CN114486640A - 一种基于图像处理的超疏水表面自清洁效果定量测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图像处理的超疏水表面自清洁效果定量测定装置，涉及材料表面测试领域。该装置主要由模拟降雨系统，试验箱，图像采集系统三个部分构成。所述模拟降雨系统，包括水泵，控制所述水泵的流量调节阀，设置于所述试验箱两侧且与所述水泵相连接的模拟降雨喷头，所述模拟降雨喷头喷出的水滴能够落在所述试验箱中间的转动载物台上，水滴汇流入排水结构排出所述试验箱；所述图像采集系统设置于所述试验箱顶部，采集试验前后的图像，最后对所述图像进行处理分析，得到超疏水表面自清洁效果的量化数据。本发明可实现超疏水表面自清洁效果定量测定。

Description

一种基于图像处理的超疏水表面自清洁效果定量测定装置

技术领域

本发明涉及材料表面测试，进一步涉及超疏水表面自清洁效果测定领域，具体是一种基于图像处理的超疏水表面自清洁效果定量测定装置。

背景技术

仿生超疏水表/界面改性，可使物体具有优异的超疏水能力。落在超疏水体表面的水滴总是呈珠状，随着水珠的滚动，会带走沿途的灰尘或污泥，这就使得超疏水表面具有优良的自清洁性能。如果将疏水材料用于城市建筑外墙，可借助雨水冲刷实现自清洁，大幅减少自清洁次数，节约水资源的同时可避免高空作业带来的安全隐患；用于汽车等交通工具的挡风玻璃上，可大幅改善雨天因玻璃积聚水滴而导致视线差的状况；用于修饰纺织品，可做成防水、防油和防污服装。已有学者研制出超疏水涂料，都具有一定的自清洁性能，但是只能定性进行分析，无法定量测定超疏水体表面自清洁效果，尚未实现超疏水材料表面自清洁效果的细化分类。

图像作为一种有效的信息载体，其直观性和易理解性显而易见。一幅图像可以定义为一个二维或者三维函数，利用计算机对数字图像进行一系列操作，例如，图像变换、图像分析、图像增强、图像编码以及图像复原等达到预期的目的。随着计算机技术的进步，图像处理技术得到广泛应用，如指纹识别、人脸识别等。在工业工程领域，如印刷电路板疵病检查，弹性力学照片的应力分析，流体力学图片的阻力和升力分析，邮政信件的自动分拣。

由此可见图像处理技术具有精度高、再现性好、通用性强和灵活性高等优点。将图像处理技术应用于超疏水表面自清洁效果测定领域，能够量化测定超疏水表面自清洁效果，为细化超疏水材料表面自清洁效果提供技术支持。

基于此，本发明提供了一种基于图像处理的超疏水表面自清洁效果定量测定装置，解决了目前超疏水材料表面自清洁效果无法定量测定的问题，量化超疏水表面自清洁效果。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于图像处理的超疏水表面自清洁效果定量测定装置，解决了目前超疏水材料表面自清洁效果无法定量测定、尚未对超疏水材料表面自清洁效果进行细化分类的问题，实现超疏水自清洁效果定量测定。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于图像处理的超疏水表面自清洁效果定量测定装置，主要由所述模拟降雨系统、所述试验箱、所述图像采集系统三个部分构成，具体包括以下结构。

所述模拟降雨喷头对称布置于所述试验箱左右两面内侧、处于同一轴线上，且所述模拟降雨喷头设置在所述试验箱侧面中心上方25cm处。

进一步的，所述模拟降雨系统，所述水泵是所述模拟降雨系统的核心部分，用于供给增压水流；所述流量调节阀是所述模拟降雨系统的关键部分，用于控制所述水泵的流量大小，模拟室外不同强度的降雨。

进一步的，所述模拟降雨喷头，用于模拟室外降雨，对称设置在所述试验箱左右两面内侧，所述模拟降雨喷头通过PVC钢丝软管连接于所述水泵，所述PVC钢丝软管，在具有柔软的特性外还具备一定的刚度，确保管道通畅。

