CN111323360B - 液体中颗粒物的图像采集设备及检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了液体中颗粒物的图像采集设备及检测装置，所述图像采集设备包括测液容器、光源以及拍摄设备。测液容器用于容置具有颗粒物的液体，液体在测液容器内沿特定流动方向进行流动；光源用于对液体进行照射，以使液体内的颗粒物发生光散射；拍摄设备用于拍摄液体内发生光散射的颗粒物的图像，光轴方向与所述特定流动方向重合，避免了颗粒物在流动方向上的速度过快而造成图像出现拖尾模糊的问题，减少了该采集设备受到拖尾模糊的影响从而能提升颗粒物的流动速度，提高成像通量，提高检测效率。其暗场成像方式能提高颗粒物图像的对比度和信噪比，并且其基于对流体中的颗粒物进行成像，有着不受颗粒物种类影响且适应扰动大的外界环境的优点。

Description

液体中颗粒物的图像采集设备及检测装置

技术领域

本发明涉及液体中颗粒物的检测技术领域，尤其涉及液体中颗粒物的图像采集设备及检测装置。

背景技术

光学成像方法以其非接触性和能够快速得到颗粒物的高分辨率图像的特点，在液体中的浮游生物、小型水生物以及微塑料等颗粒物研究上具有广阔的应用前景。

现有技术中，液体中颗粒物的检测设备常常采用流式显微成像系统一类的光学成像系统，通过设置透光的样品流通池以供带有颗粒物的液体在样品流通池中进行流动，并设置光源从照射样品流通池的一侧射入光线，使通过样品流通池内的液体的光线进入摄像机中进行成像，再利用计算机等图像分析设备对摄像机拍摄的图像进行分析即可获取对应颗粒物的信息。其中，在样品流动池中的液体位于摄像机的物方焦平面上，且液体的流动方向平行于摄像机的物方焦平面。因此，当样品流动池中液体的流速过快时，颗粒物对应地在摄像机的物方焦平面上的位移速度过快，很容易使得摄像机获取的图像出现颗粒物的拖尾模糊现象，使得图像分析设备无法正确地解析颗粒物的信息。而若对液体的流速进行限制，则会由于通量过低而降低了检测设备的工作效率，难以对大量的液体进行解析。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供液体中颗粒物的图像采集设备及检测装置，来解决上述问题。

为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种液体中颗粒物的图像采集设备，所述图像采集设备包括：测液容器、光源以及拍摄设备，其中，所述测液容器，用于容置具有颗粒物的液体，液体在所述测液容器内沿特定流动方向进行流动；所述光源用于对液体进行照射，以使液体内的颗粒物发生光散射；所述拍摄设备，所述拍摄设备的光轴方向与所述特定流动方向重合，所述拍摄设备用于拍摄液体内发生光散射的颗粒物的图像。

优选地，所述测液容器包括暂存管和设置于所述暂存管内的进样管，所述进样管的底端与所述暂存管的底端之间具有预定距离，所述进样管的底端开放，以与所述暂存管连通；其中，液体经由所述进样管的底端流入到所述暂存管。

优选地，所述光源的光线中心面与所述拍摄设备的物方焦平面重合。

优选地，所述光源所发出光束的底端所在平面与所述进样管的底端所在平面重合。

优选地，所述图像采集设备还包括与所述测液容器连通的供液容器，所述供液容器用于向所述测液容器提供具有颗粒物的液体。

优选地，所述图像采集设备还包括与所述供液容器的底端连通的压力泵以及与所述压力泵连通的增液容器，所述压力泵用于将所述增液容器内的液体注射至所述供液容器内。

优选地，所述图像采集设备还包括：负压泵和与所述测液容器的底端连通的废液容器，所述负压泵与所述废液容器连通，以调节所述废液容器内的气压。

优选地，所述废液容器包括多个子废液容器，所述多个子废液容器彼此连通。

优选地，所述拍摄设备包括远心镜头，所述远心镜头的景深在所述光源于所述特定流动方向上的光照范围内。

本发明还提供了一种液体中颗粒物的检测装置，所述检测装置包括图像分析设备以及如上所述的图像采集设备，所述图像分析设备用于接收所述拍摄设备拍摄的颗粒物的图像，并根据所述颗粒物的图像进行分析。

