CN104880487A - 一种基于图像识别的纤维表面Zeta电位测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明基于图像识别的纤维表面Zeta电位测量方法及装置，所述方法根据带电粒子的运动灰度图像构造带电粒子运动界面的Level-Set方程；利用高精度的紧致差分方法进行离散求解，得到带电粒子的准确位置；根据带电粒子的位置，计算在曝光时间内带电粒子的运动位移，从而计算得到粒子的电渗速度；进一步根据Helmholtz-Smoluchowski电渗速度公式计算得到带电粒子的Zeta电位。本发明能够获取带电粒子精确位置、分辨率高，因此能够进一步减小测得的Zeta电位误差。

Description

一种基于图像识别的纤维表面Zeta电位测量方法及装置

技术领域

本发明涉及Zeta电位测量领域，更具体地，涉及一种基于图像识别的纤维表面Zeta电位测量方法及装置。

背景技术

现有技术中，通过测定流动电位来计算其相应的Zeta电位得到了最为广泛的重视。目前，国内外大多采用的是利用电解质溶液产生的流动电位，进而根据经典的Helmholtz-Smoluchowski方程得到表面Zeta电位。鉴于其制备简单、操作方便所以得到了较为广泛的使用。现有技术的缺陷在于获取的粒子位置不够精确，分辨率低，因此得到的Zeta电位也存在着较大的误差。

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。

本发明的首要目的是克服现有技术获取的粒子位置不够精确、分辨率低、测得的Zeta电位误差大的缺陷，提供一种能够获取带电粒子精确位置、分辨率高、测得的Zeta电位误差小的基于图像识别的纤维表面Zeta电位测量方法。

本发明的进一步目的是提供一种能够获取带电粒子精确位置、分辨率高、测得的Zeta电位误差小的基于图像识别的纤维表面Zeta电位测量装置。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种基于图像识别的纤维表面Zeta电位测量方法，所述方法包括以下步骤：

S1：采集带电粒子不同时刻的灰度图像；

S2：根据带电粒子的运动灰度图像构造带电粒子运动界面的Level-Set方程；

S3：对Level-Set方程重新初始化后利用高精度的紧致差分方法进行离散求解，得到带电粒子的准确位置；

S4：根据带电粒子的位置，计算在曝光时间内带电粒子的运动位移，从而计算得到粒子的电渗速度；

S4：根据Helmholtz-Smoluchowski电渗速度公式计算得到带电粒子的Zeta电位，Helmholtz-Smoluchowski电渗速度公式为：

$u=-\frac{\mathrm{\ζ\ϵ}{E}_x}{\mathrm{\μ}}$

带电粒子的Zeta电位为：

$\mathrm{\ζ}=-\frac{\mathrm{\μu}}{\mathrm{\ϵ}{E}_x}$

其中：ζ表示带电粒子的Zeta电位，μ表示粘度系数，u表示电渗速度，ε表示介电常数，E_x表示外加电场强度。

在一种优选的方案中，步骤S1中，采集带电粒子的运动灰度图像的方法为：电动驱动含带电粒子的流体进行运动，对带电粒子进行荧光示踪，利用显微成像观测带电粒子的位置，根据带电粒子运动速度大小选择曝光时间，拍照采集带电粒子的灰度图像，得到不同时刻的灰度图像即为运动灰度图像。

步骤S3中，Level-Set方法是把随时间运动的物质界面看作某个函数φ(x,t)的零等值面，即构造函数φ(x,t)，使得在任意时刻，运动界面Γ(t)恰是φ(x,t)的零等值面。由于在任意时刻t，φ(x,t)的零等值面就是活动界面，所以函数φ(x,t)满足此式即为Level-Set方程。

对Level-Set方程在时间方向采用Runge-Kutta方法离散，在空间采用紧致差分离散。五阶精度的紧致差分格式为其中

$v_i{F}_i=\frac{v_i+\left|v_i\right|}{2}{F_i}^{+}+\frac{v_i-\left|v_i\right|}{2}{F_i}^{-}$

$\frac{3}{5}{F_i}^{+}+\frac{2}{5}{F}_{i-1}^{+}=\frac{1}{60}{\mathrm{\σ}}_x^{-}({-\mathrm{\φ}}_{i+2}+{11\mathrm{\φ}}_{i+1}+{47\mathrm{\φ}}_i+{3\mathrm{\φ}}_{i-1})$

