CN105158124B - 气泡图像原位采集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气泡图像原位采集装置，包括搭载支架以及悬挂吊装在所述搭载支架上的光源组件、光线散射组件和光电成像组件；所述光源组件、光线散射组件和光电成像组件的中心轴线重合，且光线散射组件位于所述光源组件和光电成像组件之间；在所述搭载支架上安装有用于连接吊放装置的吊放扣，通过吊放装置将所述气泡图像原位采集装置吊放至待测水域中进行原位采样。本发明的气泡图像原位采集装置结构简单，成本低廉，既可以适应实验室环境，又可以在待测水域进行原位测量，限制条件少，通用性强，可以为准确计算气体在待测水域中的体积及其形状特征等参数提供技术上的支持，实时性强，适合在科研、教学、海水监测等领域中广泛应用。
Description
技术领域
本发明属于水样检测技术领域，具体地说，是涉及一种用于对溶解在液体样品中的气泡进行原位采集的装置。
背景技术
海洋、江河、湖泊的流动会产生大量的气泡，水下生物的呼吸、扰动也会产生大量的气泡，气泡的生成在一定程度上会影响到海洋、江河、湖泊与外界环境的变化。气泡在水中存活的时间一般在数秒到数百秒之间，它的主要成分是空气，包括O2、部分CO2和少量的CO、SO2 、CH4以及碳氟化合物等有毒气体。研究气泡的特性在流体动力学和物质交换、环境噪音、地球物理学、化学工程应用、生物制药、废水处理和环境科学等方面都有重要的作用。
海洋、江河、湖泊中的气泡主要是由波浪破碎产生的，其直径一般不超过毫米级，所以形状基本近似圆形，通常采用声散射方法或者光学投影方法来检测气泡的分布和粒径尺寸。其中，在采用声散射方法对气泡参数进行检测的过程中，所需使用的设备结构相对简单，检测方便，但受环境噪声影响比较大，检测精度低，在解决流场中气泡的空间分布（如速度和粒径等）问题时，很难达到良好的效果。光学投影方法是目前用来研究气泡参数的主要方法，其检测设备相对复杂，成本高，但是成像精度高，可以获得很清晰的气泡图像。
目前，基于光学投影方法设计的气泡检测装置仅适用于实验室环境，需要将待测水域的水样提取上来，转移至岸上或船上进行气泡参数的相关检测。其缺点是：水样在提取的过程中，溶解在水样中的气体会发生各种损失，继而导致测量结果的不准确。因此，急需开发原位探测技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、成本低廉的气泡图像原位采集装置，利用光学投影的原理，可以对溶解在待测水域中的气泡图像实现原位采集。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种气泡图像原位采集装置，包括搭载支架以及悬挂吊装在所述搭载支架上的光源组件、光线散射组件和光电成像组件；所述光源组件、光线散射组件和光电成像组件的中心轴线重合，且光线散射组件位于所述光源组件和光电成像组件之间；在所述搭载支架上安装有用于连接吊放装置的吊放扣，通过吊放装置将所述气泡图像原位采集装置吊放至待测水域中进行原位采样。
作为所述光源组件的一种优选结构设计，在所述光源组件中设置有密封舱体，在所述密封舱体中设置有电路支架，在所述电路支架上安装有光源和光源调制电路，所述光源调制电路调节所述光源的发光强度。
进一步的，在所述光源调制电路中设置有电压转换电路、主控单元、通信电路和连接所述光源的恒流源驱动电路；所述电压转换电路接收岸边或者船舶提供的供电电源，并对所述供电电源进行电压转换后，输出至主控单元、恒流源驱动电路和通信电路；所述通信电路与上位机通信，接收控制信号并传输至所述的主控单元，所述主控单元根据接收到的控制信号调节其输出至恒流源驱动电路的PWM信号的占空比，进而通过恒流源驱动电路调整所述光源的发光强度。
为了达到节约能源，提高光源发光强度的设计目的，本发明优选使用多个LED灯珠组成所述的光源，以进一步起到缩小装置整体尺寸的作用。
优选的，所述密封舱体包括呈圆筒状的外壳以及安装在外壳两端的端盖，所述外壳横置，在与所述光线散射组件相邻的一侧端盖上安装有透明玻璃，以使光源发出的光线能够透射出来，照射待测水样。
