基于圖像處理技術的制導光纖纏繞噴膠特性試驗研究*

李 龍，馬保吉，劉 坤，黎 川，胡智元，司李南

(西安工業大學機電工程學院， 西安710021)

0 引言

精確制導技術是20世紀70年代提出的武器制導技術新概念, 是現代信息化戰爭的重要組成部分[1]。光纖制導技術綜合運用了成像探測、圖像跟蹤、特種光纖傳輸等關鍵技術，具有抗干擾能力強、命中精度高等優勢，是精確制導技術的重要發展方向[2]。同時光纖制導對光纖傳輸系統也提出了新要求，即在導彈飛行過程中光纖能夠順利地釋放、不纏結、不折斷以及快速無誤地纏繞數千米[3]。基于光纖制導對光纖傳輸系統的要求，在光纖纏繞過程中涂覆粘結劑或膠液，不僅能使光纖之間緊密結合及避免松動坍塌，還可使光纖精密平行的纏繞在線筒上，對導彈發射后能夠順利和均勻地釋放光纖起到保障作用[4-5]。

因此，國內外研究者對光纖施膠工藝進行了大量的研究，目前已公布的施膠法有拉夫兒施膠法[6-7]、膠池涂膠法[8]、人工刷膠和泰勒施膠法[9-10]等。但是在這些施膠法中，拉夫兒施膠法存在光纖退繞時無法清理，膠池涂膠法中的導輪粘膠嚴重，人工刷膠自動化程度低等缺點。泰勒施膠法雖然克服了上述施膠過程中的缺點，但還處在技術保密中。

制導光纖纏繞的噴膠工藝是利用高壓氣體與膠液之間強烈的剪切作用來實現液體的霧化，并將霧化后的膠液通過噴嘴噴射到纏繞光纖上。該工藝的施膠過程由PLC實現自動控制，具有自動化程度高、無重復施膠及施膠量可控制等優點。同時為打破泰勒施膠法的技術壟斷提供了實驗條件。但是，目前光纖纏繞噴膠工藝還處在實驗階段，還沒有實現工業應用，主要原因為噴膠霧化質量和工藝參數體系缺乏研究。因此文中將霧化質量和霧化錐角作為研究噴膠工藝參數的指標，并探索工藝參數與霧化質量、霧化錐角之間的影響規律。以自主研發的光纖噴膠設備為試驗平臺，借助Matlab圖像處理技術，建立以水為介質的霧化質量和霧化錐角與噴膠工藝參數的影響規律，并以此規律為基礎對膠液的霧化效果進行試驗研究，為構建制導光纖纏繞噴膠工藝的推廣應用提供工藝參數的選擇依據。

1 光纖纏繞噴膠試驗平臺

光纖纏繞噴膠試驗平臺由3條支路組成：混合液、固化劑和氣壓控制支路。3條支路的控制均由PLC完成，其中混合液支路與固化劑支路采用滾珠絲杠實現液體流量的精確控制，同時為了減少噴嘴輸出壓力誤差，空氣壓力支路由壓力傳感器、電磁比例壓閥、PLC模擬量控制模塊組成閉環回路(如圖2所示)，使用PLC控制器中PID運算模塊實現穩定空氣壓力輸出。此工藝最大的優勢在于混合膠液與固化劑在噴嘴處完成粘結劑的混合，避免了粘結劑在管道、設備內固化，并且在噴膠完成后還可利用高壓氣體對噴嘴完成清洗的工作。圖1所示為光纖纏繞噴膠工藝的示意圖。