$\frac{3}{5}{F_i}^{-}+\frac{2}{5}{F}_{i+1}^{-}=\frac{1}{60}{\mathrm{\σ}}_x^{+}({-\mathrm{\φ}}_{i-2}+{11\mathrm{\φ}}_{i-1}+{47\mathrm{\φ}}_i+{3\mathrm{\φ}}_{i+1})$

其中，和分别为一阶导数的向前、向后差分算子，根据上述方法对Level-Set方程离散求解得到带电粒子的运动界面，即可确定带电粒子的准确位置。

一种基于图像识别的纤维表面Zeta电位测量装置，所述装置包括：

电动驱动装置：用于驱动含带电粒子的流体进行运动；

显微成像装置：用于显微成像，观测带电粒子的位置；

图像传感器：用于拍照采集带电粒子的灰度图像，得到不同时刻的灰度图像即为运动灰度图像；

计算机：与图像传感器连接，用于根据带电粒子不同时刻的灰度图像计算得到带电粒子的Zeta电位。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明基于图像识别的纤维表面Zeta电位测量方法，根据带电粒子的运动灰度图像构造带电粒子运动界面的Level-Set方程；利用高精度的紧致差分方法进行离散求解，得到带电粒子的准确位置；根据带电粒子的位置，计算在曝光时间内带电粒子的运动位移，从而计算得到粒子的电渗速度；进一步根据Helmholtz-Smoluchowski电渗速度公式计算得到带电粒子的Zeta电位。本发明能够获取带电粒子精确位置、分辨率高，因此能够进一步减小测得的Zeta电位误差。

本发明基于图像识别的纤维表面Zeta电位测量装置包括电动驱动装置、显微成像装置、图像传感器和计算机，操作简单、成本低廉，本装置是上述方法实现的基础，所述方法和系统结合完成了能够获取带电粒子精确位置、分辨率高且测得的Zeta电位误差小的纤维表面Zeta电位测量。

附图说明

图1为本发明Zeta电位测量装置的示意图。

图2为本发明Zeta电位测量方法的流程图。

其中：1、带电粒子；2、电动驱动装置；3、显微成像装置；4、图像传感器；5、计算机。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

一种基于图像识别的纤维表面Zeta电位测量装置，所述装置包括：

电动驱动装置2：用于驱动含带电粒子1的流体进行运动；

显微成像装置3：用于显微成像，观测带电粒子1的位置；

图像传感器4：用于拍照采集带电粒子1的灰度图像，得到不同时刻的灰度图像即为运动灰度图像；

计算机5：与图像传感器4连接，用于根据带电粒子1不同时刻的灰度图像计算得到带电粒子1的Zeta电位。

一种基于图像识别的纤维表面Zeta电位测量方法，所述方法包括以下步骤：

S1：采集带电粒子不同时刻的灰度图像；

S2：根据带电粒子的运动灰度图像构造带电粒子运动界面的Level-Set方程；

S3：对Level-Set方程重新初始化后利用高精度的紧致差分方法进行离散求解，得到带电粒子的准确位置；

S4：根据带电粒子的位置，计算在曝光时间内带电粒子的运动位移，从而计算得到粒子的电渗速度；

S4：根据Helmholtz-Smoluchowski电渗速度公式计算得到带电粒子的Zeta电位，Helmholtz-Smoluchowski电渗速度公式为：

$u=-\frac{\mathrm{\ζ\ϵ}{E}_x}{\mathrm{\μ}}$

带电粒子的Zeta电位为：

$\mathrm{\ζ}=-\frac{\mathrm{\μu}}{\mathrm{\ϵ}{E}_x}$

其中：ζ表示带电粒子的Zeta电位，μ表示粘度系数，u表示电渗速度，ε表示介电常数，E_x表示外加电场强度。

在具体实施过程中，步骤S1中，采集带电粒子的运动灰度图像的方法为：电动驱动含带电粒子的流体进行运动，对带电粒子进行荧光示踪，利用显微成像观测带电粒子的位置，根据带电粒子运动速度大小选择曝光时间，拍照采集带电粒子的灰度图像，得到不同时刻的灰度图像即为运动灰度图像。

