粒度分析(动态图像分析方法)13322-2

ISO 13322-2（2006-11-01）
第2部分：
动态图像分析方法
1.范围
ISO13322的这部分描述的是控制液体、气体或传输机上运动颗粒的位置，进行颗粒的图像采集和图像分析方法。

将颗粒在液体、气体或传输机上被适当的分散后再测量其粒径及其分布。

当使用这部分的ISO13322时，列出了衍生颗粒尺寸的限制因素。

2.规范性引用文件
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ISO 13322-1:2004，粒径分析—图像分析方法—第一部分：静态图像分析方法
3.术语，定义和符号
3.1 术语和定义
3.1.1 流动池：测量池，液体颗粒混合物在该池内流动。

3.1.2 带孔洞的导管：带有分散颗粒的一股液体从孔洞流入导管中。

3.1.3 鞘流：指引带有颗粒的清洁液体流入特定的测量区域。

3.1.4 粒子照度：带有电子曝光时间控制器的图像采集设备或间歇式图像采集设备。

3.1.5 测量体积：图像分析仪测定的颗粒的体积。

3.1.6 景深：图像的最边缘达到了预先设定的最佳值。

3.1.7图像采集设备：矩阵扫描或线性扫描摄像机
3.2 符号
a t时间内，颗粒移动的距离
Ai 颗粒i的投影面积
b 二进制图像测量的直径
t 曝光时间
v 粒子的运动速度
x 颗粒直径
x Ai 颗粒i与直径等效的投影面积
x imax 粒子i的最大Feret直径
x imin 粒子i的最小Feret直径
ε测得的粒径与静态粒径的比
4.原理
4.1 总则
一个动态图像分析的总框图如图1所示。

其中：
1.分散颗粒
2.颗粒运动的控制设备
3.测量体积
4.光源
5.光路系统
6.景深
7.图像采集设备
8.图像分析仪
9.显示
图1—典型的动态图像分析方法的流程图
4.2 颗粒的运动
颗粒引入可有以下三种方式：
a) 颗粒在移动的液体中流动（包括：颗粒悬浮，气溶胶颗粒，在管道，在喷气，鞘流，湍流或推挽式的流动方式）
b) 颗粒在静止的液体中流动，（包括：注射、自由落体系统，颗粒在外力作
用下移动（例如，重力，静电荷）
c) 颗粒在移动介质上移动（例如，输送带）
4.3 粒子定位
粒子被引入到测量体积，当粒子到达物平面时，图像被捕获。

测量体积的深度取决于所使用的光学系统领域的深度。

图2显示了测量体积的例子
其中：
1.光源
2.相机
3.测量体积
图2—测量体积示例
粒子观测的方向（如平行或垂直）会影响粒子的大小和形状，如在图3所示。

然而，用于整体测量时，ISO13322中这部分与颗粒形状的影响无关。

其中：
1.测量体积与粒子的运动平行
2.测量体积与粒子的运动垂直
图3—粒子运动和观察的方向
重点调节图像采集设备，保证液体中运动的粒子能够获得更精确的图像，推荐使用以下两种方法：
a)控制运动的粒子的位置，仅允许图像采集设备的测量体积内的颗粒通过。

b)当粒子通过图像采集设备的测量体积时，短时间照射粒子或采集移动粒子的图像。

5.操作程序
5.1 总则
现代图像分析仪通常有计算程序来提高分析前图像质量。

只要测量结果可追溯，可使用增强计算法。

5.2 静止图像分辨率
动态图像分析系统采集的图像的分辨率不仅取决于光路系统（镜头放大倍数和相机的分辨率），也取决于光照系统和粒子的运动速度。

当直径为x的球形颗粒以速度v移动，在时间t范围内粒子投影面积的中心移动的距离为a，其中t是频闪发射时间或相机的快门时间（见图A.1），即
=（1）
a⨯
t
v
如果没有做灰度等级处理，a应不超过0.5或)1
x像素，其中ε是测
(2-
⨯ε
得的粒径与静态粒径的比。