本发明提供的液体中颗粒物的图像采集设备及检测装置，通过设置测样容器使作为样品的液体在其内沿特定流动方向进行流动，并设置光源照射液体中的颗粒物来使颗粒物发生光散射，以光轴方向与所述特定流动方向重合的拍摄设备采集发生光散射的颗粒物的图像，以供图像分析设备进行分析。其有效地解决了颗粒物在流动方向上的速度过快而造成颗粒物的图像出现拖尾模糊的问题，进而使得利用该图像采集设备进行颗粒物的图像采集时，可以不受该条件限制地提升颗粒物的流动速度，以提高成像通量，提高检测效率，节省检测时间。同时，上述方案利用暗场成像有利于提高获取的颗粒物图像的对比度和信噪比，并且基于对流体中的颗粒物进行成像，有着不受液体中颗粒物种类影响以及可适应外界扰动大的环境的优点。

附图说明

图1是本发明实施例提供的液体中颗粒物的图像采集设备的结构示意图；

图2是所述图像采集设备中一侧的光源对测液容器中的液体进行照射的示例性光路图；

图3是所述光源的示例性布局图；

图4是所述废液容器中的子废液容器的示例性连接图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了关系不大的其他细节。

参阅图1和图2所示，本实施例提供了一种液体中颗粒物的图像采集设备，所述图像采集设备包括测液容器1、光源2以及拍摄设备3。

其中，所述测液容器1用于容置具有颗粒物的液体，液体在所述测液容器1内沿特定流动方向进行流动；

所述光源2用于对液体进行照射，以使液体内的颗粒物发生光散射；

所述拍摄设备3的光轴方向与所述特定流动方向重合，所述拍摄设备3用于拍摄液体内发生光散射的颗粒物的图像。

本发明实施例提供的一种液体中颗粒物的图像采集设备，利用暗场照明成像的原理，使测液容器1中作为样品的液体沿特定流动方向进行流动的过程中，液体中的颗粒物流经所述光源2的光照范围时发生光散射，并通过拍摄设备3采集发生光散射的颗粒物的图像，以供相应的计算机等图像分析设备7对图像进行分析，获得液体中颗粒物的形状、尺寸、浓度以及粒径分布等信息。相较于现有技术中明场成像的方案，所述图像采集设备基于暗场成像的原理，不仅能获取颗粒物的纹理以及鞭毛等图像细节信息，还具备有利于提高获取的颗粒物图像的对比度和信噪比的优势。而且重要的是，由于所述图像采集设备的拍摄设备3的光轴方向与所述特定流动方向重合，即颗粒物随液体沿拍摄设备3的光轴方向上进行流动，可以避免拍摄图像出现颗粒物因速度过大而产生颗粒物处的拖尾模糊现象，进而可以不受该因素限制提升颗粒物的流动速度，能使所述图像采集设备的成像通量大幅提升，快速获取大体积液体中所有颗粒物高质量的图像。

所述图像采集设备适用于500μm～20mm粒径范围的颗粒物，所述图像采集设备基于流体成像的原理还具有不受液体中颗粒物种类影响的优点，其不仅能对没有游动能力的悬浮颗粒进行成像，还能对游动能力较强的活体浮游生物进行成像，另外，其无需等待颗粒物沉降至测液容器的底部来采集图像，外界干扰对所述图像采集设备的正常工作的影响较小，使所述图像采集设备能适用于浮排、科考船等现场环境。

具体地，所述测液容器1包括暂存管12和设置于所述暂存管12内的进样管11，所述进样管11的底端与所述暂存管12的底端之间具有预定距离，所述进样管11的底端开放，以与所述暂存管12连通；其中，液体经由所述进样管11的底端流入到所述暂存管12。利用所述测液容器1中的暂存管12套设于进样管11上的结构，使得液体从所述进样管11的底端流出后，能在暂存管12的底端的阻挡下，从所述暂存管12的底端向四周流动，已经过图像采集的液体快速地远离所述拍摄设备3的视场，避免了其对拍摄图像造成影响。上述进样管11的底端与所述暂存管12的底端之间的预定距离需要根据所拍摄颗粒物的最大粒径进行决定，若所述预定距离过大，则所拍摄颗粒物通过进样管11后难以在较短时间内远离拍摄设备3的视场，增加了焦面目标发出的光被预定距离内的颗粒物遮挡几率；若所述预定距离小于最大的颗粒物的粒径，则所拍摄颗粒物可能无法从所述进样管11的底端流出，造成堵塞，遮挡成像，且还会对较为柔弱的颗粒物形态造成损伤。优选将所述预定距离设置为等于最大的颗粒物的粒径。另外，为使所述光源2能透过所述测液容器1对液体进行照射，所述进样管11和暂存管12为高透明的容器。

