采样样本的容量对雾滴尺寸测量精度影响的试验研究[大全五篇]

第一篇：采样样本的容量对雾滴尺寸测量精度影响的试验研究

第30卷

第10期

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Vol.30 No.10 2009年10月

Chinese Journal of Scientific Instrument

Oct.2009 采样样本的容量对雾滴尺寸测量精度影响

*的试验研究

袁江涛，杨 立，张 健，王小川

（海军工程大学船舶与动力学院 武汉 430033）

摘 要：用雾滴采集装置在自行建立的高压喷雾系统上对雾滴进行了样本采集，用机器视觉方法对雾滴尺寸进行了统计与测量，将机器视觉方法测量结果与PDPA测量结果相比较，深入分析了雾滴采样样本对雾滴尺寸测量精度的影响。试验结果表明：雾滴采样样本容量越大，雾滴尺寸测量精度也越高，当雾滴样本容量大于4 000个时，雾滴特征直径D0.632的测量精度可达5%以内；不同粒径的雾滴个体对雾滴尺寸测量精度的影响不同，大粒径雾滴对尺寸测量精度的影响远大于小粒径雾滴，雾滴尺寸测量时尤其应注意准确统计大粒径雾滴。关键词：图像处理；雾滴尺寸；机器视觉；图像采集

中图分类号：TP30

2文献标识码：A

国家标准学科分类代码：460.4035 Experimental study on the effect of sample size on measurement

accuracy of water droplet size Yuan Jiangtao, Yang Li, Zhang Jian, Wang Xiaochuan(College of Naval Architecture and Power, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)Abstract：The water droplets are sampled in a self-built high pressure spraying system using droplet collecting device.The droplet size is measured using machine vision technique.Based on the comparison between the ma-chine vision technique measuring result and the PDPA measuring result, the effect of droplet sample on the droplet size measuring accuracy is analyzed deeply.Results indicate that the larger the droplet sample size, the more ac-curate the measuring result;and that when the droplet sample size is larger than 4 000, the measuring accuracy of the droplet representative diameter D0.632 is within 5%;and that the effect of different size droplets on the droplet size measuring accuracy is different, larger droplet affects the size measuring accuracy more evidently than small-er one.The larger droplet must be counted correctly during the droplet size measurement.Key words：image processing;droplet size;machine vision;image collecting

度的优点，得到较快发展，相关研究不断见诸报道[2-9]。

液态工质经喷嘴雾化后，形成大量粒径大小不一的雾化液滴，雾滴尺寸只能通过一定统计意义下的直径表征。从统计学角度讲，雾滴采样样本容量越大，雾滴尺寸测量精度也越高。但是，样本容量过大，会浪费人力物力，增加不必要的测量成本；样本容量过小，又会增大测量误差。Tate在其研究论文中提及，为了保证足够的测量精度，至少应统计3 000~4 000个雾滴[10]，但他的论文中并没有明确这一数据的来源；Bowen和Davies用1 引

言

雾滴尺寸是衡量喷雾质量的重要参数之一。相位多普勒粒子分析仪（PDPA）和马尔文粒子分析仪等光学仪器测量精度高，但本身结构复杂，影响测量结果的因素较多，且价格较为昂贵，现阶段尚难以普及[1]。近年来，随着CCD图像传感器的快速开发，雾滴尺寸的机器视觉测量方法以其低成本、易操作、速度快，且满足一定精收稿日期：2009-0

3Received Date：2009-03 *基金项目：国家部委科研基金(101050202)资助项目 第10期

袁江涛 等：采样样本的容量对雾滴尺寸测量精度影响的试验研究

2113 理论分析方法评估了雾滴数量与尺寸测量精度之间的关系，提出要使雾滴Sauter直径的测量精度达到5%，雾滴数量应不少于5 500个[1,11]；Masuda和Gotoh用计算机模拟方法研究了固体颗粒数量与尺寸测量精度之间的关系，认为要使颗粒体积平均直径的测量精度达到5%，颗粒数量应达到6 100个[12]。从现有文献看，不同研究者采用机器视觉方法或图像处理方法测量雾滴尺寸时，提取的雾滴样本多则几千个，少则几百个[2-9]。尽管雾滴采样样本对雾滴尺寸测量精度的影响很大，但这方面的试验研究却鲜见报道。虽有国外学者研究了雾滴采样样本与雾滴尺寸测量精度间的关系，但所得结论多为理论预测结果，缺乏必要的试验验证。鉴于此，本文采用机器视觉方法测量了不同样本下的雾滴尺寸，并与同一工况下的PDPA测量结果进行了比较分析，揭示了雾滴样本容量和不同雾滴个体对尺寸测量精度的影响规律。试验装置与测量方法