像素级和背景级之间的灰度处理应确保测得的二进制图像直径b与静态颗粒的直径x相等。

根据粒度分布和预设的置信区间来确定整个系统的分辨率（见ISO13322-1）。

5.3 校准和溯源
校准设备，最终结果将像素转换成SI长度单位（如纳米，微米，毫米）。

校准程序包括对视场均匀性的检查。

校准过程中的一个基本要求是，所有的测量应追溯到标准米。

这可以通过用认证标准的阶段微米进行图像分析设备的校准。

图像采集过程中，测定颗粒尤其是小的颗粒移动时的粒径，可能会带来严重错误。

因此，建议利用标准物质对整个系统进行核查。

选择的标准颗粒应包括整个系统的动态范围。

建议用三种规格的标准颗粒来校准，即系统可测量的最大值，中点值和最小粒径值相近的标准颗粒。

5.4 粒度分级与放大
在采用图像分析测量粒度时，物像分辨率的理论极值为1个像素。

在最大分辨率1个像素时逐个进行计数。

然而，有必要在最终的结果报告中确定粒度分级。

理想的最大分辨率应根据所需的精度进行调整，而精度是待测颗粒总数、动态范围以及将最小颗粒考虑在内的像素数目的函数。

因此，在给出粒度定量分析报告前，建议将像素转换成实际的尺寸。

整个测量系统中，并不是所有的粒子都被测量，较大的颗粒可能经常被定位在图像框的边缘。

因此，选择的放大倍数应确保最大颗粒的最大直径不超过测量区矩形图像框短边的三分之一（见附件B）。

强烈建议报告因较大颗粒定位在图像框的边缘而导致的任何误差。

通常光学的分辨率优于电子。

5.5 颗粒的边缘
图像中，应根据一个合适的域值来界定颗粒的边缘。

设定技巧依赖于图像分析仪的配置。

强烈建议通过比较处理的二进制图像和原始的灰度图像来调节域值，这样可以保证原始灰度图像有足够的代表性。

5.6 测量
颗粒周长的测量主要依赖于所使用的图像分析系统。

建议原始数据包括：
a)每一个投影面积A i；
b)每一颗粒的最长尺寸，最大Feret直径X imax，以像素为单位；
c)每一颗粒的最短尺寸，最小Feret直径X imin，以像素为单位
因此，允许定义最大分辨率时的形状因子
每个粒子的投影面积可转换为等效面积的圆直径，x Ai
（2）6.制样
应控制分散介质中的颗粒数，以确保没有产生重叠影像的颗粒。

7.采样和测量变量
可以测量一定条件下颗粒总数或总颗粒计数。

采用这样的方法应确保无颗粒丢失或重复计算。

应根据粒径分布及设置的置信区间来计算颗粒的最小数目（见ISO13322-1）。

为了提高测量可信度，可根据平均直径和数据组的标准偏差来进行数据统计计算。

附件C提供典型的样品引入和图像采集系统。

附录A
（信息）
推荐使用的粒子的运动速度和曝光时间
动态图像分析时，测量运动中的小颗粒需要特别注意事项。

当球形颗粒的直径x [pix]以速度v [pix/s]移动，曝光时间是t [s]，在此期间粒子投影面积的中心移动的距离a [pix]，即
a = v ×t (A.1)
观测到的粒子的直径b[pix]在(x + a)和(x − a)范围为运动，取决于阈值水平（见图A.1）
因此，当一个移动的球形粒子的图像捕获为灰度图像，然后转换成一个给定的阈值水平的二进制图像，形状似乎是一个长椭球而非圆形。

二进制粒子图像的最大尺寸是：
b = x + a (A.2)
为了使动态粒子测量的结果与获得的静态粒子测量一致，x和b之间的差异小于0.5像素，即：
a = v ×t < 0,5 (A.3)
但是，如果只进行测量大颗粒（例如x是大于10像素，在给定的错误测量的面积相当于直径），x和b（等于a）之间的差异可以计算如下：
x A,real，x A,meas测量的面积相当于一个静态粒子直径，测量粒子A real，A meas
是静态粒子的投影面积和测量粒子。

所测的粒径与静态粒径的比例ε是：
这个公式也可以表示如下：
a = x (ε 2−1) (A.9)
例如，当ε是小于的1，1（相当于粒径10％的相对误差），
因此，当最小颗粒尺寸测量是10像素时a可以是2像素大，即。

图A.1说明了粒子图像和阈值水平，图A.2显示任意形状颗粒的延伸。

关键
a 在曝光时间的运动距离[pix]
b 测量的二进制影像颗粒的直径[pix]
v 运动方向和速度[pix/s]
x 静态颗粒直径[pix]
A 在图像捕捉开始时粒子的位置
B在图像捕捉结束时粒子的位置
图A.1—粒子图像和阈值水平
关键
Aerr 粒子的运动引起的最大误差
Areal 静态粒子的投影面积
a 在曝光时间的运动距离[pix]
v 运动方向和速度[pix/s]
x F 垂直运动方向投影面积的FERET直径
A 在图像捕捉开始时粒子的位置
B 在图像捕捉结束时粒子的位置
图A.2—图A.1扩展为任意形状的粒子
在图A.2，
x F取决于相对运动方向上的粒子方向。