作为所述光线散射组件的一种优选结构设计，在所述光线散射组件中设置有支撑框架以及安装在所述支撑框架中的磨砂玻璃，通过所述磨砂玻璃对光源发出的光线进行散射，以使照射待测水样的光线均匀。
为了获得更加理想的散射效果，本发明在所述支撑框架中优选安装多片相同规格的磨砂玻璃，所述磨砂玻璃的粗糙度在6-6.5之间，光洁度优选为▽4。
作为所述光电成像组件的一种优选结构设计，在所述光电成像组件中设置有密封舱体以及安装在所述密封舱体中的支架，在所述支架上安装有光电成像器件和电压转换电路，所述电压转换电路接收岸边或者船舶提供的供电电源，并对所述供电电源进行电压转换后，输出至所述的光电成像器件；所述光电成像器件将采集到的图像数据上传至上位机。
优选的，所述密封舱体包括呈圆筒状的壳体以及安装在壳体两端的端盖，所述壳体横置，在与所述光线散射组件相邻的一侧端盖上安装有透明玻璃，以使光电成像器件能够拍摄到待测水样中的气泡图像。
作为所述搭载支架的一种优选结构设计，所述搭载支架包括搭载杆、吊放杆、支撑杆和底座；所述光源组件、光线散射组件和光电成像组件通过固定夹安装在搭载杆上；所述吊放杆位于搭载杆的上方，其上安装所述的吊放扣；所述支撑杆包括两根，位于搭载杆的下方，其上部与搭载杆的两端对应连接，底部连接所述的底座，所述底座为矩形框架结构；在所述支撑杆的上部、位于搭载杆的两端还可以设置挂载扣，将所述挂载扣通过绳索连接浮球，通过浮球产生的浮力可以将所述气泡图像原位采集装置下放至待测深度的水域进行气泡采集。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的气泡图像原位采集装置结构简单，成本低廉，既可以适应实验室环境，又可以在待测水域进行原位测量，限制条件少，通用性强，可以为准确计算气体（气泡）在待测水域中的体积及其形状特征等参数提供技术上的支持，测量结果准确、实时性强，适合在科研、教学、海水监测等领域中广泛应用。
结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1是本发明所提出的气泡图像原位采集装置的一种实施例的整体结构示意图；
图2是本发明所提出的气泡图像原位采集装置的一种实施例的系统电路原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细地描述。
参见图1所示，本实施例的气泡图像原位采集装置主要由搭载支架1、光源组件2、光线散射组件3和光电成像组件4等部分组成。其中，搭载支架1作为整个装置的支撑部件，优选设计成框架式结构，以减少用料，减轻装置重量，降低成本。将所述光源组件2、光线散射组件3和光电成像组件4悬挂吊装在所述的搭载支架1上，并在所述搭载支架1上安装吊放扣15，因而可以通过吊放扣15安装吊放装置，继而通过吊放装置将所述的气泡图像原位采集装置下放到待测水域，对待测水域中的气泡图像进行原位采集，以提高测量精度。
为了能够准确地采集到待测水样中的气泡图像，在搭载支架1上安装所述光源组件2、光线散射组件3和光电成像组件4时，应调节所述光源组件2、光线散射组件3和光电成像组件4的中心轴线重合，以获取清晰的气泡图像。
为了使所述的气泡图像原位采集装置既可以适应实验室环境，又可以在待测水域执行原位采集任务，本实施例在所述搭载支架1中设计有搭载杆11、吊放杆12、支撑杆13和底座14，如图1所示。其中，搭载杆11用于悬挂所述的光源组件2、光线散射组件3和光电成像组件4，具体可以采用固定夹17将所述的光源组件2、光线散射组件3和光电成像组件4固定安装在搭载杆11上。吊放杆12位于搭载杆11的上方，优选与搭载杆11形成三角形结构，其上安装所述的吊放扣15，吊放装置通过提拉所述的吊放杆12吊放所述的气泡图像原位采集装置。支撑杆13包括两根，位于搭载杆11的下方，用于将搭载杆11支撑固定在底座14的上方。其中，将两根支撑杆13的上部与搭载杆11的两端对应连接，底部连接所述的底座14，将底座14设计成矩形框架结构，在实验室环境中使用时，可以通过底座14将整个气泡图像原位采集装置摆放至实验台上，进行实验，由此便扩展了气泡图像原位采集装置的应用环境。