步骤S3中，Level-Set方法是把随时间运动的物质界面看作某个函数φ(x,t)的零等值面，即构造函数φ(x,t)，使得在任意时刻，运动界面Γ(t)恰是φ(x,t)的零等值面。由于在任意时刻t，φ(x,t)的零等值面就是活动界面，所以函数φ(x,t)满足此式即为Level-Set方程。

对Level-Set方程在时间方向采用Runge-Kutta方法离散，在空间采用紧致差分离散。五阶精度的紧致差分格式为其中

$v_i{F}_i=\frac{v_i+\left|v_i\right|}{2}{F_i}^{+}+\frac{v_i-\left|v_i\right|}{2}{F_i}^{-}$

$\frac{3}{5}{F_i}^{+}+\frac{2}{5}{F}_{i-1}^{+}=\frac{1}{60}{\mathrm{\σ}}_x^{-}({-\mathrm{\φ}}_{i+2}+{11\mathrm{\φ}}_{i+1}+{47\mathrm{\φ}}_i+{3\mathrm{\φ}}_{i-1})$

$\frac{3}{5}{F_i}^{-}+\frac{2}{5}{F}_{i+1}^{-}=\frac{1}{60}{\mathrm{\σ}}_x^{+}({-\mathrm{\φ}}_{i-2}+{11\mathrm{\φ}}_{i-1}+{47\mathrm{\φ}}_i+{3\mathrm{\φ}}_{i+1})$

其中，和分别为一阶导数的向前、向后差分算子，根据上述方法对Level-Set方程离散求解得到带电粒子的运动界面，即可确定带电粒子的准确位置。

本发明基于图像识别的纤维表面Zeta电位测量方法，根据带电粒子的运动灰度图像构造带电粒子运动界面的Level-Set方程；利用高精度的紧致差分方法进行离散求解，得到带电粒子的准确位置；根据带电粒子的位置，计算在曝光时间内带电粒子的运动位移，从而计算得到粒子的电渗速度；进一步根据Helmholtz-Smoluchowski电渗速度公式计算得到带电粒子的Zeta电位。本发明能够获取带电粒子精确位置、分辨率高，因此能够进一步减小测得的Zeta电位误差。

本发明基于图像识别的纤维表面Zeta电位测量装置包括电动驱动装置、显微成像装置和计算机，操作简单、成本低廉，本装置是上述方法实现的基础，所述方法和系统结合完成了能够获取带电粒子精确位置、分辨率高且测得的Zeta电位误差小的纤维表面Zeta电位测量。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于图像识别的纤维表面Zeta电位测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1：采集带电粒子不同时刻的灰度图像；

S2：根据带电粒子的运动灰度图像构造带电粒子运动界面的Level-Set方程；

S3：对Level-Set方程重新初始化后利用紧致差分方法进行离散求解，得到带电粒子的位置；

S4：根据带电粒子的位置，计算在曝光时间内带电粒子的运动位移，从而计算得到粒子的电渗速度；

S4：根据Helmholtz-Smoluchowski电渗速度公式计算得到带电粒子的Zeta电位，Helmholtz-Smoluchowski电渗速度公式为：

$u=-\frac{\mathrm{\ζ\ϵ}{E}_x}{\mathrm{\μ}}$

带电粒子的Zeta电位为：

$\mathrm{\ζ}=-\frac{\mathrm{\μu}}{\mathrm{\ϵ}{E}_x}$

其中：ζ表示带电粒子的Zeta电位，μ表示粘度系数，u表示电渗速度，ε表示介电常数，E_x表示外加电场强度。

2.根据权利要求1所述的基于图像识别的纤维表面Zeta电位测量方法，其特征在于，步骤S1中，采集带电粒子的运动灰度图像的方法为：电动驱动含带电粒子的流体进行运动，对带电粒子进行荧光示踪，利用显微成像观测带电粒子的位置，根据带电粒子运动速度大小选择曝光时间，拍照采集带电粒子的灰度图像，得到不同时刻的灰度图像即为运动灰度图像。

3.一种基于图像识别的纤维表面Zeta电位测量装置，其特征在于，所述装置包括：

电动驱动装置：用于驱动含带电粒子的流体进行运动；

显微成像装置：用于显微成像，观测带电粒子的位置；

图像传感器：用于拍照采集带电粒子的灰度图像，得到不同时刻的灰度图像即为运动灰度图像；

计算机：与图像传感器连接，用于根据带电粒子不同时刻的灰度图像计算得到带电粒子的Zeta电位。