如图2所示，在本实施例中，所述光源2选用发散角较小的光源，所述光源的光线中心面20与所述拍摄设备3的物方焦平面重合。例如，如图2中所示，光线中心面20位于光照范围的边缘两侧的示例性光路a和b的中心，而所述拍摄设备3的物方焦平面与所述光线中心面20重合，所述拍摄设备3的景深位于所述光源2的光照范围匹配，其能确保处于所述拍摄设备3景深内的颗粒都处于所述光源2的照明范围内，从而能拍摄到清晰的颗粒物图像。进一步地，通过使所述光源2产生的光的光路垂直于所述拍摄设备3的光轴，避免所述光源2产生的光线进入到所述拍摄设备3中，影响拍摄图像。

示例性地，结合图3所示，所述光源2包括两个以上并以相互之间保持相等的夹角环绕所述测液容器1进行设置的照明器21，本实施例选用三个条形的照明器21，通过嵌入设置的光源支架中，使所述三个照明器21环绕所述测液容器1，进而使所述三个照明器21的光照范围完全覆盖所述测液容器1中测试区域的横截面，例如，如图3中所示，若所述测液容器1的进样管11选用圆柱形的管状容器，则所述三个照明器21产生光照范围的交叠区域的面积大于所述进样管11的横截面的面积，所述进样管11边缘上所有位置均处于光照范围内。而为了减少颗粒径向移动产生的运动模糊，所述拍摄设备3需要进行短时间的曝光，故所述照明器21需选用高光强的照明器。另外，所述光源2可选用单色光源或由对应三原色的至少三个照明器21构成的彩色光源，分别用于获取颗粒物的灰度图像或彩色图像。

进一步地，所述光源2所发出光束的底端所在平面与所述进样管11的底端所在平面重合。防止未被照明的颗粒物对成像造成遮挡的现象发生，提高图像的信噪比和对比度。

具体地，所述拍摄设备3包括远心镜头31，所述远心镜头31的景深与所述光源2在所述特定流动方向上的光照范围匹配，优选地，所述远心镜头31的景深与所述光源2在所述特定流动方向上的光照范围重合。远心镜头31能使在景深范围内获取的图像的放大倍率相同，当景深与光照范围匹配时，即使液体中发生光散射的颗粒物处于所述进样管11内的不同高度处，所述拍摄设备3通过所述远心镜头31拍摄的图像中，所有颗粒物的成像的放大倍率一致，不会因距离所述远心镜头31的远近不同而产生偏差，从而避免了上述原因导致分析获得的颗粒物的尺寸信息出现误差。例如，当所述光源2设置为上述由三个条形的照明器构成的光源时，用于限定所述远心镜头31的景深范围的两个调焦平面分别与光照范围的边缘两侧的光路a和b相重合。

进一步地，所述图像采集设备还包括与所述测液容器1连通的供液容器4，所述供液容器4用于向所述测液容器1提供具有颗粒物的液体。所述供液容器4与所述测液容器1的进样管11的顶端连通，具体地，所述供液容器4为容积远大于所述进样管11的容器，使得能提供充足量的液体以进行高通量成像。