附录B
（信息）
建议使用的最大粒径
B.1 概括
这两种方法通常用于纠正接触测量框架一侧的的任何粒子计数（见ISO13322-1:2004，6.3）。

B.2 警戒线原理
测量面积是一个长方形的框架，其底部和右侧都定义拒为排斥双方。

粒子位于部分或全部测量范围内，不触及双方排斥的都能接受。

颗粒接触的排斥双方或它们的延长线（警戒线）被拒绝计数。

左上角的矩形视图框架和测量框架之间应当有足够大的空间，这样，没有被接受的的粒子被视图框架的边缘切割。

如果我们考虑的一个较小的边长为L的矩形区域，一个较小的一侧长度Z的矩形测量框架，图 B.1所示，为了可接受的粒子视图框架不被削减，粒径应小于或等于L-Z，即：
有效的测量框架面积视图领域面积的比例应为r，其中
方程（B.1）和（B.2）可以合并如下：
公式（B.3）提供了视图区域r有效的测量框架面积的比例和最大粒径x/L，由警戒线的方法测得（见图B.2）。

关键
1 视野
2 测量框架
3 警戒线
4 两个框架之间的顶部和左侧边缘有足够的空间
L 边长较小的视野
Z边长较小的测量框架
图B.1—警戒线原理
关键
r 测量框架的有效面积与视野面积的比例
x/L 颗粒的直径x与矩形区域的短边长度L的比
图B.2—有效的测量框架面积与视野面积的比例
B.3 Miles-Lantuejoul方法
测量框架内的所有粒子都可以被计数。

所有的粒子外，包括削减那些通过测量框架两侧的粒子，都被拒绝。

测量框架中包含的粒子的概率随着颗粒直径增加。

现有的测量框架内的粒子的概率P i（Miles-Lantuejoul因素）取决于粒径和测量框架大小。

测量框架中的粒子数目应根据粒径除以P i。

对于非球形颗粒，在Miles-Lantuejoul因素P i的计算中（参见图B.3），粒子的最长尺寸被选择作为粒径，而矩形测量框架的短边被选为框架的长度。

如果我们考虑一个大小Z的方形测量框架，那么大小为x的粒子的P i计算公式如下：
P i的概率作为无因次粒径的功能在图B.4中绘制。

使用的警戒线的方法，当测量框架的面积大于视野的50％时，在图B.2所示的比给出的值为x /L=0,3，当r = 0,5。

这表明，比视野约三分之一的尺寸短边小的颗粒，可以正确地测量。

同样，使用Miles-Lantuejoul方法（见图B.4），当校正系数大于50％计算的粒子数没有进行校正，应测量比测量框架的短边大约三分之一小的颗粒。

因此，无论使用哪种方法，比测量框架的短边大约三分之一小的颗粒可以被包括测量。

没有测量框架的测量（即视野的测量框架），可以按照P i的校正方法。

关键
1 视野范围
2 测量框架
3测量框架的边长
图B.3—在测量框架中的颗粒
关键
P i现有的粒子i在测量框架内的概率
x /L 粒径，x与方形测量框架的边长，Z的比
图B.4—测量框架中现有的粒子的概率
附录C
（信息）
样品进料和图像采集系统的典型例子
C.1 鞘流系统
在这个方法中，所有分散在核心流程粒子的定位是由鞘流控制的。

核心流和颗粒应该是在图像采集设备精确的焦平面。

流量的大小和形状是可控制，以适应正在测量粒子的大小和形状。

鞘流照明的光源，图像采集设备所需的时间，以便获得流动中静止的粒子图像。

以这种方式拍摄的静止图像，所有的粒子流中的焦点。

为了创建一个粒子的迅速聚焦图像，灯亮起时，粒子所走过的距离应小于图像采集设备的分辨率。

使用这种方法时，纤维颗粒往往配合的流动方向，从而呈现垂直成像系统。

图C.1说明鞘流的电池系统。

关键
1 样品
2 样品进料口
3 相机
4 透镜
5 核心流
6 光源
7 鞘流8测量体积
图C.1—鞘流电池系统
C.2 电气感应区域系统
在此方法中，图像采集设备的光学系统集中在孔口管的光圈。