圖1 光纖纏繞噴膠設備

圖2 PLC空氣壓力閉環控制系統

2 噴膠特性的評價指標及測試方法

2.1 噴膠特性的評價指標

由于光纖纏繞噴膠裝置最終將膠液通過噴嘴實現霧化并涂覆在光纖上，因此噴嘴的噴霧特性對噴膠裝置的施膠性能及工作效率起決定性作用。通常在工程應用中評定噴霧特性的指標主要包括有流量密度、噴霧射程、噴霧錐角及霧化質量等[11]。而流量密度由噴嘴本身結構決定，噴霧射程決定光纖與噴嘴之間的距離，這兩項指標不在文中的研究范圍，因此采用噴霧錐角和霧化質量作為制導光纖纏繞噴膠特性的評價指標。

霧化質量也稱為霧化特性，在液態工質霧化中霧滴的大小及其粒度分布是評價噴嘴霧化特性的重要指標。為了定量評價各種噴嘴在不同壓力時霧滴粒徑的分布情況,需要采用反映全部霧滴粒度大小的特征參數作為評價的指標，在眾多特征參數中霧滴平均直徑可描述霧化的分布特性[12]，常用的平均直徑是索特平均直徑(Sauter mean diameter), 索特平均直徑的公式如下：

(1)

式中:D為粒子的直徑；dN為粒子數增量。

從式(1)可知,D32越小表示相同體積的液體具有的表面積越大, 霧化質量越好。并且霧滴的平均直徑D32及主要獨立因素可由以下不定函數表示[12]：

D32=f(d0,vR,σ,ρα,μ,ρ1)

(2)

式中：d0為噴嘴的孔徑；vR為液滴與氣流的相對速度；σ為表面張力系數；ρα為空氣密度；μ為液體的動力粘度系數；ρ1為液體的密度。因此D32的數值可以作為空氣壓力、噴霧壓力、液體表面張力系數、空氣的密度、液體的粘性系數、噴孔直徑、液體的密度等因素對霧化質量的評價指標。

噴霧錐角主要描述噴霧的發散程度[13]，其原理如圖3所示。噴霧錐角的參數有兩個：出口噴霧錐角α1和條件霧化錐角α2，α1指霧炬邊界兩條切線的夾角，α2指距離噴嘴端面H與噴霧曲面的交點連線的夾角。為方便測量，選擇α2作為衡量噴霧錐角的指標。

圖3 噴霧錐角示意圖

2.2 霧化質量和霧化錐角的測試方法

目前，D32和α2的測量方法有攝影法、熔蠟法、激光散射法、激光誘導熒光法、激光全息法、激光多普勒法等[13-16]，每種方法都具有獨特的優勢。近年來，隨著高清晰度數碼照相機的高速發展，使得高端產品不斷出現，其具有拍攝便捷、可靠性高、易于對拍攝位置和參數進行調整、圖像清晰等優勢，并且試驗成本低廉，成為噴霧特性研究中經常采用的一種方法[13,17]。并且利用圖像處理技術，已有學者完成針對汽油[18]、生物柴油介質[19]的霧化質量分析及對噴嘴質量檢驗的應用[20]，為本工藝及設備的研究提供了廣泛的理論基礎。基于圖像處理技術的霧化質量和霧化錐角的分析過程如圖4所示。

文中借助MATLAB圖像處理技術對各工況下的霧化質量和噴霧錐角進行研究。在計算分析過程中，首先利用rgb2gray函數對圖片進行灰度化處理；其次對灰度化的圖片應用同態濾波增強算法[21-22]進行圖像增強處理[23]，并選用Canny算子[24]進行圖像邊緣提取和種子填充處理；最后完成對顆粒面積的標記和霧化錐角的測量，圖5所示為種子填充后圖像，圖6所示為噴霧錐角測量結果。具體分析計算流程圖如圖7所示。

3 實驗

圖像采集設備由高清數碼相機(型號SonyαΠ)、微距鏡頭(型號：Sony SEL30M35)、閃光燈(型號：永諾YN-560 Ш)、AFT輔助光源、及黑色PVC背景板等組成。圖7所示為圖像采集設備。霧化設備如圖8所示，為避免膠液堵塞噴頭及污染實驗設備，霧化質量分析首先選用水為介質，之后通過分析水在不同工況下的霧化質量來確定膠液實現霧化的工藝參數。實驗步驟如下：

