[发明专利]一种新型灼热丝火焰监测系统

说明书

技术领域

本发明用于监测灼热丝试验中灼热丝火焰的高度，可以实时准确地测量实验过程中任意时刻的火焰高和火焰的持续时间。

背景技术

电子电器零、部件在故障或过载等条件下可能达到过高的温度而存在引起着火的危险。灼热丝试验就是模拟过载的电阻之类的热源或点火源在在短时间内对样品施加热应力，通过观察和测量，以此来评定样品的着火危险性。灼热丝试验是检验电工电子产品中绝缘材料耐燃性能重要的试验项目。灼热丝试验主要是为了测试绝缘材料在试验条件下，起燃后的火焰高度和持续时间，其试验方法和合格判定在国标 GB 5169.10，GB 5169.11，GB 5169.12，GB 5169.13 中明确规定。目前的测量火焰高度和持续时间的测量方式是肉眼观测标尺刻度，从而估算火焰高度，由于肉眼分辨力有限而且易受实验环境干扰，所以测量的误差较大。

灼热丝火焰是在标准大气压下，由固体绝缘材料和该绝缘材料经受高温而固气相变产生的可燃气体作为燃料，空气作为助燃气体的条件下形成的。火焰的本质是放热反应中反应区周边空气分子加热而高速运动，从而发光的现象，根据温度和亮度的差异可分为内层、中层和外层。在灼热丝火焰检测和火焰高度测量中，需要测量的是灼热丝上缘与火焰外层顶部之间的垂直距离，然而由于灼热丝火焰外层火焰温度极高（2700^oC）其光谱集中在紫外区，这使得人眼不能对其进行分辨，而实际能观测到的只是光谱集中在可见区的内焰部分，所以无法准确测量灼热丝火焰的实际高度。

在灼热丝火焰图像中，外层火焰的温度和亮度都是最高的，虽然其光谱集中在不可见区，但可以通过提取火焰图像中的亮度特征，并结合轮廓提取技术将需要测量其高度的外层火焰提取出来，进而实现对灼热丝火焰高度的准确测量。本发明就是基于上述思路，提出了一种基于数字图像处理方法和轮廓提取技术的灼热丝火焰高度测量方法，并综合图像采集系统设计了一种实时、高准确度的灼热丝火焰检测系统，而且在STM32F407型单片机上进行了实现。

发明内容

1、系统设计原理

本发明所设计的一种新型灼热丝火焰监测系统主要为了实现两种功能:（1）测量灼热丝火焰持续的时间长度；（2）准确测量（误差范围在）某一时刻灼热丝火焰的高度。为了实现以上功能，本系统设计了图像采集与传输模块、基于STM32F407型单片机的数据处理与监测结果输出模块。此检测系统实际工作时首先通过图像采集系统（网络摄像机）获取灼热丝实验图像，然后通过通信端口将采集的数据传输给数字图像处理模块（单片机），此环节根据灼热丝火焰图像的主要噪声干扰和火焰图像轮廓特征，并为了兼顾系统的实时性和准确度，综合应用了灰度处理、亮度范围截取、中值滤波去噪和Canny边缘提取方法，以完成对灼热丝火焰外层轮廓的完整、准确提取，进而实现对灼热丝火焰高度的高精度测量。最后根据图像采集起始时刻和采样间隔标定采样时间，绘制火焰高度拟合曲线，其中火焰高度不为零的采样点的持续时间即为灼热丝火焰持续时间。本系统的图像采集模块每秒钟可采集10帧图像，所以通过本系统得到的火焰持续时间的测量误差不会大于0.1秒。

1.1火焰轮廓提取

此系统的灼热丝火焰图像处理模块为本监测系统的核心部分，此模块包含了多项图像处理环节，所系需要对其进行重点说明。图像处理模块包括灰度处理、亮度范围截取、中值滤波去噪和Canny边缘提取方法四个环节：

1）在火焰图像中，火焰部分相对于背景部分有着明显的亮度差异，为了提取出火焰的这一重要特征，需要先对图像进行灰度处理。

2）经过灰度处理后的每一个像素都只含有进行了(0 255)之间的量化后的亮度值信息。需要进行提取用于火焰高度测量的外层火焰其亮度值最大，为了保留此部分图像需要对灰度图像进行了灰度范围截取，灰度截取的基本原理为：选取原图像中亮度值处于某一范围的像素，并将此部分像素的亮度值重新扩展到（0 255）。

3）在灼热丝火焰图像获取的过程中，外部电磁干扰、机械的振动和传输介质的缺陷会产生一些噪声干扰，称为椒盐噪声。噪声干扰会严重影响图像质量和后续边缘提取的准确度，所以需要对火焰图像进行滤波处理。根据噪声特点本系统采用了中值滤波方法对图像进行滤波处理。