專利名稱：絮體污泥介觀動(dòng)力學(xué)的測(cè)試方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水處理環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域，具體地是涉及一種絮體污泥介觀動(dòng)力學(xué)的測(cè)試裝置及測(cè)試方法。
背景技術(shù)：
水處理過(guò)程中，絮體污泥的動(dòng)力行為直接影響著后續(xù)處理工藝單元的效果。以往對(duì)于絮體污泥的研究主要分為兩大類，一是在宏觀尺度上對(duì)其水動(dòng)力學(xué)行為研究及參數(shù)測(cè)定，具體包括絮體污泥的流速、懸浮濃度、污泥體積指數(shù)、污泥沉降比等；二是在微觀尺度上，借助電鏡掃描、高分辨率顯微鏡等手段對(duì)其形貌結(jié)構(gòu)的變化行為進(jìn)行研究，測(cè)定參數(shù)主要包括分形數(shù)、微觀形貌、微觀結(jié)構(gòu)等。但是從宏觀到微觀這兩個(gè)尺度間的跨越大約為四到五個(gè)數(shù)量級(jí)，這兩者間所存在的較大空間導(dǎo)致了兩種研究方法及其評(píng)價(jià)結(jié)果的相關(guān)性差，難以在絮體污泥微觀表征參數(shù)與宏觀指標(biāo)之間構(gòu)建聯(lián)系，以提高對(duì)絮體污泥行為與性狀變化的估計(jì)和機(jī)理認(rèn)識(shí)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，而建立一套在介于宏觀與微觀之間的介尺度條件下，對(duì)絮體污泥動(dòng)力行為的測(cè)試技術(shù)及裝置，目的是填補(bǔ)現(xiàn)有水處理領(lǐng)域中絮體污泥在介觀尺度上測(cè)試技術(shù)和裝置的空白。本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是
本發(fā)明的絮體污泥介觀動(dòng)力學(xué)的測(cè)試裝置由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，硬件系統(tǒng)包括光路系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、信號(hào)同步控制系統(tǒng)和絮體污泥測(cè)試平臺(tái)，軟件系統(tǒng)包括圖像處理模塊與數(shù)據(jù)分析模塊，數(shù)據(jù)分析模塊又包括介觀參數(shù)測(cè)量模塊；光路系統(tǒng)由激光器和透鏡組組成，通過(guò)數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)和信號(hào)同步控制系統(tǒng)的同步控制器連接；絮體污泥測(cè)試平臺(tái)包括樣品混合與投加池、多維調(diào)節(jié)臺(tái)、樣品測(cè)試器和出水儲(chǔ)存罐，絮體污泥測(cè)試平臺(tái)上還設(shè)置有圖像采集系統(tǒng)。所述的圖像采集系統(tǒng)包括由第一 CXD相機(jī)圖像采集器和第二 CXD相機(jī)圖像采集器，標(biāo)定板置于第一 CCD相機(jī)圖像采集器和第二 CCD相機(jī)圖像采集器的片光照射中。同步控制器上游通過(guò)數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)相連接收計(jì)算機(jī)指令，下游通過(guò)并行分支結(jié)構(gòu)分別與激光器及第一 CCD相機(jī)圖像采集器和第二 CCD相機(jī)圖像采集器連接，以控制激光器與CCD相機(jī)圖像采集器拍攝幀頻同步，實(shí)現(xiàn)圖像與光照的同步采集。激光器為YAG激光器，功率為175mW，波長(zhǎng)532nm。本發(fā)明的絮體污泥介觀動(dòng)力學(xué)的測(cè)試方法，包括如下步驟
第一，絮體污泥的制備與前處理
I透明或半透明狀絮體污泥或絮體團(tuán)聚物
透明的絮體污泥或絮體團(tuán)聚物可直接進(jìn)入主體測(cè)試平臺(tái)；半透明狀絮體污泥或絮體團(tuán)聚物根據(jù)具體情況可直接或參考非透明類絮體污泥或絮體團(tuán)聚物進(jìn)行前處理； 具體步驟如下
(1)蒸餾水清洗雜質(zhì)；
(2)按測(cè)試要求，配置濃度，并與待測(cè)流體均勻混合；1:非透明類的絮體污泥或絮體團(tuán)聚物
根據(jù)絮體污泥或絮體團(tuán)聚物自身化學(xué)和物理特性，在不影響和改變其自身性狀和結(jié)構(gòu)的前提，選取細(xì)胞熒光素CY3、TRITC和Propidium Iodide之一，按使用要求進(jìn)行前處理；具體步驟如下