所述试验箱上表面设置一个圆水准泡，所述试验箱底部四角分别设置一个所述调平底座，对所述试验箱进行初步调平。

进一步的，所述限位槽设置于所述试验箱正面上、下两侧，用于固定所述有机玻璃板，防止水滴溅出试验箱，同时，所述有机玻璃板无色透明，便于观察试验箱内部实时情况。

所述转动载物台上表面位于所述试验箱1/2高度处，所述试样夹具左端固定、右端可滑动、内侧设置所述摩擦垫块，所述摩擦垫块为半圆柱体、表面粗糙且相互间隔10mm，所述滑槽设置于所述试样夹具底部，所述锚固螺栓穿过所述试样夹具右端与所述滑槽。

进一步的，所述转动载物台上部设置一个所述长水准泡，所述长水准泡轴向沿所述转动载物台转动方向布置，用于精准调平；所述长水准泡的精度为2分，即所述长水准泡中的气泡沿所述长水准泡轴向移动2mm时，所述水准泡的刻度变化2分。

进一步的，所述转动载物台上表面位于所述试验箱1/2高度处，所述载物台上表面与所述模拟降雨喷头高度差为25cm。

进一步的，所述试样夹具分为左、右两端，用于固定不同尺寸的试样，所述试样夹具左端固定，所述试样夹具右端通过所述锚固螺栓与所述滑槽相连，所述试样夹具右端可在滑槽内左右移动，所述锚固螺栓用于固定所述夹具右端。

进一步的，所述试样夹具内侧设置所述半圆柱体摩擦垫块，所述摩擦垫块表面粗糙、相互间隔10mm，起到增大所述试样夹具与试样之间摩擦力的作用，防止试样滑动掉落，所述载物台的上部结构与下部结构由刚性支撑杆连接。

进一步的，所述刚性支撑杆起到支撑上部结构物质量和连接所述阻尼旋转轴的作用；所述阻尼旋转轴在工作时既可以承担弯矩，也可以承担扭矩，能够使所述阻尼旋转轴上部结构物在倾斜一定角度时保持稳定。

进一步的，所述刻度盘固定于所述阻尼旋转轴端部，起到显示角度的作用，所述刻度盘的刻度精确至2分；所述指针固定于所述阻尼旋转轴的轴心、位于所述刻度盘内，用于指示所述刻度盘上的刻度，所述阻尼旋转轴下端通过所述刚性杆固定于所述试验箱底面中心处。

进一步的，所述集水槽，设置于所述试验箱两侧底部，其截面为四分之一圆形，用于汇集试验过程中的水流；所述圆形排水口设置于所述试验箱两侧底部且与所述试验箱底面相切，与所述集水槽贯通，用于排出所述集水槽中的水。

所述干粉喷雾瓶内装有所述荧光化灰尘，所述干粉喷雾瓶向试样上喷洒所述荧光化灰尘，以模拟试样在自然条件下灰尘积聚的状态。

进一步的，所述环形紫外灯设置于所述试验箱顶面，其圆心与所述试验箱顶面中心重合，用于激发所述荧光化灰尘发光。

进一步的，所述荧光化灰尘的荧光色为亮黄色，使得所述摄像头可以完整、准确地采集到所述荧光化灰尘分布的图像信息。

进一步的，所述摄像头的像素为1600×1200，较多的像素点可以获取丰富的图像信息。

进一步的，所述摄像头设置于所述环形紫外灯的圆心处，用于采集试验前后所述转动载物台表面的图像信息；所述图像信息通过数据线传输到计算机，进行对比分析，得到超疏水表面自清洁效果的量化数据。

本发明实施例带来了以下有益效果。

本发明操作简单，且数据精确度高，可对超疏水表面自清洁效果进行试验测定，量化超疏水表面的自清洁效果。

本发明结构简单，某一部件损坏时易于更换。

本发明的试验过程在试验箱中进行，且透过所述有机玻璃板可实时观察试验箱内的情况，有效降低了试验箱外部环境和人为因素的干扰。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的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