GDP總量 （gdp）是衡量區域經濟發展的直接指標；另外，城鎮人均可支配收入 （city）和農村人均可支配收入 （village）也是衡量區域經濟發展的重要指標；最后，將城鎮人均可支配收入和農村人均可支配收入進行比值處理，用以衡量城鄉收入差距，用gap表示。

圖5 種子填充的結果

圖6 噴霧錐角測量結果

圖7 基于MATLAB圖像處理技術的D32和α2的計算流程

1)確定拍攝距離。拍攝距離以能采集到足夠的顆粒數量、清晰度及避免鏡頭受到污染為原則，經過反復試驗，確定拍攝距離為100 mm。

2)測定圖像的像素尺寸。測定相機在拍攝距離為100 mm處像素尺寸的方法是以電腦液晶屏上相鄰兩同色像素單元間的距離為參考對象，并計算出相機拍攝在100 mm處照片的像素所對應的尺寸。通過此方法測得的對應最小尺寸為8 μm。

3)確定相機位置。通過初步霧化實驗確定相機位置為距噴嘴垂直下方600 mm處為霧場穩定區域。

4)霧化顆粒圖像采集。在采集過程中為保證采樣的精度在±5%以內，應使采集樣張中所有霧滴總數大于5 500個[11]，所以暫且對同一工況下采集樣片10張圖。

5)噴霧錐角圖像采集。由于本實驗選用α2作為霧化錐角的評價指標，因此需首先確定H值。在對噴霧錐角圖像采集過程中，首先在噴嘴下方300 mm處進行標記橫線，其次將換為普通鏡頭的相機固定在距橫線水平方向1 000 mm處進行每個工況的采樣。

圖8 圖像采集實驗設備

光纖纏繞噴膠的工藝參數為膠液施膠流量和氣體壓力，為確定實驗所用工況參數，結合設備功能(如：PLC控制精度、滾珠絲杠間隙、活塞推進速度突變及氣壓控制精度等)對水介質進行霧化預實驗，發現能夠使水產生良好霧化效果的工況參數為：施膠流量1～12 L/h、空氣壓力0.2～0.7 MPa。因此將施膠流量分為7組，即1 L/h、2 L/h、4 L/h、6 L/h、8 L/h、10 L/h、12 L/h；空氣壓力為6組，即0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa、0.6 MPa、0.7 MPa。

4 實驗結果

4.1 不同施膠流量和空氣壓力對索特平均直徑D32的影響

表1所示為經過MATLAB圖像處理技術后所求得的各工況下索特平均直徑。圖9示為空氣壓力和施膠流量對D32影響的數據圖，通過對數據進行分析可得：在一定的施膠流量下，索特平均直徑D32隨著空氣壓力的增大而減小，其中施膠流量為1 L/h時，D32在不同空氣壓力下的值最小；在一定的空氣壓力下，索特平均直徑D32隨著噴膠流量的增大而增大，其中空氣壓力在0.7 MPa時，D32在不同施膠流量下的值最小。

表1 不同施膠流量和空氣壓力下的索特平均直徑D32計算結果

圖9 空氣壓力的改變對索特平均直徑D32的影響

為進一步分析施膠流量和空氣壓力對霧化索特平均直徑D32的影響程度，對數據進行方差分析，分析結果如表1所示。通過對數據的單因素方差分析可知，在施膠流量為1 L/h、2 L/h、4 L/h、6 L/h及空氣壓力為0.7 MPa時，方差值均小于10，說明在這些工況下，D32的值較其他工況有較小的變化量，即霧化質量有較好的穩定性。

