椭圆拟合算法在硅橡胶憎水性检测应用中影响因素的研究

为了快速提高怖圆拟合算法计算接触角的速度和精确度,实验分析了多种因素对算法精确度和实时性的影响.结果表明:拟合点数选择5个即可;选择的拟合点应在水珠边缘圆弧上近似均匀分布,当选择点偏向一端时误差急剧增加;随着噪声含量的增加误差增大,含噪时应选择5个边缘点然后对多次选择边缘点的计算结果求平均,可很大程度上减少误差;椭圆图像圆拟合算法稳定性虽高但误差仍不小,且误差随离心率的增加而增大,所得结果比真实值偏小.圆和椭圆拟合算法获得接触角所需时间主要为取点时间,随着取点数增加耗时增大.     

拟合方法用于硅橡胶静态接触角的测量

准确获得水珠的静态接触角对高温硫化硅橡胶及室温硫化硅橡胶憎水性规律的研究具有重要意义。在手动获得水珠边缘点的基础上,根据水珠在含水量足够小时其所得图像的水珠边缘呈圆形这一规律,运用最小二乘算法拟合水珠边缘。使用了Levenberg-Marquardt算法计算最小二乘拟合,介绍了其原理,理论上推导了拟合使用到的公式,编程实现了相关程序。对拟合所得的圆采用切线的原理,计算得到左右两侧的静态接触角,将它们平均即得该水珠的静态接触角。针对仿真水珠图像和真实水珠图像,分别使用量角器法和基于拟合的方法经过多人多次使用,结果表明,拟合方法能有效减少量角器方法测量结果受主观因素的影响,在较大程度上提高静态接触角测量的精确度,对硅橡胶材料憎水性的准确研究有一定意义。     

考虑液滴体积的接触角拟合算法

当液滴体积较小时其边缘近似为圆形,基于圆方程进行拟合的算法有望准确获得接触角;当液滴体积增加时其边缘趋向于椭圆,此后基于椭圆方程进行拟合的算法有望能准确获得接触角。为了加快拟合速度,使用了一种直接计算获得椭圆参数的算法,避免了迭代且提高了计算效率。用圆拟合算法与椭圆拟合算法对不同接触角的圆和椭圆仿真图像进行计算,结果表明:当接触角较小时,无论是对圆图像还是对椭圆图像使用圆拟合算法都有较小的误差;当接触角较大时,如果是圆图像则两种算法都有较高精确度,如果是椭圆图像则基于椭圆的算法的误差更小。因此,接触角较小时使用基于圆的拟合算法,否则使用基于椭圆的算法。且针对不同的椭圆离心率给出了算法选择的临界接触角。对室温硫化(RTV)硅橡胶拍照所得水珠图像进行拟合,发现结果与仿真分析相近,且随着体积的增加液滴边缘的离心率增大,两种算法所得结果的差距也增大。     

憎水性对量角法用于静态接触角计算时准确性的影响

为获得量角法的适用性,系统地研究了憎水性对其计算准确性的影响。基于Young-Laplace方程产生了接触角在5°~175°范围内的水珠边缘,同时用接触角测量仪和数码相机从近似超亲水到超疏水材料表面分别拍摄了15和10张水珠图像,选择多个测试者对所得图像运用量角法计算接触角。结果表明:1张图像平均计算时间为6~14s;不同人和不同次计算结果之间存在差别,不同测试者之间计算结果最大差距可达15.65°,同一测试者10次计算结果的最大差距可达28.10°;数码相机拍摄得到液滴图像的计算误差要大于接触角测量仪所得图像的;随着接触角的增加,量角法计算误差幅值有增大的趋势,在超疏水情况下量角法计算结果往往较准确值偏小,偏小2.40°~26.86°,此时量角法不适合用于接触角计算。当试验对接触角测量准确性有一定要求时,可选用一种根据憎水性和水珠体积大小自适应选择圆拟合算法、椭圆拟合算法和轴对称液滴边缘形状分析算法的方法。当试验对接触角测量结果的准确性要求不高,且需要测试的液滴图像数量不大时,可选用量角法计算接触角,此时应该选择熟练的操作人员。     

