水体中微纳米气泡观测系统及方法技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术具有简便可行，观测精度高的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于水利水电工程和环保工程领域，具体涉及一种。
技术介绍
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60 μ m,微米气泡直径在1-60 μ m之间，纳米气泡的直径则在I μ m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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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。根据本专利技术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。根据本专利技术实施例的水体中微纳米气泡观测方法，采用本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的至少具有如下优点:本专利技术的的至少具有如下优点:(I)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Imm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C⑶相机上成虚像。(3)使用高感光度的CXD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，本专利技术的具有简便可行，观测精度闻的优点。本专利技术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，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术的上述和/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是本专利技术实施例的水体中微纳米气泡观测系统的示意图；图2是本专利技术实施例的水体中微纳米气泡观测方法的流程图；图3是本专利技术一个具体实施例的模型箱的正面示意图；图4是本专利技术一个具体实施例的模型箱的立体示意图。具体实施例方式下面详细描述本专利技术的实施例，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，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。在本专利技术的描述中，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专利技术和简化描述，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专利技术的限制。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。在本专利技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。在本专利技术中，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，可以是固定本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李恒震，胡黎明，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：