当需要使用浮球5将气泡图像原位采集装置停置于待测水域中时，可以在支撑杆13的上部安装挂载扣16，两个挂载扣16优选分置于搭载杆11的两端，如图1所示。当需要挂接浮球5时，利用绳索19（例如尼龙绳）两端的卸扣18分别连接挂载扣16和浮球5，利用两个浮球5产生的浮力也可以将所述气泡图像原位采集装置投放至待测水域，通过调节绳索19的长度，可以使该装置到达并停留在所要求的深度，以进行气泡图像的原位采集。
由于水下光线不足，为了摄取到清晰的气泡图像，需要对待测水域进行光照，以提高待测水域的亮度。为此，本实施例在光源组件2中设置了光源和光源调制电路，通过所述光源调制电路调节所述光源的发光强度，以适应不同亮度的检测环境。
为了使所述光源组件2能够适应水下工作环境，在所述光源组件2中还设置有密封舱体，具体可以由呈圆筒状的外壳21以及安装在所述外壳21两侧的两个端盖22组装而成，形成密闭的腔体。所述外壳21和端盖22优选采用不锈钢材料制成。将所述密封舱体横置，其中设置电路支架，将所述光源和光源调制电路安装在所述的电路支架上。为了使通过光源发出的光束能够从所述的密封舱体中透射出来，照射待测水样，本实施例在邻近光线散射组件3一侧的端盖22上安装透明玻璃23，例如石英玻璃，使光源发出的光束透过所述透明玻璃23照射到光线散射组件3上。
为了对光源的发光亮度进行调节，本实施例在所述光源调制电路中具体设置有电压转换电路、主控单元、通信电路和恒流源驱动电路，如图2所示。其中，电压转换电路通过电源线缆连接供电电源VCC，所述供电电源VCC可以由投放所述气泡图像原位采集装置的船舶或者岸边的电源提供，例如48V的直流电源，通过电压转换电路转换成主控单元、通信电路和恒流源驱动电路所需的工作电源，例如24V的直流电源，为所述的主控单元、通信电路和恒流源驱动电路供电。所述通信电路作为水上的上位机与水下的气泡图像原位采集装置之间的数据接口电路，一方面通过信号线缆连接上位机，具体可以连接至上位机中的系统控制单元，或者采用无线通信的方式与上位机进行数据的无线传输，以接收系统控制单元发出的控制指令，例如光源亮度的调节指令。在本实施例中，优选将所述通信电路设计成串口通信电路，以串口通信的方式与上位机进行数据通讯。所述通信电路将接收到的控制指令传输至主控单元，所述主控单元根据接收到的控制指令调节其输出的PWM信号的占空比，对恒流源驱动电路输出的驱动电源进行调节，继而实现调节光源发光强度的功能。
为了尽量减小装置的整体尺寸，所述光源优选使用LED光源，例如可以采用多个LED灯珠组成所述的LED光源，发射可见光，并同时起到节能、降低光源工作温度的作用。
由于通过LED光源发出的光束无法均匀地照射待测水样，为此，本实施例在所述光源组件2与光电成像组件4之间设置了光线散射组件3，具体包括支撑框架31和磨砂玻璃32，如图1所示。所述支撑框架31优选采用不锈钢材料制成，内部安装所述的磨砂玻璃32。所述磨砂玻璃32可以布设一块，也可以布设多块，块数可调，具体可以根据数据采集环境的实际需要确定。在本实施例中，所述磨砂玻璃32优选布设多块，规格相同或者不同，叠放在所述的支撑框架31中，对光源发出的光束进行均匀散射。
在本实施例中，所述磨砂玻璃32的粗糙度可以在6-6.5之间取值，优选采用粗糙度为6.3、光洁度为▽4的磨砂玻璃32，对LED光源发出的光束进行散射，以均匀地照射待测水样。
在所述光电成像组件4中设置有密封舱体，所述密封舱体优选由壳体41和两个端盖42组装而成，如图1所示。其中，所述壳体41优选采用不锈钢材料制成圆筒状，将所述圆筒状的壳体41横置，两端加装端盖42，以形成封闭的腔室。在两个所述的端盖42中，选择与所述光线散射组件3相邻的一侧端盖42上加装透明玻璃，例如石英玻璃，以便于光电成像器件摄取到待测水样中的气泡图像。