(I)將污泥放置在染色容器內(nèi)；(2 )蒸餾水清洗雜質(zhì)；
(3)選取細(xì)胞熒光素染I分鐘；(4)自來(lái)水沖洗；
(5)加碘液覆蓋涂面染I分鐘；(6)水洗，用吸水紙吸去水分；
(7)加95%酒精數(shù)滴，并輕輕搖動(dòng)進(jìn)行脫色,30秒后水洗，吸去水分；
(8)蕃紅梁色液(稀)染10秒鐘后，自來(lái)水沖洗；(9)染色完畢后，按測(cè)試要求，配置濃度，并與待測(cè)流體均勻混合；
第二，測(cè)試系統(tǒng)的布設(shè)
在系統(tǒng)正式開(kāi)始測(cè)試之前，各組成裝置布局要求如下
①調(diào)節(jié)透鏡組支架，使激光器發(fā)射的激光經(jīng)透鏡組所生成的片光垂直進(jìn)入樣品測(cè)試器中的液面；
%第一 CCD相機(jī)與第二 CCD相機(jī)的鏡頭面、感光面與激光片光面的三個(gè)面平行,且兩部相機(jī)鏡頭中心軸線垂直于片光，以保證不同相機(jī)采集到的不同尺度的圖象為同一物理空間中同一時(shí)刻的測(cè)試對(duì)象；
S將標(biāo)定板至于片光照射中，使片光的厚度分別照在標(biāo)定板兩面。標(biāo)定板面方向與CCD鏡頭面平行，其中標(biāo)定板正反兩面具有不同間距與刻度標(biāo)定點(diǎn)，分別用于介尺度和宏觀尺度成像的標(biāo)定；
第三，測(cè)試裝置的啟動(dòng)與樣本的加載
①CCD相機(jī)參數(shù)的初始成像標(biāo)定
通過(guò)對(duì)照標(biāo)定調(diào)焦，使標(biāo)定點(diǎn)能清晰成現(xiàn)于計(jì)算機(jī)圖像上，分別進(jìn)行介尺度和宏觀尺度CCD相機(jī)的標(biāo)定，對(duì)標(biāo)定板上的標(biāo)定點(diǎn)進(jìn)行拍照后，系統(tǒng)通過(guò)將圖像上標(biāo)定點(diǎn)之間所占像素與實(shí)際標(biāo)定點(diǎn)上距離的對(duì)比，自動(dòng)計(jì)算出圖像上的實(shí)際像素所代表實(shí)際物理空間的距離，確定像距與物距之比；根據(jù)具體試驗(yàn)需要，設(shè)定相機(jī)快門參數(shù)，以捕捉更多信息；
I'激光脈沖頻率與相機(jī)幀頻的設(shè)定
按具體研究目的和要求，根據(jù)實(shí)際流場(chǎng)分布情況，設(shè)置激光脈沖頻率與CCD的拍攝幀頻，并開(kāi)啟同步控制器，對(duì)兩部相機(jī)及激光器進(jìn)行控制；
I絮體污泥投加
按具體研究目的和要求，將所制備的絮體污泥投加至主體測(cè)試平臺(tái)內(nèi)的樣品混合器中，促進(jìn)絮體污泥與水的均勻混合。為了保持污泥絮體的完整，不破壞絮體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和形態(tài)，采用高位靜壓均勻布水方式，使混合液進(jìn)入樣品測(cè)試器，并根據(jù)測(cè)試研究控制進(jìn)水流速(0 1. 5m/s)和流量(0 20L/h)；
第四，絮體污泥介尺度動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)量 絮體污泥介尺度動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)定依靠系統(tǒng)軟件中的介觀參數(shù)測(cè)量模塊完成，其過(guò)程主要包括
①介觀成像、圖像采集與存儲(chǔ)
I觀測(cè)主體測(cè)試平臺(tái)內(nèi)，絮體污泥介尺度的形貌動(dòng)態(tài)變化；
I根據(jù)測(cè)試要求，對(duì)絮體污泥進(jìn)行連續(xù)采集與存儲(chǔ)；
I圖像前處理
由于在用CCD抓拍圖像時(shí)，流場(chǎng)絮體污泥變化過(guò)程中的反光性并不是一致，因此在實(shí)測(cè)采集的圖像中含有不同程度的噪聲，不僅影響圖片質(zhì)量，而且降低測(cè)量精度，故需對(duì)原始圖像進(jìn)行去噪和增強(qiáng)；目前圖像去噪算法主要包括加權(quán)平均法、中值濾波法、模板平滑法；增強(qiáng)方法分為基于空間域和變換域兩大類，前者直接對(duì)像素進(jìn)行操作，包括灰度圖像的線性變換和直方圖法，后者在圖像變換域中處理，再反變換到空間域獲得增強(qiáng)的圖像；
S介觀圖像信息提取、動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算、數(shù)據(jù)輸出 I信息提取
