CN103175760A - 水体中微纳米气泡观测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种水体中微纳米气泡观测系统及方法，其中，该系统包括：模型箱，模型箱具有注水口，可注入并盛放富含微纳米气泡的水体，且模型箱各面使用不同的材质和颜色，最大限度的提高水体中微纳米气泡的成像清晰度；激光器，激光器位于模型箱的顶部，用于提供观测时需要的光源；相机和镜头，相机和镜头位于模型箱的一侧，用于观测水体中微纳米气泡；图片采集及处理模块，图片采集及处理模块与相机相连，进行图片的采集和处理。本发明具有简便可行，观测精度高的优点。
Description
技术领域
本发明属于水利水电工程和环保工程领域，具体涉及一种水体中微纳米气泡观测系统及方法。
背景技术
水资源是人类生产生活的关键资源，目前环境水体污染严重，水资源保护和水污染治理成为现代社会最关注的问题。曝气法是处理水体污染的重要方法，其原理是通过水和空气充分接触以交换气态物质和去除水中挥发性物质，或使气体从水中逸出，去除水的臭味或二氧化碳和硫化氢等有害气体；或使氧气溶入水中，以提高溶解氧浓度，达到除铁、除锰或促进需氧微生物降解有机物的目的。曝气法在污水处理及水产养殖等领域获得广泛应用。气液界面的接触面积是影响曝气效率的重要因素。因此减小气泡粒径，将曝气气泡的直径控制在微纳米量级成为该技术的热点发展方向。
微纳米气泡是指液体中微米和纳米量级气泡的统称，其直径一般小于60μm，微米气泡直径在1-60μm之间，纳米气泡的直径则在1μm以下。在水体中毫米-厘米级宏观气泡将在浮力作用下迅速上升，并在水表面处破裂；而微纳米气泡则由于直径较小，在水体中停留时间较长。由于水气界面张力作用，气泡内压较大，其高溶解能力可为水体提供高含量的溶解氧。同时，微纳米气泡气液界面带负电荷，可以与特定的污染物相互作用，微纳米气泡破裂时产生的自由基和振动波也可促进污染物的去除。
微纳米气泡供氧效果好、持续时间长、影响范围大，可以弥补常规水体污染治理技术的局限性。因此对于水体中微纳米气泡的研究有重大意义。但目前尚无观测如此小尺寸的气泡的技术手段。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明的一个目的在于提出一种具有简便可行、仿真程度高的水体中微纳米气泡观测系统。本发明的另一个目的在于提出一种具有简便可行、观测精度高的水体中微纳米气泡观测方法。
根据本发明实施例的水体中微纳米气泡观测系统，包括以下部分：模型箱，所述模型箱具有注水口，可注入并盛放富含微纳米气泡的水体，且模型箱各面使用不同的材质和颜色，最大限度的提高水体中微纳米气泡的成像清晰度；激光器，所述激光器位于所述模型箱的顶部，用于提供观测时需要的片光源；相机和镜头，所述相机和镜头位于所述模型箱的一侧，用于观测水体中微纳米气泡；图片采集及处理模块，所述图片采集及处理模块与所述相机相连，进行图片的采集和处理。
可选地，还包括：激光器支架，所述激光器支架用于固定支撑所述激光器；以及三维可调节支架，所述三维可调节支架用于固定支撑和移动所述相机和镜头。
可选地，所述模型箱为长方体，定义接近所述相机和镜头的为观测面，其他面分别定义为背景面、左侧壁、右侧壁、底面，其中所述观测面使用超白玻璃，其它面使用有机玻璃，所述背景面涂抹成黑色，而所述左侧壁、右侧壁及底面涂抹成白色。
可选地，所述激光器还包括：激光镜片，所述激光镜片将所述激光器发出的光线校正为片状，并且，所述激光器的线宽宽度小于所述相机的景深。