更进一步地，所述图像采集设备还包括与所述供液容器4的底端连通的压力泵51以及与所述压力泵51连通的增液容器5，所述压力泵51用于将所述增液容器5内的液体注射至所述供液容器4内。所述压力泵51通过将所述供液容器4中液体从所述供液容器4的底端注入，一方面使得所述供液容器4底部的液体发生流动，防止所述供液容器4中的颗粒物沉降于其底部，避免由于颗粒物集中进入所述进样管11而对成像造成影响，进而避免影响检测结果的准确度；另一方面，通过为所述供液容器4补充液体，可以控制所述供液容器4中的液位高度，进而控制液体在所述进样管11中流动的速度。所述液体可以选用纯水、纯净的海水以及作为样品的液体等不会对颗粒物造成干扰的液体。当然，作为另一种实施方式，若只考虑用于防止所述供液容器4中的颗粒物沉降于底部，也可以只通过所述压力泵51向所述供液容器4的底部注入气体来扰动所述供液容器4底部的液体，从而起到上述避免由于颗粒物集中进入所述进样管11而对成像造成影响的作用。作为又一种实施方式，所述图像采集设备还包括浸没在所述供液容器4的底部的旋转叶片以及与所述旋转叶片电性连接的电机，所述电机用于驱动所述旋转叶片在所述供液容器4中进行旋转，以起到扰动所述供液容器4底部的液体的作用。

进一步地，所述图像采集设备还包括：负压泵61和与所述测液容器1的底端连通的废液容器6，所述废液容器6为密闭的容器，其密封性良好，所述负压泵61与所述废液容器6连通，以调节所述废液容器6内的气压，利用所述废液容器6的气压可以间接地调控所述测液容器1内的液体的流动速度，避免液体中的易损的颗粒物发生损坏，例如海雪等样品。所述废液容器6中采集的液体可用于回收利用，避免样品的浪费。

为确保在同次检测中，能利用所述负压泵61调控所述测液容器1内的液体的流动速度，所述废液容器6的容积需要足够大。示例性地，参阅图4所示，所述废液容器6包括多个子废液容器60，所述多个子废液容器60依照一定的规律彼此连通，例如通过依次串联的方式或者以一个子废液容器60并联多个子废液容器60等等方式，以增加连通的子废液容器60的数目的方法来增大所述废液容器6的容积。

所述液体中颗粒物的图像采集设备还包括支架8，分别将测液容器1、光源2、拍摄设备3以及供液容器4固定在所述支架8的对应位置上，使得所述测液容器1的延伸方向与重力方向一致，液体能在重力的作用下自然地沿所述特定流动方向进行流动。所述支架8选用重量轻且强度高的铝材支架，支架8上的各个装配位置可调。当然，作为其他的实施方式，也可以通过驱动装置驱动液体沿所述特定流动方向进行流动。

基于上述液体中颗粒物的图像采集设备的示例性使用过程如下：首先通过供液容器4向所述测样容器1中注入纯净的海水，直至海水没过所述测样容器1的进样管11中对应所述拍摄设备3的景深的深度；再通过供液容器4向所述测样容器1的进样管11中注入作为待测样品的液体，使所述拍摄设备3进行拍摄并通过控制泵阀使液体进行流动，待作为待测样品的液体完全从所述测样容器1中流出后，再次向所述测样容器1中注入纯净的海水，直至所述拍摄设备3拍摄的图像中不再出现颗粒物，停止拍摄并关闭泵阀，完成图像采集。

本发明还提供了一种液体中颗粒物的检测装置，所述检测装置包括图像分析设备7以及如上所述的图像采集设备，所述图像分析设备7用于接收所述拍摄设备3拍摄的颗粒物的图像，并根据所述颗粒物的图像进行分析。

上述液体中颗粒物的检测装置中的部件可划分为以下模块：成像单元、进样单元、扰动单元、流体控制单元以及图像分析单元，其中，所述成像单元由所述光源2和所述拍摄设备3构成，所述进样单元由所述测液容器1和所述供液容器4构成，所述扰动单元由所述压力泵51及所述增液容器5构成，所述流体控制单元由所述负压泵61、所述废液容器6、所述供液容器4、所述压力泵51及所述增液容器5构成，所述图像分析单元由所述图像分析设备构成。

上述液体中颗粒物的检测装置中，所述拍摄设备3的帧率和所述进样管11内液体的流速遵循以下参数之间的关系式：

f＝v/(l*s)

其中，f为所述拍摄设备3的帧率，v为所述进样管11内液体的流量，l为所述拍摄设备3的景深，s为所述进样管11的横截面积。由此，当选定所述进样管11以及所述拍摄设备3的景深后，通过调控所述拍摄设备3的帧率f和所述进样管11内液体的流量v来确保测量数据的准确性，并且，可根据该公式，当设定好所述拍摄设备3的帧率f和所述进样管11内液体的流量v中的一方的参数后，可依照上述关系式反馈另一方的参数。