經(jīng)過(guò)圖像預(yù)處理后，對(duì)同一間隔時(shí)間所拍連續(xù)單幀照片進(jìn)行絮體形貌信息提取，充分考慮絮體污泥的脈動(dòng)變化與“軟物質(zhì)”特性，改進(jìn)傳統(tǒng)基于“硬質(zhì)”粒子圖像的相關(guān)測(cè)速方法，采用絮團(tuán)分形維數(shù)最大相關(guān)法；通過(guò)圖像中絮團(tuán)分形維數(shù)匹配算法獲得絮體微團(tuán)在像平面上的位移，計(jì)算出絮體團(tuán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)變化、亞結(jié)構(gòu)分形數(shù)、運(yùn)動(dòng)速度、變形速率以及剪切力等；
I動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算
將圖象中的計(jì)算結(jié)果，通過(guò)初始標(biāo)定介觀CCD相機(jī)時(shí)確定比例參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算獲得實(shí)際介尺度動(dòng)力學(xué)參數(shù)；
I數(shù)據(jù)輸出
輸出絮體污泥的二維介觀形貌、亞結(jié)構(gòu)分形維數(shù)、XY方向上的形變速率、形變旋量場(chǎng)； 第五，絮體污泥宏尺度動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)量
S宏觀成像、圖像采集與存儲(chǔ)
觀測(cè)主體測(cè)試平臺(tái)內(nèi)，絮體污泥介尺度的形貌動(dòng)態(tài)變化；
根據(jù)測(cè)試要求，對(duì)絮體污泥進(jìn)行連續(xù)采集與存儲(chǔ)；
I圖像前處理
由于在用CCD抓拍圖像時(shí)，流場(chǎng)絮體污泥變化過(guò)程中的反光性并不是一致，因此在實(shí)測(cè)采集的圖像中含有不同程度的噪聲，不僅影響圖片質(zhì)量，而且降低測(cè)量精度，故需對(duì)原始圖像進(jìn)行去噪和增強(qiáng)；目前圖像去噪算法主要包括加權(quán)平均法、中值濾波法、模板平滑法；增強(qiáng)方法分為基于空間域和變換域兩大類，前者直接對(duì)像素進(jìn)行操作，包括灰度圖像的線性變換和直方圖法，后者在圖像變換域中處理，再反變換到空間域獲得增強(qiáng)的圖像；
S宏觀圖像信息提取、動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算、數(shù)據(jù)輸出 I信息提取
對(duì)經(jīng)過(guò)前處理后的照片，進(jìn)行流場(chǎng)與絮體污泥兩相流場(chǎng)的圖像分割；即將原始圖像中的像素按照灰度值不同分割成前景像素和背景像素，前景像素為污泥絮體，背景像素為流體； 點(diǎn)擊流體計(jì)算模塊，對(duì)流體采用粒子互相關(guān)法進(jìn)行計(jì)算；點(diǎn)擊絮狀污泥計(jì)算模塊，充分考慮絮體污泥的脈動(dòng)變化與“軟物質(zhì)”特性，改進(jìn)傳統(tǒng)基于“硬質(zhì)”粒子跟蹤的測(cè)速方法，采用絮團(tuán)“最小分形維數(shù)變化率”作為判定條件進(jìn)行計(jì)算；
由上計(jì)算出絮體污泥在圖形中的XY方向上的流速、周邊液相XY方向上流速、絮體污泥宏觀形貌、宏觀結(jié)構(gòu)分形數(shù)；
I動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算
將圖象中的計(jì)算結(jié)果，通過(guò)初始標(biāo)定宏觀CCD相機(jī)時(shí)確定比例參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算獲得實(shí)際宏觀尺度動(dòng)力學(xué)參數(shù)；
I數(shù)據(jù)輸出
對(duì)所采集到的絮體污泥宏觀動(dòng)態(tài)行為的圖像進(jìn)行絮體一流體兩相流場(chǎng)分析，輸出絮體污泥的XY方向上的流速、周邊液相XY方向上流速、絮體污泥宏觀形貌、宏觀結(jié)構(gòu)分形數(shù)等;
第六，數(shù)據(jù)處理與分析
實(shí)時(shí)采集連續(xù)單幀圖像，重復(fù)上述第四步驟和第五步驟，可實(shí)現(xiàn)對(duì)絮體污泥介觀動(dòng)力學(xué)參數(shù)、宏觀力學(xué)參數(shù)及周圍流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)分析；數(shù)據(jù)處理與人機(jī)交互系統(tǒng)主要是通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)用戶與系統(tǒng)的交流，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的編輯、分析和操作，按用戶要求編輯數(shù)據(jù)結(jié)果、繪制相關(guān)曲線，實(shí)現(xiàn)分析結(jié)果可視化輸出，并導(dǎo)出Execl格式的數(shù)據(jù)報(bào)告。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果為