2.1 高压喷雾系统与雾滴采集装置

图1所示为本试验建立的高压喷雾系统和雾滴采集装置。高压喷雾系统以自来水为雾化工质，主要由水箱、闸阀、过滤器、电机、柱塞泵、调压阀、回流阀、压力表和喷嘴组成。通过调整调压阀和回流阀获得所需的雾化压力，压力调整范围为0~8 MPa。考虑到管路中存在压力损失，压力表安装在喷嘴入口处，测量雾化压力。试验所用LNN0.60喷嘴由美国Spraying喷雾系统公司生产，孔径0.41 mm，属单路压力微细雾化喷嘴，喷雾形状呈均匀的空心锥形。为防止柱塞泵损坏和喷嘴堵塞，分别在柱塞泵和喷嘴前安装了初、次级过滤器。

图1 喷雾系统与雾滴采集装置

Fig.1 Spraying system and droplet collecting device

雾滴采集装置由采样盘、采样板和升降台组成，用于雾滴采样，以备后续雾滴图像采集和尺寸测量。采样盘为直径75 mm的培养皿，内装硅油，硅油不溶于水，密度略小于水，雾滴能长时间悬浮其中并保持球形。采样板为矩形有机玻璃板，中间有细长开口，其作用类似

于照相机的快门，控制进入采样盘的雾滴数量。只要采样板移动速度合适，就能获得高质量的雾滴样本。采样高度通过升降台调整。

2.2 雾滴样本采集与雾滴尺寸测量

试验时，首先将盖好盖子的采样盘水平放置在喷嘴下方合适的位置；然后将喷雾系统压力调至3.5 MPa；雾化压力稳定后，揭开采样盘的盖子，移动采样板，部分雾滴从采样板的细长开口中下落至采样盘，被采样盘中的硅油截获并悬浮其中；雾滴采样结束后，关闭喷雾系统，移开采样板，将采样盘用盖子盖好，迅速移至显微镜下进行显微观察与图像采集。图2所示为显微图像采集与测量系统，硬件部分主要由德国LEICA DM2500M显微镜及其CCD相机、图像采集卡和计算机组成，软件部分包括图像采集软件和图像处理与分析软件。为获得足够的雾滴样本，在采样盘内均匀选择30个采样点进行雾滴图像采集，每个采样点可采集的雾滴为几十到几百个不等。图3所示为采集的典型雾滴显微图像，从中可识别出189个完整雾滴。将雾滴图像导入计算机，进行图4所示的图像处理与尺寸特征提取，可以获得以像素为单位的大量雾滴尺寸信息。经标定，本试验雾滴图像上每个像素点对应的面积为3.891 1 μm×3.891 1 μm，通过系数转换，即可测得雾滴实际尺寸。

图2 显微图像采集与测量系统

Fig.2 Microscopic image collecting and measuring system

图3 雾滴显微图像 Fig.3 Droplet microscopic image

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后，雾滴的尺寸分布变化不再明显。

图4 雾滴图像处理流程

Fig.4 Droplet image processing flow chart 测量结果与精度分析

雾滴尺寸分布常用Rosin-Rammler模型描述，它以累积体积(质量)分布表达，即[1]：

V1expDnc

D

(1)0.632式中：Vc为粒径在D以下的所有雾滴累积体积（质量）百分比；D为与Vc相应的雾滴粒径；D0.632为雾滴的Rosin-Rammler特征直径，即Vc=0.632时的雾滴直径，其值可在雾滴尺寸累积分布曲线上直接查得；n为均匀度指数，值越大，表示雾滴粒径分布越均匀，一般为2~4。为研究和应用方便，人们定义了多种雾滴平均直径和特征直径，其中工程中最为常用的几种雾滴尺寸都可以用雾滴特征直径D0.632和均匀度指数n来表示[1]。对特定喷嘴而言，在雾化工质和雾化压力一定的条件下，均匀度指数n一般是个定值。因此本试验以雾滴特征直径D0.632作为衡量雾滴尺寸测量精度的指标。在本试验条件下，Spraying喷雾系统公司给出的PDPA测量结果为：D0.632=45.28 μm，n=2.63。3.1 样本容量对雾滴尺寸测量精度的影响

