华中科技大学 硕士学位论文 基于光散射成像的气泡探测系统设计与实验研究 姓名：王磊 申请学位级别：硕士 专业：物理电子学 指导教师：杨克成 20090516 I 摘 要 水检气密性检测方法因其简单快捷、精度高的优点在生产生活中发挥着重要的作 用，依靠人眼观察的传统水检方法已无法满足经济发展的要求，需要简单有效的气泡 探测方法光散射成像气泡探测方法精度高，易于实现自动识别，对实现水检气密性 检测的自动化具有重要意义 本论文对光散射成像气泡探测方法应用于气密性检测进行了系统的分析和研究 从气泡特性、实验装置设计、气泡光散射图像处理以及系统可靠性实验等四个方面展 开研究利用气泡动力学方程估算气密性检测中气泡直径等信息，分析其光散射成像 特性；设计了激光散射成像气泡探测实验装置并进行实验研究；针对气泡光散射图像 的特点，设计图像滤波、分割、气泡识别算法，判断图像中是否含有气泡并给出气泡 信息；对整个实验装置进行了环境适应性实验并进行优化，完成了以 LED 为光源的照 明系统的设计并进行实验研究 对实验结果的分析表明，经过照明系统优化的气泡探测系统，对 1mm 以上的气泡 可以实现 100%探测，在特定环境下可以有效探测小于 1mm 的气泡并能粗略给出气泡 位置、数目、上升速度等信息；对环境光、浑浊水体的适应性比较强，在日常能够达 到的最暗与最亮环境中、 浑浊水体中系统虚警率和漏警率均近似为 0； 实验结果证明本 论文所设计的实验系统可以满足气密性检测的要求。
关键词 关键词：气泡探测 散射 图像处理 可靠性 II Abstract The bubble method leak detection is widely used in leak detection of various sealed pipes becaause of its advatages of simpleness and rapidness. However, this method depends on the observation of human’s eye. It is difficult to make ecact result for the factor of personality. So it’s necessary to find a rapid bubble detection method. The method on light scattering imaging is of high precision and is easy to realize automatic reoognition. The study of bubble detection system based on light scattering imaging is presented in this thesis. The diameter and veloctity of bubbles in bubble method leak detection, the feasibility of taking light scattering image of bubbles, bubble light scattering image processing, the reliability of the system ard discussed. Bubbleproperties are researched with kinetic equation. The scattering characteristics are analysed and experiments are disscussed. Binary morphology filtration, image segmentation and object extraction are applied in image processing. The reliability of this system is analysed and LED lighting system is designed to improve the reliability. The experimental results show that the proposed system is efficient. It can effectively detect bubbles who have a diameter more than 1mm, or less than 1mm in special conditions, and can give the diameter and velocity of each bubble. The system is also reliable in different ambient comorent or in cloudy water. So, the proposed system meets the requirements of bubble method leak detection. Key words：：bubble detection light scattering imaging image processing reliability 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。
尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果对本论文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密□， 在 年解密后适用本授权书 不保密□ （请在以上方框内打“√” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪论 1.1 课题背景和意义 随着科技的发展，整个社会对密封性产品的需求量越来越大，气密性检测是能够 保证产品质量和安全性能的有效手段简单、快捷、有效的气密性检测方法对经济和 社会发展是非常有意义的[1]。
1.1.1 问题的提出 随着科技和经济的发展，整个社会对于气密性产品的需求日益增大，特别是压缩， 制冷系统中，对连接件，管件的需求量不仅巨大，对气密性的要求也越来越高例如 空调，电冰箱，燃气具等与人类生活息息相关的产品无一例外都需要气密性非常好的 连接件、管件据了解，某空调管件公司，其某一连接件的年生产量在 5000 万件以上， 日产量 15 万件左右如此高产量的产品，没有快捷、简单、有效的气密性检测方法是 无法保证产品质量的气密性检测方法不仅要做到简单快捷，还要做到成本低、易于 操作 1.1.2 常用气密性检测方法的原理及特点 当前，气密性检测方法主要有水检法，流量测量法，压力测量法，压差测量法， 氦气测量法等[2] 水检法是最早发展起来的气密性检测方法，也是最为简单、快捷的检测方法待 测工件放入水中后通入高压气体，通过观察是否产生气泡便可判断工件是否存在泄漏， 通过观察气泡产生的大小和频率可以推断泄漏量的大小该方法操作简单，测量精度 高，可检最小泄漏率约为 10-7cm3/s但是传统的水检方法是依靠人眼观察气泡，检测 结果受人为因素影响比较大，难以实现检测的自动化、智能化。
另外，检测时工件要 放入水中，对于部分工件是无法应用此方法进行检测的 流量检测法原理如图 1-1 所示，向待测工件充入一定压力气体后，待测工件与气 源气压相等，如果待测工件有泄漏，则气源会继续向待测工件充气，形成气流，通过 流量传感器的测量结果，可以得到工件泄漏情况该检测方法主要应用于泄漏量较大 的场合 2 流量传感器气源待测工件 图 1-1 流量测量法原理图 压力测量法原理如图 1-2 所示，向待测工件充入一定压力的气体，观察压力是否 下降该方法的检测精度取决于压力传感器的精度，最小可检泄漏率为 10-4cm3/s，适 用于检测精度要求不高的场合 压力传感器 气源待测工件 图 1-2 压力测量法原理图 压差测量法原理如图 1-3 所示，同时向待测工件和标准工件中充入一定的气体， 标准工件即无泄漏件，利用压差传感器测量两工件之间是否存在压力差，以此确定待 测工件是否存在泄漏由于待测工件和标准工件结构完全相同，测试中不必考虑温度 等外界因素的变化，但是该方法对于标准工件要求较高 待测工件 气源 标准工件 压差传感器 图 1-3 压差测量法原理图 氦气检测法的原理是向被测容器中充入一定量的氦气，利用氦气传感器检测工件 外侧是否泄漏有氦气。
该方法检测精度高，最小可检泄漏率约为 10-7cm3/s，但是该方 法花费很高，当泄漏量较小时，所需检测时间较长 综上所述，水检法是一种简单、快捷、精度高的检测方法，在空调，冰箱的冷却 系统，输水管件等工件的气密性检测中得到广泛应用但是传统的依靠人的眼睛作为 判断依据的水检法检测结果受人的主观影响较大，没有统一的标准，而且长时间观察 容易产生视觉疲劳，影响检测结果，人眼观察只能判断工件是否出现泄漏，难以准确 判断泄漏位置，泄漏量等信息只能定性观察，不能定量测量，因而限制了水检法的 广泛应用 3 1.1.3 气泡探测对水检法气密性检测的意义 如果能够开发出有效的气泡探测方法，使水检法摆脱人为因素的影响，对实现水 检法的自动化、智能化是非常有意义的判断水体中是否有气泡产生可以判断工件是 否出现泄漏，判定气泡的位置可以大致判断出零件的泄漏位置，而检测出气泡的大小 可以反演出泄漏孔（或者缝隙）的大小有效的气泡探测方法可以拓宽水检法的应用 范围，使其由定性测量发展为定量测量，在某些领域得到更加广泛的应用 本论文即是基于水检气密性检测方法而开展的相关课题的一部分，要求设计气泡 探测实验系统并进行实验研究，使其能够有效探测泄漏中产生的气泡。
1.2 气泡探测方法国内外研究进展 气泡探测方法有倒漏斗法，电容法，声学法，光学法等，应用最广泛的是声学法 和光学法 1.2.1 气泡探测国内外研究现状 (1) 声学法研究进展 理论分析表明，当超声波频率等于气泡的共振频率时，气泡对超声波的散射截面 是其几何截面的 1000 倍以上[3]，国外已经研制出了超声波气泡探测器[4]A.Vazquez 利 用倒漏斗法收集多个气泡，计算总气体体积取平均的方法为标准，对比了声学法和光 学法的优缺点，指出，如果气泡可以看作理想球形，那么声学法是测量气泡半径首选 方法 它具有更高的测量精度[5] 国内也研制出了应用于输液管中气泡探测的超声波气 泡探测系统，原理图如图 1-4 所示，压电陶瓷片用于发射和接收超声波，当被测管路 中含有气泡时， 将引起超声波功率的衰减 该系统可以实时监测体积大于 0.3ml 的单个 气泡并给出报警，还可以实现对 0.02ml-0.3ml 的气泡体积的累积[6]，目前，该仪器已经 可以批量生产[7] 血液（或盐水） 管路 气泡 压电陶瓷片（发射） 压电陶瓷片（接收） 图 1-4 应用于输液管中气泡探测的超声波探测方法原理图 (2) 光学法研究进展。