在导电液体沉浸在小光圈两侧的两个电极之间产生一个电信号，这就是所谓的电感应区。

当一个粒子通过此区域时，它改变了两个电极之间的电阻。

在电脉冲短持续时间，产生触发信号，频闪灯这样的结果。

当一个粒子通过光学系统焦平面是它的图像由图像采集设备在精确的瞬间捕捉到。

用电感应区域法，每个光源亮起时每一个粒子图像被捕获。

粒子图像总是在影像画面的特定位置上被捕获。

如果有不重合误差，粒子从未相互重叠或超出屏幕的两侧。

使用这种方法时，粒子的方向和流动方向是垂直于图像采集设备的光轴的。

图C.2说明电气感应区域系统。

关键
1 光源
2 相机3测量体积
图C.2—电气感应区域系统
C.3 循环方法
在此方法中，颗粒分散在液体中并不断循环。

在测量过程中为适应不同尺寸和形状的颗粒，流量是可以控制的。

参考图 C.3，可控光源（1）照亮颗粒。

光的强度根据图像采集使用的系统设置。

图像捕获设备（2）通常是相机的CCD（电荷耦合器件）。

通过使用适当的光学系统，应作出规定以确保焦点是测量体积（3）中的所有粒子。

有可能是失焦颗粒测量的情况。

这些失焦粒子通过使用图像处理技术来拒绝。

图C.3说明循环颗粒的方法。

关键
1 光源
2 相机
3 测量体积
图C.3—循环颗粒的方法
C.4搅拌方法
在此方法中，颗粒分散在液体中在一个单元格中被搅拌，一个很短的曝光时间的光学系统获得运动的粒子静止图像。

图C.4说明搅拌粒子的方法。

关键
1 光源
2 相机
3 测量体积
图C.4—搅拌颗粒的方法
C.5 动态停止流动图像分析方法
在传统的动态图像分析方法中，整个实验粒子不断移动。

对于小颗粒，图像采集过程中的任何运动引起的图像模糊，导致粒度测定中的错误。

在此方法中，样品悬浮在液体中并且通过流动单元格传递。

在每个图像采集样品流动暂时停止，在图像获得后恢复。

为了确保相同的粒子不测量或见过两次，每个图像在样品已经从以前的图像中定义的时间间隔流动后获得。

粒子是通过控制光源照亮，其强度是根据图像采集系统设置的（典型的，电荷耦合器件）。

光源也可能是自动调节的，为了确保结果的一致性时，液体的颜色或粒子的颜色是一个因素。

图C.5说明动态停止流动图像分析方法
关键
1 光源
2 图像采集装置
3 流通池
4 样品流动方向
5 在这些领域的粒子跳过图像采集
6 拍摄图像
7流通池顶部
图C.5—动态停止流动图像分析方法
C.6 自由落体系统
在此方法中，由振动筛控制粒子传递。

支线分散颗粒并下降到图像采集设备的焦平面。

参考图C.6，样品落区的宽度和下降速度可以由振动筛控制在一个适当的值，为了确保颗粒通过图像采集设备（2）的焦平面（3）。

下降的颗粒有一盏灯亮起，其中有一个适合于图像采集设备强度的粒子。

图像采集设备或者是快门相机或行扫描相机。

以这种方式拍摄的图像，可能有失焦
的粒子，这可能会通过图像处理技术被拒绝。

图C.6说明自由落体系统。

关键
1 光源
2 相机
3 测量体积
图C.6—自由落体系统
C.7 一个移动的基板上的测量
参考图 C.7，在此方法中，粒子被放置在传送带上（3）通过适当的隔离机制，并因此测量其稳定，由入射光（1）首选位置。

行扫描相机（2）或矩阵相机均可使用。

当使用一个透明的传送带（例如，带玻璃幻灯片），从背后照明，可以提供一个更好分辨率的二维粒子图像。

图C.7说明了一个移动的基板上的测量。

关键
1 光源
2 图像采集装置
3 输送带
图C.7—移动基板上的测量
C.8 输送排放点的测量
参考图C.8，在此方法中材料流动通过传输或者入射光过程背后的传送带（3）排放点记录，通过一行光源（1）和行相机（2）。

假设粒子可以有一个稳定的，优先的位置，因此其投影面积的一个好的近似值可以在测量过程中记录。

图C.8说明在输送排放点的测量。

关键
1 光源
2 图像采集装置
3 输送带
图C.8—输送排放点的测量。