图5所示为不同样本容量下的雾滴尺寸频谱分布，表示不同粒径雾滴数量的变化曲线。由图可见，样本容量为500个时，统计的最大雾滴直径为55 μm，部分尺寸区间内的雾滴个数为0，雾滴尺寸频谱分布的连续性较差，规律性不强；随着样本容量的增大，各尺寸区间内的雾滴数量均有不同程度的增加，雾滴尺寸频谱分布的连续性增强，且分布规律较为明显；当Ntotal≥4 500个后，雾滴尺寸的频谱分布形状基本保持不变，最大雾滴直径为81.67 μm。这表明，测量雾滴尺寸时，雾滴样本容量不能过小，否则统计的雾滴尺寸信息不完整，必然导致测量误差偏大；样本容量也没有必要盲目求大，因为当样本容量增大到一定程度

(a)

(b)

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(d)第10期

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2115(e)

(f)

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图5 样本容量对雾滴尺寸频谱分布的影响

Fig.5 Effect of sample size on droplet size spectral distribution

图6所示为不同样本容量下雾滴尺寸的累积分布，表示小于给定尺寸雾滴的相对数量或相对体积，并与Spraying喷雾系统公司的PDPA测量结果进行了对比分析。由图可见，样本容量为500个时，试验结果明显偏离PDPA测量结果；样本容量越大，试验结果越靠近PDPA测量结果；当Ntotal≥4 000个时，累积分布曲线已与PDPA测量结果相当接近。由试验结果看，雾滴样本容量对雾滴尺寸的数量

累积分布的影响大于对雾滴尺寸的体积累积分布的影响。

将不同样本容量下的测量结果与PDPA测量结果进行比较，可得雾滴样本容量对雾滴尺寸测量精度的影响，如表1所示。样本容量为500个时，测量误差高达38.65%；雾滴样本容量越大，雾滴尺寸测量精度也越高；当Ntotal≥ 4 000个时，测量精度已提高至5%以内；继续增大样本容量，测量精度会进一步提高，但提高的幅度变缓，样本容量分别为4 000个与5 966个时相比，样本容量增加了49%，而测量精度只提高了0.67%。因此，当工程中采用机器视觉方法测量雾滴尺寸时，建议合适的雾滴采样样本容量为4 000~5 000个。

图6 样本容量对雾滴尺寸累积分布的影响 Fig.6 Effect of sample size on cumulative distribution

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表1 样本容量对测量精度的影响

Table 1 Effect of sample size on measuring accuracy 样本容量Ntotal/个 特征直径D0.632/μm 测量精度(%)500 27.78 38.65 1 000 33.75 25.46 2 000 35.73 21.09 3 000 39.49 12.79 4 000 43.09 4.84 4 500 46.78 3.31 5 000 47.44 4.77 5 500 47.36 4.59 5 966 47.17

4.17 3.2 雾滴个体对雾滴尺寸测量精度的影响

为研究采样样本中不同粒径的雾滴个体对雾滴尺寸测量精度的影响，以5 000个雾滴的采样样本为基础，先删除1个直径为80.60 μm的雾滴，得到4 999个雾滴的新样本，再删除1个直径为78.05 μm的雾滴，得到