可选地，所述相机为高感光度的CCD相机，所述相机成像的照度大于等于0.00002Lux；镜头为工业缩放镜头，能够对直径为900纳米至60微米之间的气泡成像。
可选地，所述图片采集及处理模块采用软件，通过对气泡图像的像素大小及灰度值进行分析，确定图像内气泡的粒径；通过连续拍摄的多张图像，计算图像中不同气泡的运动速度。
根据本发明实施例的水体中微纳米气泡观测方法，采用本发明提出的水体中微纳米气泡观测系统，包括以下步骤：S1.在所述模型箱中注入富含微纳米气泡的水体；S2.采用所述激光器为所述水体照明，采用所述相机和镜头观测所述水体中的微纳米气泡；以及S3.图片采集及处理模块控制相机和镜头采集图像并进行分析处理，得到微纳米气泡的粒径分布和运动轨迹。
本发明提供一种水体中微纳米气泡的粒径测量及运动观测系统，通过模型箱、激光器、CCD相机、镜头、三维可调节支架及图像处理软件实现对水体中微纳米气泡的粒径及运动速度测量。本发明的水体中微纳米气泡观测系统及方法至少具有如下优点：
本发明的水体中微纳米气泡观测系统及方法的至少具有如下优点：
（1）使用特殊设计的玻璃模型箱进行水体中微纳米气泡观测的思想。玻璃模型箱的观测面使用透光性好的超白玻璃制作，使得相机成像清晰。其它均使用有机玻璃材质。背景面涂抹成黑色，增强气泡与背景的对比效果。其它有机玻璃面均涂抹成白色，增强水体中微纳米气泡的漫反射效果，提高微纳米气泡亮度。材质和颜色的选择最大限度的增加了水体中微纳米气泡的成像清晰度。
（2）使用激光器提供高功率的片状光源，以照亮水体中微纳米气泡的思想。使用最大功率为2W的532nm的激光光源，并在激光出口使用镜片将其光线校正为片状，照亮水体中的某一平面，而不是整个水体，集中了激光能量并避免了气泡重影现象的出现。此外，控制片状激光的线宽在1mm以下，使线宽小于相机景深，避免相机景深外的气泡被照亮以造成在CCD相机上成虚像。
（3）使用高感光度的CCD相机及工业缩放镜头，对水体中的气泡进行成像的思想。微纳米气泡粒径小，对光的反射效果差，因此除提高气泡的亮度外，还需要高感光性的CCD相机。所使用相机最低可在照度0.00002Lux时对物体进行成像。配合使用缩放镜头可实现对900纳米至60微米之间的气泡的成像。
（4）使用三维可调节支架置放相机的思想。通过三维可调节支架，可以实现对观测位置的连续、微细调整，并对焦距进行精确调整。
（5）使用图像处理软件对气泡图像进行分析，以获得气泡的粒径及运动速度思想。通过对气泡图像的像素大小及灰度值进行分析，可以确定图像内气泡的粒径。通过连续拍摄的多张图像，可以计算图像中不同气泡的运动速度。
综上所述，本发明的水体中微纳米气泡观测系统及方法具有简便可行，观测精度高的优点。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明实施例的水体中微纳米气泡观测系统的示意图；
图2是本发明实施例的水体中微纳米气泡观测方法的流程图；
图3是本发明一个具体实施例的模型箱的正面示意图；
图4是本发明一个具体实施例的模型箱的立体示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
本发明涉及到一种用于水体中微纳米气泡观测的系统，可以对水中直径为900纳米到60微米的气泡进行粒径及运动速度的测量。通过模型箱、激光器、CCD相机、镜头、三维可调节支架及图像处理软件实现对水体中微纳米气泡的粒径及运动速度测量。该系统将用于水体中微纳米气泡性质的研究，推动我国水体污染治理工作，为相关科学研究提供实验数据。