鲁棒的轴对称液滴边缘形状分析算法及其在超疏水材料憎水性检测中的应用

为了提高处于超疏水状态下材料表面静态接触角测量的准确性,实现了1种将液滴顶点、倾斜程度和形状参数作为变量的鲁棒的轴对称液滴边缘形状分析(axisymmetric drop shape analysis-profile,ADSA-P)算法,并将其应用于超疏水材料憎水性检测。基于Young-Laplace方程仿真产生了不同体积、接触角、倾斜程度和顶点坐标的超疏水的水珠边缘,使用圆拟合算法、椭圆拟合算法与ADSA-P算法计算接触角,结果表明:随水珠体积与接触角增加,圆拟合算法与椭圆拟合算法拟合得到的边缘偏离仿真得到的液滴边缘,接触角计算误差增大,2种算法在该研究仿真设定的水珠体积和接触角范围内得到最大误差分别为-47.57°和-22.51°;ADSA-P算法在不同的水珠体积、接触角、倾斜程度和顶点坐标下拟合得到的边缘均能与仿真得到的水珠边缘非常符合,获得的接触角具有很高的准确性,误差<0.1°。基于实际超疏水材料水珠图像的接触角计算验证了圆与椭圆拟合算法误差较大而AD-SA-P算法准确性较高的分析结论。     

修正的圆拟合法及在硅橡胶憎水性检测中的应用

为提高硅橡胶材料静态接触角计算的准确性,提出了一种修正圆拟合法的静态接触角算法。基于Young-Laplace方程产生水珠边缘曲线,研究了水珠体积<1 000μL且接触线≤2cm,静态接触角>5°且<179°时水珠体积和接触角对圆拟合算法准确性的影响。结果表明:随着水珠体积的增加,圆拟合算法误差逐渐增大,误差甚至可能超过100°。利用以上计算结果基于线性2维插值获得了不同水珠体积和接触角时更加准确的接触角计算结果,当水珠体积<1 000μL且接触线≤2cm时,可修正圆拟合算法计算所得的接触角。将所提方法应用于仿真得到的不同憎水性和体积的水珠图像以及不同水珠体积下硅橡胶图像静态接触角的计算,结果证明了该方法可有效提高静态接触角测量的准确性,其中仿真计算结果的最大误差<1°,且它实现较为容易、计算量也相对较小。该方法也可提高其他材料静态接触角测量的准确性。     

亲水性时静态接触角算法及在硅橡胶憎水性检测中的应用

为了提高亲水性时静态接触角计算的准确性,提出了一种考虑水珠体积和憎水性的静态接触角算法。基于Young-Laplace方程产生水珠边缘曲线,同时在其上叠加一定的噪声来模拟水珠边缘提取时的误差,研究了接触角≤90°、水珠体积<200μL且接触线长度≤1cm时,水珠体积和接触角对圆拟合算法和椭圆拟合算法准确性的影响,同时分析了噪声含量对2种算法准确性的影响。研究结果表明:噪声对椭圆拟合算法准确性的影响大于圆拟合算法,随着接触角的增大,噪声的影响减弱;随着水珠体积的增加,圆拟合算法的误差明显增大,椭圆拟合算法的误差略有增加;接触角≤15°时应选择圆拟合算法;接触角>15°而≤70°且水珠体积≤7μL时应选择圆拟合算法,接触角>15°而≤70°且水珠体积>7μL时应选择椭圆拟合算法;接触角>70°且≤90°时应选择椭圆拟合算法。将2种算法应用于不同憎水性的硅橡胶试样静态接触角的测量,结果验证了分析结论。所提出的静态接触角算法可有效提高硅橡胶材料处于亲水性状态时静态接触角计算的准确性。     