在所述密封舱体中安装支架，所述支架优选采用有机玻璃制成。支架上安装光电成像器件和电压转换电路，所述电压转换电路用于接收船舶或者岸边提供的供电电源VCC，例如48V的直流电源，并转换成光电成像器件所需的工作电源，例如24V的直流电源，为所述的光电成像器件供电，结合图2所示。
在本实施例中，所述光电成像器件优选采用高分辨率的工业相机和高分辨率的镜头组成，用于获取待测水样中气泡的原位图像，并生成图像数据，通过数据线缆上传至上位机。所述上位机利用其数据获取与处理单元对接收到的图像数据进行处理和分析，计算出气泡的物理参数，并可为用户提供图形化的统计结果。
当然，为了达到远程监控的目的，也可以在光源组件2和光电成像组件4中内置无线通信模块，采用无线通信的方式实现控制指令以及图像数据的无线传输。对于光源组件2和光电成像组件4中各用电负载所需的工作电源，则可以采用内置电池的方式进行独立供电。
当然，以上所述仅是本发明的一种优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种气泡图像原位采集装置，其特征在于：包括搭载支架以及悬挂吊装在所述搭载支架上的光源组件、光线散射组件和光电成像组件；所述光源组件、光线散射组件和光电成像组件的中心轴线重合，且光线散射组件位于所述光源组件和光电成像组件之间；在所述光线散射组件中设置有支撑框架以及多片磨砂玻璃，所述多片磨砂玻璃规格相同，叠放在所述支撑框架中；在所述搭载支架上安装有用于连接吊放装置的吊放扣，通过吊放装置将所述气泡图像原位采集装置吊放至待测水域中进行原位采样；在所述搭载支架中设置有底座，所述底座为矩形框架结构，用于将所述气泡图像原位采集装置摆放至实验台上进行实验室采样；
在所述光源组件中设置有光源和光源调制电路，所述光源由多个LED灯珠组成，所述光源调制电路调节所述光源的发光强度；在所述光源调制电路中设置有电压转换电路、主控单元、通信电路和连接所述光源的恒流源驱动电路；所述电压转换电路接收岸边或者船舶提供的供电电源，并对所述供电电源进行电压转换后，输出至主控单元、恒流源驱动电路和通信电路；所述通信电路与上位机通信，接收控制信号并传输至所述的主控单元，所述主控单元根据接收到的控制信号调节其输出至恒流源驱动电路的PWM信号的占空比，进而通过恒流源驱动电路调整所述光源的发光强度。
2.根据权利要求1所述的气泡图像原位采集装置，其特征在于：在所述光源组件中设置有密封舱体，在所述密封舱体中设置有电路支架，在所述电路支架上安装所述的光源和光源调制电路。
3.根据权利要求2所述的气泡图像原位采集装置，其特征在于：所述密封舱体包括呈圆筒状的外壳以及安装在外壳两端的端盖，所述外壳横置，在与所述光线散射组件相邻的一侧端盖上安装有透明玻璃。
4.根据权利要求1所述的气泡图像原位采集装置，其特征在于：所述多片磨砂玻璃的粗糙度在6-6.5之间，光洁度为▽4。
5.根据权利要求1所述的气泡图像原位采集装置，其特征在于：在所述光电成像组件中设置有密封舱体以及安装在所述密封舱体中的支架，在所述支架上安装有光电成像器件和电压转换电路，所述电压转换电路接收岸边或者船舶提供的供电电源，并对所述供电电源进行电压转换后，输出至所述的光电成像器件；所述光电成像器件将采集到的图像数据上传至上位机。
6.根据权利要求5所述的气泡图像原位采集装置，其特征在于：所述密封舱体包括呈圆筒状的壳体以及安装在壳体两端的端盖，所述壳体横置，在与所述光线散射组件相邻的一侧端盖上安装有透明玻璃。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的气泡图像原位采集装置，其特征在于：所述搭载支架还包括搭载杆、吊放杆和支撑杆；所述光源组件、光线散射组件和光电成像组件通过固定夹安装在搭载杆上；所述吊放杆位于搭载杆的上方，其上安装所述的吊放扣；所述支撑杆包括两根，位于搭载杆的下方，其上部与搭载杆的两端对应连接，底部连接所述的底座；在所述支撑杆的上部、位于搭载杆的两端的位置处还设置有挂载扣，所述挂载扣通过绳索连接浮球。
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