综上所述，本发明提供的液体中颗粒物的图像采集设备及检测装置，通过设置测样容器1使作为样品的液体在其内沿特定流动方向进行流动，并设置光源2照射液体中的颗粒物来使颗粒物发生光散射，以光轴方向与所述特定流动方向重合的拍摄设备3采集发生光散射的颗粒物的图像，以供图像分析设备7进行分析。其有效地解决了颗粒物在流动方向上的速度过快而造成颗粒物的图像出现拖尾模糊的问题，进而使得利用该图像采集设备进行颗粒物的图像采集时，可以不受该条件限制地提升颗粒物的流动速度，以提高成像通量，提高检测效率，节省检测时间。同时，上述方案利用暗场成像有利于提高获取的颗粒物图像的对比度和信噪比，并且基于对流体中的颗粒物进行成像，有着不受液体中颗粒物种类影响以及可适应外界扰动大的环境的优点。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (5)

1.一种液体中颗粒物的图像采集设备，其特征在于，所述图像采集设备包括：

测液容器(1)，用于容置具有颗粒物的液体，液体在所述测液容器(1)内沿特定流动方向进行流动，所述测液容器(1)包括暂存管(12)和设置于所述暂存管(12)内的进样管(11)，所述进样管(11)的底端与所述暂存管(12)的底端之间具有预定距离，所述进样管(11)的底端开放，以与所述暂存管(12)连通；其中，液体经由所述进样管(11)的底端流入到所述暂存管(12)，所述预定距离根据颗粒物的大小设定；

光源(2)，用于对液体进行照射，以使液体内的颗粒物发生光散射；

拍摄设备(3)，所述拍摄设备(3)的光轴方向与所述特定流动方向重合，所述拍摄设备(3)用于拍摄液体内发生光散射的颗粒物的图像；

所述光源(2)包括三个相互之间保持相等的夹角环绕所述测液容器(1)进行设置的条形照明器(21)，三个所述照明器(21)的光照范围完全覆盖所述测液容器(1)中测试区域的横截面；

所述拍摄设备(3)包括远心镜头(31)，所述远心镜头(31)的景深与所述光源(2)在所述特定流动方向上的光照范围重合，所述拍摄设备(3)的帧率和所述进样管(11)内液体的流速遵循以下参数之间的关系式：f＝v/(l*s)；

其中，f为所述拍摄设备(3)的帧率，v为所述进样管(11)内液体的流量，l为所述拍摄设备(3)的景深，s为所述进样管(11)的横截面积；

所述图像采集设备还包括与所述测液容器(1)连通的供液容器(4)，所述供液容器(4)用于向所述测液容器(1)提供具有颗粒物的液体；

所述图像采集设备还包括支架(8)，所述测液容器(1)、所述光源(2)、所述拍摄设备(3)以及所述供液容器(4)固定在所述支架(8)的对应位置上，使得所述测液容器(1)的延伸方向与重力方向一致，所述支架(8)上的各个装配位置可调；

所述图像采集设备还包括与所述供液容器(4)的底端连通的压力泵(51)以及与所述压力泵(51)连通的增液容器(5)，所述压力泵(51)用于将所述增液容器(5)内的液体注射至所述供液容器(4)内；

所述图像采集设备还包括：负压泵(61)和与所述测液容器(1)的底端连通的废液容器(6)，所述负压泵(61)与所述废液容器(6)连通，以调节所述废液容器(6)内的气压。

2.根据权利要求1所述的图像采集设备，其特征在于，所述光源的光线中心面与所述拍摄设备(3)的物方焦平面重合。

3.根据权利要求2所述的图像采集设备，其特征在于，所述光源(2)所发出光束的底端所在平面与所述进样管(11)的底端所在平面重合。

4.根据权利要求1所述的图像采集设备，其特征在于，所述废液容器(6)包括多个子废液容器(60)，所述多个子废液容器(60)彼此连通。

5.一种液体中颗粒物的检测装置，其特征在于，所述检测装置包括图像分析设备(7)以及如权利要求1至4任一项所述的图像采集设备，所述图像分析设备(7)用于接收所述拍摄设备(3)拍摄的颗粒物的图像，并根据所述颗粒物的图像进行分析。

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