如图1所示，根据本发明实施例的水体中微纳米气泡观测系统，包括以下部分：模型箱1，模型箱具有注水口，可注入并盛放富含微纳米气泡的水体，且模型箱各面使用不同的材质和颜色，最大限度的提高水体中微纳米气泡的成像清晰度；激光器2，激光器2位于模型箱1的顶部，用于提供观测时需要的光源；相机4和镜头5，相机4和镜头5位于模型箱1的一侧，用于观测水体中微纳米气泡；图片采集及处理模块7，图片采集及处理模块7与相机4相连，进行图片的采集和处理。
可选地，还包括：激光器支架3，激光器支架3用于固定支撑激光器2；以及三维可调节支架6，三维可调节支架6用于固定支撑和移动相机4和镜头5。将相机4及镜头5置放于三维可调节支架6上，可以实现对观测位置及焦距的连续、微细调整。
可选地，模型箱1为长方体，如图3和图4所示，在模型箱底部及侧壁分别有注入口，直径4mm，注入口的位置如图所示。模型箱1共有五个面，定义其中接近相机4和镜头5的为观测面8，其他面分别定义为背景面9、左侧壁10、右侧壁11、底面12。其中观测面8使用超白玻璃，其它面使用有机玻璃。背景面9涂抹成黑色，而左侧壁10、右侧壁11及底面12涂抹成白色。背景面9涂抹成黑色，增强气泡与背景的对比效果。其它有机玻璃面均涂抹成白色，增强水体中微纳米气泡的漫反射效果，提高微纳米气泡亮度。模型箱1的材质和颜色的选择最大限度的增加了水体中微纳米气泡的成像清晰度。
可选地，激光器2还包括：激光镜片，激光镜片将激光器1发出的光线校正为片状，并且，激光器1的线宽宽度小于相机的景深。在本发明的一个实施例中，使用最大功率为2W的532nm的激光器1，并在激光出口使用镜片将其光线校正为片状，照亮水体中的某一平面，而不是整个水体，集中了激光能量并避免了气泡重影现象的出现。此外，控制片状激光的线宽在1mm以下，使线宽小于相机景深，避免相机景深外的气泡被照亮以造成在相机上成虚像。
可选地，相机的为高感光度的CCD相机，相机成像的照度大于等于0.00002Lux。使用高感光度的CCD相机（最低照度0.00002Lux仍可成像）配合工业缩放镜头，以观测直径为900纳米至60微米之间的气泡。
图片采集及处理模块7通常为工作站、电脑等硬件形式出现，它能将拍摄的图片使用图像处理软件进行粒径及速度的计算处理。
如图2所示，根据本发明实施例的水体中微纳米气泡观测方法，采用本发明提出的水体中微纳米气泡观测系统，包括以下步骤：S1.在模型箱中注入富含微纳米气泡的水体；S2.采用激光器为水体照明，采用相机和镜头观测水体中的微纳米气泡；以及S3.图片采集及处理模块控制相机和镜头采集图像并进行分析处理，得到微纳米气泡的粒径分布和运动轨迹。
综上，本发明的水体中微纳米气泡观测系统及方法的核心思想为：使用玻璃模型箱注入微纳米气泡水，其中玻璃模型箱的观测面使用透光性好的超白玻璃制作，其它均使用有机玻璃。背景面涂抹成黑色，其它有机玻璃面均涂抹成白色，增强水体中微纳米气泡的漫反射效果。使用激光器提供高功率片状光源，照亮水体中的微纳米气泡，使用高感光度的CCD相机配合工业缩放镜头，以观测900纳米至60微米之间的气泡。将相机及镜头置放于三维可调节支架上，实现观测位置及焦距的调整。将拍摄的图片使用图像处理软件进行粒径及速度的计算处理。
本发明的水体中微纳米气泡观测系统及方法的至少具有如下优点：
（1）使用特殊设计的玻璃模型箱进行水体中微纳米气泡观测的思想。玻璃模型箱的观测面使用透光性好的超白玻璃制作，使得相机成像清晰。其它均使用有机玻璃材质。背景面涂抹成黑色，增强气泡与背景的对比效果。其它有机玻璃面均涂抹成白色，增强水体中微纳米气泡的漫反射效果，提高微纳米气泡亮度。材质和颜色的选择最大限度的增加了水体中微纳米气泡的成像清晰度。