998个雾滴的新样本；再在5 000个雾滴的样本基础上，删除70个直径为4.39 μm的雾滴，得到4 930个雾滴的新样本。对这3个新样本分别进行统计测量与分析，得到雾滴尺寸的频谱分布与累积分布分别如图7、8所示，相应的测量精度如表2所示。比较图7与图5(g)可见，若在5 000个雾滴中漏记几个大粒径雾滴或几十个小粒径雾滴，雾滴尺寸的频谱分布不会产生明显变化。如图8及表2可见，若在5 000个雾滴中漏记一个较大的雾滴，雾滴尺寸测量误差将增加0.29%；若漏记2个较大的雾滴，这一误差将增加0.51%；而若在同一样本中漏记70个小粒径雾滴，测量精度几乎不受影响。这是因为雾滴群中大粒径雾滴数量虽不多，但所占体积较大，对雾滴尺寸的体积累积分布影响较大，导致对雾滴尺寸测量精度的影响较大。因此，在测量雾滴尺寸时，尤其应注意准确测量那些粒径较大的雾滴，采样时尽可能不要将大粒径雾滴漏记。

(a)

(b)

(c)

图7 雾滴个体对雾滴尺寸频谱分布的影响 Fig.7 Effect of individual droplet on droplet size

spectral distribution

图8 雾滴个体对雾滴尺寸累积分布的影响 Fig.8 Effect of individual droplet on cumulative distribution

表2 雾滴个体对测量精度的影响

Table 2 Effect of individual droplet on measuring accuracy

样本容量Ntotal/个

特征直径D0.632/μm

测量精度(%)000 47.44 4.77 4 999 47.57 5.06 4 998

47.67 5.28 4 930

47.44

4.77

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2117 4 结

论

1）雾滴样本容量对雾滴尺寸测量精度有很大影响，通常样本容量越大，测量精度也越高，但测量成本也越高。为满足工程需要，雾滴采样样本不能过小，也没必要盲目求大，建议合适的雾滴样本容量为4 000~5 000个。

2）不同粒径大小的雾滴个体对雾滴尺寸测量精度的影响不同，大粒径雾滴对测量精度影响很大，小粒径雾滴对测量精度的影响很小。雾滴尺寸测量时应格外注意准确统计大粒径雾滴。

3）在雾滴采样合理的前提下，机器视觉测量方法为工程中测量雾滴尺寸提供了一种低成本高精度的新手段。

参考文献

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袁江涛，分别于2002、2005年在海军工程大学获得学士和硕士学位，现为海军工程大学博士研究生，主要研究方向为传热传质与热流体学及其应用。E-mail: 405jtyaun@163.com

Yuan Jiangtao received BSc in 2002 and

MSc in 2005 both from Naval University of Engineering.He is a PhD student in Naval University of Engineering now and his current research directions are heat and mass transfer and ther-mal fluid flow and their applications.

第二篇：班容量对中学体育教学影响现状及对策研究

班容量对中学体育教学影响

现状及对策研究

单 位：回龙中学

姓 名：王久明

联系电话：***

地 址：会龙中学

班容量对中学体育教学影响现状及对策研究

摘 要：本文通过文献资料、问卷调查、逻辑分析和数理统计研究方法，对邢台市中学体育教学进行调查研究。结果大容量班现象普遍存在，已成为影响体育教学改革深入发展的重要因素，制约了体育教学质量进一步提高。

关键词：中学； 大容量班； 体育教学

近几年，部分学校“大班容量”现象，制约了教学质量的进一步提高。教育部于2002年颁布的“中小学体育器材设施配备目录”说明中指出：“以中学48人，小学40人为标准班。”根据地方特殊情况，河南省出台《普通中小学校管理规定（试行）》，系统地对中小学学生、校务、教职工、教育教学、校园、安全等方面做出全面规范。《规定》要求学校严格控制教学班学额：小学每班不超过45人，初中班不超过50人、高中班不超过56人，超过此数则为超编。因此，分析研究大班额对教学的不利影响及对策，对于实施新课程标准，落实课程基本理念，提高教育教学质量是十分迫切和具有现实意义的。