下面结合附图说明和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

图1为一种基于图像处理的超疏水表面自清洁效果定量测定装置三维示意图。

图2为试验箱正视示意图。

图3试验箱侧视示意图。

图4为转动载物台正视示意图。

图5为转动载物台右视示意图。

图6为转动载物台俯视示意图。

图7为模拟降雨系统三维示意图。

图中：1-干粉喷雾瓶，2-水泵，3-流量调节阀，4-试验箱，5-有机玻璃板，6-摄像头，7-模拟降雨喷头，8-限位槽，9-圆形排水口，10-转动载物台，11-刻度盘，12-集水槽，13-数据线，14-圆水准泡，15-调平底座，16-PVC钢丝软管，17-环形紫外灯，18-固定螺栓，19-摩擦垫块，20-试样夹具，21-锚固螺栓，22-指针，23-阻尼旋转器，24-刻度轴，25-滑槽，26-长水准泡，27-刚性支撑杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是，本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。

此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

关于本发明中术语和单位。本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”以及它的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

如图1，一种基于图像处理的超疏水表面自清洁效果定量测定装置，主要由所述模拟降雨系统，所述试验箱，所述图像采集系统三个部分构成，具体包括：1-干粉喷雾瓶，2-水泵，3-流量调节阀，4-试验箱，5-有机玻璃板，6-摄像头，7-模拟降雨喷头，8-限位槽，9-圆形排水口，10-转动载物台，11-刻度盘，12-集水槽，13-数据线，14-圆水准泡，15-调平螺栓，16-PVC钢丝软管，17-环形紫外灯，18-固定螺栓，19-摩擦垫块，20-试样夹具，21-锚固螺栓，22-指针，23-阻尼旋转器，24-刻度轴，25-滑槽，26-长水准泡，27-刚性支撑杆。

所述模拟降雨系统主要包括：所述水泵2尾端连接着所述流量调节阀3，所述模拟降雨喷头7通过所述PVC钢丝软管16连接到所述水泵2的顶部，所述水泵2浸没于水中，所述流量调节阀3控制所述水泵2的流量大小，所述模拟降雨喷头7设置在所述试验箱4的两侧且对称布置。

所述试验箱主要包括：所述圆水准泡14设置于所述试验箱4上表面，所述调平底座15设置于所述试验箱4底部四脚，所述限位槽8设置于所述试验箱4的正面上、下侧边缘，所述有机玻璃板5插入所述限位槽8内，所述集水槽12设置于所述试验箱4两侧底部，所述圆形排水口9设置于所述试验箱4两侧底部且与所述试验箱4底面相切，所述圆形排水口9与所述集水槽12贯通，所述转动载物台10设置于所述试验箱4底面中心，所述试样夹具20位于所述转动载物台10上部，所述锚固螺栓21贯穿所述试样夹具20右端与所述滑槽25，所述长水准泡26设置于所述试样夹具20左端表面，所述长水准泡26轴向与所述试样夹具20垂直；所述刚性支撑杆27上端支撑所述试样夹具20，下端连接所述阻尼旋转轴23；所述刻度盘11设置于所述阻尼旋转轴23端部；所述指针22位于所述刻度盘11内，固定于所述阻尼旋转轴23的轴心。

所述干粉喷雾瓶1向所述转动载物台10上表面喷洒所述荧光化灰尘；所述环形紫外灯17设置于所述试验箱4顶面，所述环形紫外灯17的圆心与所述试验箱4顶面中心重合；所述摄像头6通过所述固定螺栓18固定于所述试验箱4顶面中心处，通过所述数据线13连接到计算机。

具体实施过程如下所述。

如图4所示，将准备好的试样安装在所述转动载物台10上面所述试样夹具20中，拧紧所述锚固螺栓21以固定试样；如图1所示，随后调节所述调平底座15，同时观察所述圆水准泡14，直至所述圆水准泡14中的气泡居中，完成初步调平；如图6所示，观察所述长水准泡26中气泡的位置，如图5所示，慢慢转动所述刚性支撑杆27以带动所述阻尼旋转轴23转动，直至所述长水准泡26中气泡居中，完成精准调平，如图4所示，随后根据所述刻度盘11内所述指针22的位置，调节所述刻度轴24，使所述指针22指向零刻度，完成校零；根据试样实际倾斜角度，调节所述转动载物台10，直至所述指针22指向所述倾斜角度，完成试样安装。

