氧化硅熔融過(guò)程分析當(dāng)溫度在熔化過(guò)程中升高時(shí),分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能增加,這導(dǎo)致晶體的破壞以及材料從晶體到液體的轉(zhuǎn)變。隨著焓,熵和體積的增加,該過(guò)程是一階相變。實(shí)際上,二氧化硅的熔融過(guò)程非常復(fù)雜,這與高溫爐的能量供應(yīng)和二氧化硅本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)。二氧化硅顆粒在高溫熔體中的位置在熔煉過(guò)程中不斷變化。分析二氧化硅的熔化行為的第一步是跟蹤目標(biāo)。目標(biāo)像素與給定的時(shí)序圖像分

3、離,得到目標(biāo)二氧化硅的質(zhì)心坐標(biāo)。建立了二氧化硅顆粒質(zhì)心在熔化過(guò)程中位置的數(shù)學(xué)模型,并給出了二氧化硅顆粒質(zhì)心的位置。2.2 二氧化硅質(zhì)心運(yùn)動(dòng)模型我們使用adobe premiere premiere pro軟件以25幀/秒的幀速率合成114張圖片以進(jìn)行延遲攝影。通過(guò)對(duì)時(shí)間序列圖像的觀察,我們發(fā)現(xiàn)二氧化硅在熔融過(guò)程中的形態(tài)是不規(guī)則的,有時(shí)會(huì)分裂成許多子顆粒?;趏pencv,我們可以使用質(zhì)心跟蹤方法檢測(cè)和跟蹤二氧化硅目標(biāo),并對(duì)獲取的圖像進(jìn)行灰度處理,以實(shí)現(xiàn)從三維特征向一維特征的下降。所追蹤的二氧化硅的灰色分布滿足以下兩個(gè)假設(shè)時(shí):背景圖與硅膠之間的對(duì)比很大二氧化硅的背景灰色幾乎是均勻的可以得出結(jié)論,

4、質(zhì)心跟蹤算法具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。可以應(yīng)用二進(jìn)制圖像中的目標(biāo)質(zhì)心公式:在二進(jìn)制圖像中,(a,b)是其像素的坐標(biāo),而m和n是圖像的行數(shù)和列數(shù)。上面的公式可用于記錄每個(gè)圖像中二氧化硅質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)。得出圖像的兩個(gè)函數(shù)y1和y2最終我們得出二氧化硅顆粒在熔融過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)軌跡主要發(fā)生在y軸方向,而x軸的位移很小,甚至可以忽略不計(jì)。2.3 二氧化硅熔融面積隨時(shí)間變化的模型我們需要將高溫熔池中二氧化硅的動(dòng)態(tài)視覺(jué)數(shù)據(jù)(時(shí)間序列圖像)與諸如坩堝外徑之類的數(shù)據(jù)信息結(jié)合起來(lái),以得出二氧化硅在硅中的面積變化特征。通過(guò)熔融過(guò)程建立面積與時(shí)間的關(guān)系,得到二氧化硅熔融時(shí)間與面積的變化規(guī)律。2.3.1 二氧化硅實(shí)際面積的計(jì)

5、算由于通過(guò)matlab獲得的二氧化硅面積不是實(shí)際面積,并且實(shí)驗(yàn)中使用的已知坩堝尺寸為8mm,我們也可以使用閾值分割法來(lái)計(jì)算坩堝的圖像尺寸,然后使用比例法求解實(shí)際過(guò)程中二氧化硅面積的變化規(guī)律。現(xiàn)實(shí)世界中二氧化硅熔融過(guò)程的面積由下式計(jì)算得出(單位:mm2)熔融石英的實(shí)際面積變化函數(shù)為其中a1=3.204,b1=-4.033,c1=20.81,a2=3.785,b2=35.78,c2=37.59實(shí)際上,該區(qū)域的變化特征與圖像中反映的變化特征是一致的,但是在中后期,該區(qū)域隨時(shí)間的變化率較大,而二氧化硅區(qū)域的邊緣輪廓特征則大致變化“s”曲線。2.3.2 二氧化硅實(shí)際面積變化率的計(jì)算通過(guò)推導(dǎo)以上獲得的熔融

6、二氧化硅圖像的面積變化函數(shù),獲得面積變化率曲線??梢缘贸鼋Y(jié)論,在熔融過(guò)程的早期和晚期,二氧化硅的變化率很小,并且變化曲線是平緩的。在中后期,變化率大,相應(yīng)的變化曲線陡峭。硅石邊緣輪廓的特征區(qū)域是緩和的“s”型下降,變化率在t?2時(shí)略有突變。t是變化過(guò)程的總時(shí)間。因此,建立了二氧化硅顆粒溶解過(guò)程的時(shí)間順序規(guī)則:初始面積為4.32mm2,最終狀態(tài)面積為0;總體曲線趨勢(shì)先緩慢,然后陡峭,最后緩慢。2.4 二氧化硅的實(shí)際熔點(diǎn)模型表示二氧化硅熔點(diǎn)的關(guān)鍵參數(shù)是質(zhì)量,它與3d的體積成正比,可以得到的圖像是2d,因此我們需要在2d和3d之間進(jìn)行雙向轉(zhuǎn)換,并估算出真實(shí)的根據(jù)問(wèn)題的二氧化硅的面積特性指標(biāo)確定二氧化

7、硅的熔融速率目標(biāo)。為了便于計(jì)算,假定整個(gè)過(guò)程中的二氧化硅是球形的,并且整個(gè)過(guò)程的密度保持不變。因此,對(duì)于每個(gè)粒子,結(jié)合二氧化硅運(yùn)動(dòng)質(zhì)心的位置變化和顆粒體積的變化,可以得到xyv的三維特征圖。它反映了熔融過(guò)程中特定時(shí)間的二氧化硅的運(yùn)動(dòng)軌跡和邊緣輪廓的變化。它充分反映了高溫熔池中熔體的動(dòng)態(tài)行為。提高研究我們得到熔融過(guò)程中二氧化硅的質(zhì)量從初始值總體上變?yōu)?,大約有10倍的質(zhì)量突變,基本上在最初的60秒內(nèi)分布,表明二氧化硅的熔融過(guò)程從急劇變化到緩慢衰減到0的質(zhì)量。質(zhì)量散布分布通過(guò)高斯曲線擬合。通過(guò)多次擬合測(cè)試,發(fā)現(xiàn)擬合度為3時(shí),結(jié)果更為合理,r平方為0.9659。由于表達(dá)二氧化硅熔融速率的關(guān)鍵參數(shù)是質(zhì)量,因此我們可以使用單位時(shí)間內(nèi)二氧化硅的質(zhì)量減少量來(lái)表達(dá) 的實(shí)際熔化速率。最終可以得出結(jié)論,二氧化硅在熔融過(guò)程中的實(shí)際熔融質(zhì)量經(jīng)歷了三個(gè)階段:緩慢下降,急劇下降和緩慢下降。初始質(zhì)量為0.043g,最終狀態(tài)質(zhì)量為0.043g。其中,初始質(zhì)量變化率約為 ,而最大質(zhì)量變化率為 ,對(duì)應(yīng)第54次。參考文獻(xiàn)1  鄭茂凱. 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別與跟蹤方法的研究d. 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué),2019.2  刁智華,刁春迎,袁

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