影响硅橡胶静态接触角测量结果的相关因素分析

为了更加准确地获得硅橡胶材料的静态接触角,有必要研究接触角测量时各种因素对测量结果的影响。基于接触角测量仪和数码相机及动静态接触角自动计算软件DSCA(dynamic static contact angle),研究了座滴法测量硅橡胶静态接触角时水珠体积、拍照延迟时间、温度、水电导率和样本纵向倾斜程度对测量所得接触角的影响。结果表明:水珠体积对静态接触角测量没有明显影响,但不同体积水珠的最佳接触角算法不同;随拍照延迟时间增加,接触角有下降趋势,洁净样本、电晕样本、染污完全迁移样本下降速度较慢,浸泡和染污未完全迁移样本下降速度较快;温度对测量所得接触角有影响,低温下静态接触角偏小;水电导率对测量得到的接触角未见明显影响;反向倾斜可能会导致大误差,正向倾斜时,无论是大接触角图像还是小接触角图像,倾斜程度对测得的接触角影响不大,但倾斜的水珠图像会给自动计算带来难度。因此,低温中取出的试样要恢复到室温后测量,而高温试样则关系不大;水珠体积选择2～4μL;拍照可选择滴水后5s左右进行;水应选择去离子水,如无也可用自来水或具有一定电导率的盐水替换;尽量选择镜头平面垂直于硅橡胶平面时进行拍摄。     

憎水性材料接触角算法的选择及在硅橡胶憎水性检测中的应用

为了准确获得硅橡胶材料的静态接触角,研究了不同水珠体积和憎水性下接触角算法的选择问题。考虑到水珠表面服从Young-Laplace方程,仿真分析了硅橡胶处于憎水性状态(静态接触角>90°)且水珠体积<100μL时接触角和水珠体积对椭圆拟合算法准确性的影响。结果表明:接触角不变且接触角≥105°时,随着水珠体积的增加椭圆拟合算法误差增大,水珠体积<100μL且接触角为(90°,105°)时可选用椭圆拟合算法;水珠体积不变,随着接触角的增加椭圆拟合算法误差有增大的趋势;在大接触角或大体积时ASDA-P算法具有更高的准确性。洁净硅橡胶接触角时计算可选用椭圆拟合算法,染污后憎水性迁移或超疏水硅橡胶的接触角时计算应选用ASDA-P算法。文中给出了不同水珠体积和接触角下的算法选择策略。最后用不同憎水性和水珠体积下硅橡胶的静态接触角测量实验验证了分析结论。     

基于水平集的接触角算法及在RTV憎水性检测中的应用

静态接触角是表征材料憎水性能的一个重要指标,但其难以自动准确获得。本文使用基于水平集的几何活动轮廓模型方法获得液滴的轮廓,该方法基于求解偏微分方程获得图像边缘,在边缘较清晰时能自动获得具有一定准确性的液滴轮廓。当试验液滴体积较小时,图像中液滴边缘为圆形的一部分,因此将所得边缘点按照一定准则分离为圆弧部分和水平线部分,考虑到它们满足相关方程的基础上采用最小二乘算法进行拟合获得了圆心、半径和水平线的纵坐标,据此即可获得静态接触角。针对仿真和实际拍摄的室温硫化硅橡胶涂层的液滴图像使用本文方法与基于手动获得液滴边缘然后拟合的算法进行比较,多幅图像的计算结果表明本文方法具有较高的准确性。该方法的提出为静态接触角的自动准确测量提供了一种思路。     

用加Hanning窗插值高阶正弦拟合法测介损角

电力系统频率偏离50Hz时常规的傅立叶变换用于频谱分析时易产生频谱泄漏和栅栏效应,使介损角计算产生误差。高阶正弦拟合法以信号的基波频率、谐波幅值和相角作为变量对信号进行拟合,该法能有效减轻谐波存在和频率波动的影响,精确测量电气设备的介损角。高阶正弦拟合法的关键是最小二乘的计算,通常使用傅立叶变换结果作为最小二乘法的初始值,当频率偏离50Hz较多时,傅立叶变换结果与谐波分析的真实值相差较大,将其作为初值的最小二乘计算量大,影响了高阶正弦拟合法的实时性。加Hanning窗插值谐波分析法通过加窗和插值能有效减轻频率偏离50Hz时的频谱泄漏和栅栏效应,且有快速算法较之傅立叶变换增加的计算量很少。为提高高阶正弦拟合法计算介损角时的实时性,将加Hanning窗插值谐波分析法的结果作为高阶正弦拟合法的初始值,所得初始值与精确值的差值减少,最小二乘法的迭代次数从2次减到1次,容性设备仿真信号的计算时间从约0.82ms减到约0.45ms,结果表明所提出的方法能有效减少介损角的计算时间,提高介损角测量的实时性。     