一、研究方法与对象 1.研究对象 桐柏县的中学。2.研究方法

文献资料法：查阅相关文献，为本研究提供理论基础。

问卷调查法：对桐柏县中学体育教师随机发放两份问卷，共30份。回收30份，回收率100%，有效率94%。

数理统计法：采用excel软件包对问卷进行统计分析。逻辑分析法：对所得数据进行分析整理，并撰写论文。

二、结果与分析

1.桐柏县中学班级容量现状的调查与分析

通过调查，桐柏县中学平均班容量约为68人，资源优势学校班容量远远大于这一数字。60%都达到了80人。普通中学56%的班级容量达60人，职教中学43%的班级容量是56人。基础教育资源配置失衡、家长择校意识增强是大容量班产生的根本原因。2.大容量班体育教学存在的问题

同一教学班人数越多，在相同时间内接受的教学信息越少，学生得到的辅导和教师得到的信息反馈也越少，体育教学质量就相对较差。由于体育教学是以身体练习为主，实践性强，教学中对组织、辅导、场地、器材等因素的依赖程度远大于其他学科，因而大班容量给体育课带来许多困难和问题。2.1大容量班对教学组织影响的调查。

体育教学以身体练习为主要手段这一特征对教学的组织工作提出较高要求，课堂上的调队、活动、分组、练习等组织形式是其他学科所没有的。人数过多对教师的讲解、示范提出更高要求，学生出现看不见示范、听不清讲解则直接影响教学效果。班容量的增

加使体育教学中队行调整的时间增加，教学时间被迫压缩，学生的练习时间远远不够。

2.2大容量班体育教学中场地、器材的调查。

调查表明桐柏县中学体育学校场地器材设施的配备严重不足。足球场63%的学校只有一块，有的学校甚至没有。篮球场，45%的学校只有一个。羽毛球场地能达到2块的才7%,学生身体练习是实现体育教学目标的主要手段，身体练习对场地、器材的依赖程度很高。场地、器材的欠缺将带来学生练习密度下降，运动负荷不足等一系列不良影响，从而影响增进学生身心健康目标的实现。2.3大班容量体育教学中存在的安全问题。

体育教学中的身体练习和体育竞赛本身存在某些不安全因素，因此在教学中经常使用保护、帮助的手段和运用沙坑、垫子等器材设施来加强练习的安全性。人数过多而教师的精力有限使教师在教学中顾此失彼，保护手段及安全措施相对没有保障。2.4大容量班先进教学理念的实施。

新的体育课程标准提出的教学理念是以学生的发展为中心，让每一个学生受益。要求教师与学生有较多的接触，要了解每一个学生学习进度和接受能力，并针对学生个性和特点有选择帮助和辅导。而班容量的增加，使教师减少与学生个别接触和大量接触的机会。

三、解决中学大容量班体育教学问题的建议与对策

学校之间在办学条件上的差距，促使生源分布的不均衡，大班容

量体育教学是一个不可回避的严重问题。1.改革班级授课制度

桐柏县中学按现有班人数上课难以从根本上解决问题，有条件学校可在班级授课制度上进行改革。打破原有的教学班编制，把几个教学班的学生按兴趣分成篮、足、排、乒乓、体操等多于教学班数量的专项教学班，由多位教师同时上课，既激发、满足学生运动兴趣，又可以有针对性地进行锻炼，还能有效地解决班级人数过多体育课上课难的难题。2.引进高校实习学生

充分发挥体育资源效益，与当地高校体育专业的实习进行对接，采取辅助教学实习方法，即一个班由主讲教师配置一个实习学生同时授课，它实质上使体育教学实现了小班化教学的理想状态。既可以减轻教师教学压力、增加学生学习机会，还可以把大学里先进的教学方法、内容带入中学教学当中，解决班容量过大给教学带来的问题。

3.合理选择和设计教学内容

新课标在教学内容的选择上给教师留有很大空间，在无法实现改变班级授课制度、无法完善场地、器材的情况下，教师对课程设计的合理性，直接关系到教学效果，避免一些对场地、器材、人数等有较高或特殊要求的内容。

四、结论与建议

1.大容量班在桐柏县中学普遍存在，经济发展的不平衡导致学校

办学条件差异巨大，是产生大容量班现象的主要原因。2.大容量班体育教学存在诸多问题，严重影响体育教学质量，限制体育课程学习目标的实现，从而对学生身心健康发展产生不利影响。

3.建议采取积极有效措施，如与高校接洽实行实习定岗教学、改革班级授课形式，来解决大班容量体育教学的问题。