（2）使用激光器提供高功率的片状光源，以照亮水体中微纳米气泡的思想。使用最大功率为2W的532nm的激光光源，并在激光出口使用镜片将其光线校正为片状，照亮水体中的某一平面，而不是整个水体，集中了激光能量并避免了气泡重影现象的出现。此外，控制片状激光的线宽在1mm以下，使线宽小于相机景深，避免相机景深外的气泡被照亮以造成在CCD相机上成虚像。
（3）使用高感光度的CCD相机及工业缩放镜头，对水体中的气泡进行成像的思想。微纳米气泡粒径小，对光的反射效果差，因此除提高气泡的亮度外，还需要高感光性的CCD相机。所使用相机最低可在照度0.00002Lux时对物体进行成像。配合使用缩放镜头可实现对900纳米至60微米之间的气泡的成像。
（4）使用三维可调节支架置放相机的思想。通过三维可调节支架，可以实现对观测位置的连续、微细调整，并对焦距进行精确调整。
（5）使用图像处理软件对气泡图像进行分析，以获得气泡的粒径及运动速度思想。通过对气泡图像的像素大小及灰度值进行分析，可以确定图像内气泡的粒径。通过连续拍摄的多张图像，可以计算图像中不同气泡的运动速度。
综上所述，本发明提出的水体中微纳米气泡观测系统及方法具有简便可行，观测精度高的优点。
需要说明的是，流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (7)
1.一种水体中微纳米气泡观测系统，其特征在于，包括以下部分：
模型箱，所述模型箱具有注水口，可注入并盛放富含微纳米气泡的水体，且模型箱各面使用不同的材质和颜色，最大限度的提高水体中微纳米气泡的成像清晰度；
激光器，所述激光器位于所述模型箱的顶部，用于提供观测时需要的片光源；
相机和镜头，所述相机和镜头位于所述模型箱的一侧，用于观测水体中微纳米气泡；
图片采集及处理模块，所述图片采集及处理模块与所述相机相连，进行图片的采集和处理。
2.如权利要求1所述的水体中微纳米气泡观测系统，其特征在于，还包括：
激光器支架，所述激光器支架用于固定支撑所述激光器；以及
三维可调节支架，所述三维可调节支架用于固定支撑和移动所述相机和镜头。
3.如权利要求1所述的水体中微纳米气泡观测系统，其特征在于，所述模型箱为长方体，定义接近所述相机和镜头的为观测面，其他面分别定义为背景面、左侧壁、右侧壁、底面，其中所述观测面使用超白玻璃，其它面使用有机玻璃，所述背景面涂抹成黑色，而所述左侧壁、右侧壁及底面涂抹成白色。
4.如权利要求1所述的水体中微纳米气泡观测系统，其特征在于，所述激光器还包括：激光镜片，所述激光镜片将所述激光器发出的光线校正为片状，并且，所述激光器的激光线宽小于所述相机的景深。
5.如权利要求1所述的水体中微纳米气泡观测系统，其特征在于，所述相机为高感光度的CCD相机，所述相机成像的照度大于等于0.00002Lux；镜头为工业缩放镜头，能够对直径为900纳米至60微米之间的气泡成像。
6.如权利要求1所述的水体中微纳米气泡观测系统，其特征在于，所述图片采集及处理模块采用软件，通过对气泡图像的像素大小及灰度值进行分析，确定图像内气泡的粒径。通过连续拍摄的多张图像，计算图像中不同气泡的运动速度。
7.一种水体中微纳米气泡观测方法，其特征在于，采用如权利要求1-6任一项所述的水体中微纳米气泡观测系统，包括以下步骤：
S1.在所述模型箱中注入富含微纳米气泡的水体；
S2.采用所述激光器为所述水体照明，采用所述相机和镜头观测所述水体中的微纳米气泡；以及
S3.图片采集及处理模块控制相机和镜头采集图像并进行分析处理，得到微纳米气泡的粒径分布和运动轨迹。
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