电容层析成像结合光学显微成像监测煮糖灌内糖液结晶分布过程的研究

Syrup crystallizing distribution process automatic monitoring in cooking sugar tank is an important unit.There is not better solution at present. Method of using electrical capacitance tomography can monitor syrup crystallizing zone distribution,but not monitoring small sugar crystal crystallizing.Optical microscopy can monitor sugar crystal crystallizing,but not monitoring the whole section of tank crystallizing distribution.It can be realized that automatic monitor syrup crystallizing process above two methods are fused.The main research include fusion algorithm of reconstructed image and micro-image ,feature extraction,model for crystallizing distribution uniformity judgement, method for pseudo 3D image of sugar crystal as light factor，sensor and anti-interference measuring circuit opimization design for cooking sugar tank's construction. Research goals are the measurement theory of syrup crystallizing process and key technologies based on electrical capacitance tomography composite optical microscopy method, and on that basis a low cost electrical capacitance tomography and optical microscopy compositing measurement system is developed to meet the industrial requirement, and visualizing monitoring for syrup crystallization process in cooking sugar tank is realized.

蔗糖厂煮糖罐内糖液结晶分布过程的自动监控是蔗糖生产过程的关键环节，目前尚未有较好的解决方法。电容层析成像方法可以观测罐内整个截面糖液结晶区域分布状况，但无法观测微小糖晶体的结晶过程；光学显微成像方法只能观测罐内糖晶体结晶过程，但不能判断出整个截面糖液结晶分布状况。结合以上两种方法，研究一种融合模型及相关硬件系统，可以对罐内糖晶体结晶分布过程进行监测。研究内容包括：重建图像和显微图像的融合算法及特征提取，融合图像中结晶区域均匀度判别模型，糖晶体伪三维图像处理及晶体大小计算模型，针对煮糖罐结构的成像传感器优化设计及测量电路的抗干扰设计等。目标是研究基于电容层析成像融合光学显微成像方法的糖液结晶分布过程可视化监测的理论和关键技术,在此基础上研制满足工业要求的电容层析成像光学显微成像复合成像测量系统，实现对蔗糖厂煮糖罐内糖液结晶分布过程的可视化监测。

本课题利用电容层析成像结合光学显微成像监测煮糖灌内糖液结晶分布过程。研究内容包括：糖晶体伪三维图像处理及晶体大小计算模型，针对煮糖罐结构的成像传感器优化设计及测量电路的抗干扰设计、基于自适应极板组合的成像传感器敏感场分析及图像重建算法等。课题取得如下研究成果。.1、.提出了基于梯度幅值的伪三维糖晶体显微图像边缘检测方法。首先采用Sobel模板计算高斯平滑后图像的梯度值，较好地保留住晶体外边缘信息，再通过Otsu法对梯度图像进行边缘提取，利用数学形态法去除图像噪声点后，根据伪三维的形成特点去除晶体内部的伪边缘得到晶体的外边缘。实验结果表明：所提方法能有效去除蔗糖晶体显微图像的伪三维现象，晶体边缘定位的准确度高，为实现蔗糖结晶过程的实时监测提供了可能途径。.2、完成了基于大尺度传感器的电容层析成像系统硬件设计及实现。测试了基于大尺度传感器的ECT硬件系统在正常工作条件下的连接电缆极限长度；测试了硬件系统整体性能， 分析了系统的抗杂散电容干扰能力，测试结果表明，基于直径为1 m传感器的ECT系统的连接电缆极限长度约为3.9m，在双极板激励模式下，采用等电位驱动电缆内屏蔽技术结合双T型模拟开关阵列和数字解调电路的方案，可使该ECT系统具有较好的抗杂散电容干扰能力。.3、研究用于煮糖灌的自适应电容层析体成像的敏感场问题，提出一种快速成像策略并对不同电压封装激励下的敏感场进行分析。.4、基于组合极板的ECT三维重建仿真结果与分析。仿真结果表明，当激励电压封装为单电压时，电压幅度对成像结果没有影响；当电压封装的电压幅度不止一种时，成像质量都有所提高，但成像质量并不会随着电压幅度的种数增多而一直提高，到一定数量时，成像质量反而会下降；另外，小极板的激励电压种数不变，位置发生改变，对图像重建也有一定影响。