4.2 不同施膠流量和空氣壓力對噴霧錐角α2的影響

表2所示為不同施膠流量和空氣壓力下的噴霧錐角α2計算結果。對數據進行擬合分析后發現：在一定的空氣壓力下，噴霧錐角隨著施膠流量的增加呈現出先增后減的趨勢，拐點出現在施膠流量為6 L/h左右；施膠流量同樣在6 L/h左右，霧化錐角的變化幅度較小，并且此時霧化錐角也相對較大，如圖10所示。

表2 不同施膠流量和空氣壓力下的噴霧錐角α2計算結果

圖10 空氣壓力、施膠流量對霧化錐角影響的數據擬合圖

為進一步分析不同施膠流量下噴霧錐角α2的影響程度，對數據進行單因素方差分析，分析結果如表2所示。通過方差分析發現，在施膠流量為6 L/h時，方差值開始出現突變，說明施膠流量在低于6 L/h時，噴霧錐角α2變化范圍較小，即霧化錐角有較好的穩定性，這與數據擬合結果一致。

上述實驗結果是建立在針對水介質的霧化質量和霧化錐角的數據分析上，并沒有對真實膠液進行實驗研究，但是對光纖纏繞噴膠實驗的工藝參數提供了試驗依據。因此，綜合D32和α2的分析結果，取施膠流量1 L/h、2 L/h、4 L/h、6 L/h和空氣壓力0.7 MPa為光纖纏繞噴膠的工藝參數，并進行針對膠液霧化效果的試驗。

5 制導光纖纏繞噴膠霧化效果試驗

試驗設備依然為圖1，試驗介質為某樹脂膠，圖11所示為各工況下的霧化效果圖，圖12所示為膠液霧化后的凝固圖。為進一步比對其他工況下的霧化效果，取表1中索特平均直徑D32的最大值(12 L/h、0.2 MPa)進行試驗，圖13所示為12 L/h、0.2 MPa工況時的霧化效果圖，發現在此工況下，隨著噴射時間的延長，膠液在噴口發生凝固將噴口堵塞。因此，基于水介質的霧化質量研究為實際光纖纏繞噴膠工藝所提供的工藝參數可靠。

圖11 施膠流量為1 L/h、2 L/h、4 L/h、6 L/h，空氣壓力為0.7 MPa時的霧化效果圖

圖12 膠液霧化后的凝固圖

圖13 工況為12 L/h、0.2 MPa時的霧化效果圖

通過對制導光纖纏繞噴膠工藝的試驗可以得出，該工藝可完成膠液霧化及實現涂覆光纖的功能，并且施膠流量和空氣壓力對噴膠特性的影響較大，為該工藝的進一步完善及應用提供了實驗依據和工藝參數。

6 結論

1)利用圖像處理技術研究水和膠介質霧化質量和霧化錐角的方案可行，并且基于霧化質量和霧化錐角的研究結果可為光纖纏繞噴膠試驗平臺提供可靠的工藝參數，其中當施膠流量為1 L/h、2 L/h、4 L/h、6 L/h及空氣壓力為0.7 MPa時，水和膠介質的霧化效果較好。

2)在光纖纏繞試驗平臺中，空氣壓力、施膠流量對水介質的霧化質量和霧化錐角影響效果明顯，其中霧化質量隨空氣壓力的增大而減小，隨噴膠流量的增大而增大；霧錐角隨著施膠流量的增加呈現出先增后減的趨勢，拐點出現在施膠流量為6 L/h。

3)基于水介質霧化質量和噴霧錐角的研究可為光纖纏繞噴膠工藝參數的確定提供可靠的選擇依據，文中對某樹脂膠在施膠流量為1 L/h、2 L/h、4 L/h、6 L/h及空氣壓力為0.7 MPa時進行了霧化效果試驗，試驗結果表明光纖纏繞噴膠工藝可實現膠液霧化，并且能夠完成在膠液光纖上的粘覆，使得該項工藝實現工業應用成為可能。同時為在線精確控制施膠量和噴膠效果提供了理論依據。