如图1所示，所述干粉喷雾瓶1向所述转动载物台10表面喷洒所述荧光化灰尘，模拟试样在自然状态下灰尘积聚状态；随后将所述有机玻璃板5插入所述限位槽8中，所述限位槽8的位置如图3所示，避免外界因素影响图像采集，打开所述环形紫外灯17与所述摄像头6，在计算机上标定试样区域，对齐图像，采集图像并保存；完成试验前试样表面图像采集工作。

如图2所示，所述转动载物台10位于所述试验箱4底面中心处，所述转动载物台10上表面与所述模拟降雨喷头7的高度差为25cm，所述模拟降雨喷头7对称设置于所述试验箱4侧面中心上方25cm处。

完成试样安装及试验前图像采集工作后，模拟室外降雨，如图7所示，为模拟降雨系统三维示意图，其过程如下：将所述水泵2浸没于水中，根据事先设定的模拟降雨强度，调节所述流量调节阀3；通过所述PVC钢丝软管16将所述水泵2的增压水流供给到所述模拟降雨喷头7，在所述试验箱4内模拟室外降雨。

模拟降雨完成后，采集试验后试样表面的图像信息，步骤如下：打开所述环形紫外灯17与所述摄像头6，标定试样表面区域，对齐图像，采集图像并保存。

试验结束，拆除试样并清理试验装置及相关仪器，擦干所述试验箱4及所述转动载物台10，处理试验过程中产生的污水。

最后，处理试验过程中采集到的图像，其原理及步骤如下：先对所述图像进行滤波、降噪，完成所述图像前期平滑处理；随后将所述图像转化成灰度图，提取直方图,根据所述直方图确定阈值；然后，根据所述阈值，将所述灰度图转化为二值图像，由于所述二值图像可能会有连通区域的粘连，所以对所述二值图像进行开闭运算，将所述粘连区域分离，计算连通区域面积，得到超疏水表面自清洁效果的量化数据。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于图像处理的超疏水表面自清洁效果定量测定装置，其特征在于，主要由模拟降雨系统，试验箱，图像采集系统三个部分构成，所述模拟降雨系统，包括水泵，控制所述水泵的流量调节阀，模拟降雨喷头；所述试验箱，由转动载物台、调平底座、圆水准泡、排水结构、限位槽和有机玻璃板组成，所述转动载物台，由阻尼旋转轴、试样夹具、锚固螺栓、滑槽、长水准泡、刻度盘和指针组成，所述刻度盘显示倾斜角度、精确至2分；所述图像采集系统，包括干粉喷雾瓶、摄像头和环形紫外灯以及荧光化灰尘，所述摄像头与所述环形紫外灯设置于所述试验箱顶部。

2.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的超疏水表面自清洁效果定量测定装置，其特征在于，所述试验箱上表面设置一个圆水准泡，所述试验箱底部四角分别设置一个调平底座。

3.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的超疏水表面自清洁效果定量测定装置，其特征在于，所述模拟降雨喷头对称布置于所述试验箱左右两面内侧、处于同一轴线上，且所述模拟降雨喷头设置在所述试验箱侧面中心上方25cm处。

4.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的超疏水表面自清洁效果定量测定装置，其特征在于，所述转动载物台上表面位于所述试验箱1/2高度处，所述试样夹具左端固定、右端可滑动、内侧设置摩擦垫块，所述摩擦垫块为半圆柱体、表面粗糙且相互间隔10mm。

5.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的超疏水表面自清洁效果定量测定装置，其特征在于，所述滑槽设置于所述试样夹具底部，所述锚固螺栓穿过所述试样夹具右端与所述滑槽。

6.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的超疏水表面自清洁效果定量测定装置，其特征在于，所述长水准泡轴向沿所述转动载物台转动方向布置。

7.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的超疏水表面自清洁效果定量测定装置，其特征在于，所述刻度盘固定于所述阻尼旋转轴端部，所述指针位于所述刻度盘内，所述刻度盘上的刻度可转动、显示角度精确至2分。

8.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的超疏水表面自清洁效果定量测定装置，其特征在于，所述荧光化灰尘装在所述干粉喷雾瓶内，所述荧光化灰尘的荧光色为亮黄色。

9.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的超疏水表面自清洁效果定量测定装置，其特征在于，所述环形紫外灯的圆心与所述试验箱上顶面中心重合，所述摄像头的像素为1600×1200，所述摄像头设置于所述环形紫外灯圆心处。

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