同期装置导前时间误差分析

介绍了几种发电机同期装置合闸预报算法的原理,分析了影响同期装置导前时间误差的主要因素,指出传统算法的一些重要缺陷。提出考虑滑差变化情况的合闸预报算法能更准确地表达相角的变化,但在微机型同期装置现有的测量精度下,考虑滑差加速度的模型因为微分的作用,放大了误差的影响。随着机组容量的增大,这种误差已经不能忽略。介绍了最小二乘估计算法在减少合闸预报算法误差方面的作用,它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配,针对同期装置测量产生的随机误差,在滑差的计算中利用最小二乘估计算法可以最大限度地降低合闸预测角度的误差。     

电磁式电压互感器频域测量误差分析

文中介绍了电磁式电压互感器(TV)的谐波等效模型,并对该模型进行了简化分析,在简化电路的基础上分析了TV比差及角差产生的原因。利用仿真软件对TV建立相应的模型,计算在基波及2~50次谐波下的比差及角差,并改变模型的参数计算参数变化时对TV测量误差产生的影响。设计了物理试验平台,并通过试验验证了理论分析及仿真的正确性。仿真及试验结果表明,电压频率较低时TV可以进行准确的测量,当频率较高时,TV的测量误差变大,比差及角差均不满足测量准确性的要求。     

改进HED网络在轴承自动测量中的应用研究

针对在工业环境中传统接触式测量轴承尺寸操作复杂且检测成本高的问题,提出一种新的加入注意力机制和结合Canny算法的改进型HED网络边缘检测算法。该方法基于HED网络,将主干网络第4、5个阶段的卷积层替换成连续空洞卷积,并设置网络的第3、4层池化步长为1,增大模型的感受野,提高输出的边缘图像精度;加入高效通道注意力机制ECA模块,有效抑制无关纹理特征和非边缘像素等影响;使用Canny算法中的非极大值抑制和双阈值处理算法,对检测的粗边缘进行细化,得到更加精确的轴承边缘;使用最小二乘圆拟合算法,获取轴承的内外环尺寸参数。实验结果表明,改进后的HED网络在ODS和OIS指标上分别达到了0.811和0.835,该方法可以有效实现轴承边缘检测并保证轴承尺寸测量精度。     

频率变化时交流采样算法分析

电力系统交流采样中使用均方根法计算时必须取得交流信号1个整周期的数据,否则会产生较大的误差。分析了引起误差的原因,使用Matlab的仿真计算,分析了误差大小和采样点数之间的关系。在此基础上提出了2种改进的算法,分别利用有效值作为参考选取起始点和数值补偿进行误差校正。前者在频率变化不大时,无需准确知道系统频率就能保持较高计算精度,但在采样频率较低时误差较大;后者计算精度高,但必须准确知道频率值。     

基于改进Zernike矩的海洋绞车排缆间隙亚像素检测方法

针对海洋绞车现有排缆方式易受环境干扰、接触摩擦磨损影响排缆精度问题,采用非接触式视觉检测直接表征排缆质量的排缆间隙的排缆方式,提出了一种基于改进Zernike矩的海洋绞车排缆间隙亚像素测量方法。首先将二维图像梯度信息垂直投影为一维波形,提出基于Scharr梯度信息的垂直投影排缆间隙定位方法,快速定位间隙区域;然后通过主梯度方向插值改进Zernike矩的亚像素边缘检测,提高亚像素边缘检测精度;最后采用基于DBSCAN的最小二乘曲线拟合方法实现多条不相交曲线拟合,实现排缆间隙大小测量。实验结果表明,本文方法相比于拟合法、插值法、传统Zernike矩法亚像素检测具有较高的准确度和测量精度,排缆间隙测量误差在0.1 mm内,相对误差可达8.60%以内,为有效实现精准排缆提供前提保证。     

改进保留非线性算法在介损测量应用中的研究

摘针对高阶正弦拟合法中迭代所用的运算时间和计算精度之间的矛盾制约该法用于介损测量的问题。提出一种快速收敛潮流算法—改进保留非线性算法,使介损的数字化测量中,在 tanδ<0. 000 3 时,计算时间<10ms。在满足介损在线监测的同时,还可以实时检测系统频率,为同步采样提供了一条新途径。