本發(fā)明是一種在介于宏觀與微觀之間的介尺度條件下，對(duì)絮體污泥動(dòng)力行為的測(cè)試裝置及測(cè)試方法，該裝置可在介尺度上觀察和測(cè)試絮體污泥的亞結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)形變、聚合、斷裂、運(yùn)動(dòng)等過(guò)程，以及在宏觀尺度上其在流體介質(zhì)運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)每一時(shí)刻的流速、壓力等水動(dòng)力學(xué)參數(shù)。利用本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)對(duì)絮體污泥在介觀尺度下水動(dòng)力學(xué)和形貌演變機(jī)制的研究，提高不同尺度上絮體污泥評(píng)價(jià)結(jié)果的相關(guān)性，加深對(duì)絮體污泥行為與性狀變化的估計(jì)和機(jī)理認(rèn)識(shí)，優(yōu)化水處理反應(yīng)器的運(yùn)行效果。本發(fā)明適用于處理各類水處理反應(yīng)器中的絮體污泥的介觀尺度動(dòng)力學(xué)行為和宏觀尺度流體力學(xué)行為的測(cè)試，不受污泥種類的限制。


圖1為本發(fā)明的絮體污泥介觀動(dòng)力學(xué)測(cè)量裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖2為本發(fā)明的絮體污泥介觀動(dòng)力學(xué)測(cè)量裝置的系統(tǒng)連接 圖3是本發(fā)明的絮體污泥介觀動(dòng)力學(xué)測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)框 圖4是本發(fā)明的絮體污泥測(cè)試平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意 圖5是本發(fā)明的標(biāo)定板的結(jié)構(gòu)示意 圖6是本發(fā)明的介尺度圖像信息提取與分析流程 圖7是本發(fā)明的宏尺度圖像信息提取與分析流程 圖8是CCD相機(jī)對(duì)標(biāo)定板上的標(biāo)定點(diǎn)進(jìn)行拍照后的圖像；
圖9是絮體污泥介觀二維形貌 圖10是流場(chǎng)與絮體污泥兩相流場(chǎng)的圖像分割 圖11是宏觀尺度下反應(yīng)器流場(chǎng)分布運(yùn)動(dòng)變化圖； 圖12是絮體污泥宏觀形貌 圖13是介觀尺度下動(dòng)力學(xué)參數(shù)的實(shí)時(shí)變化曲線；
圖14是宏觀尺度下動(dòng)力學(xué)參數(shù)的實(shí)時(shí)變化曲線；
其中1.計(jì)算機(jī)2.同步控制器
3.激光器 4.透鏡組 5.第一 CO)相機(jī) 6.第二 CO)相機(jī)
7.樣品混合與投加池8.樣品測(cè)試器 9.數(shù)據(jù)線 10.多維調(diào)節(jié)臺(tái)；11.標(biāo)定板。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。圖1為本發(fā)明的絮體污泥介觀動(dòng)力學(xué)測(cè)量裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明的絮體污泥介觀動(dòng)力學(xué)測(cè)量裝置的系統(tǒng)連接圖；圖3是本發(fā)明的絮體污泥介觀動(dòng)力學(xué)測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)框圖。如圖1至圖3所示，本發(fā)明的絮體污泥介觀動(dòng)力學(xué)的測(cè)試裝置由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，硬件系統(tǒng)包括光路系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、信號(hào)同步控制系統(tǒng)和絮體污泥測(cè)試平臺(tái)，軟件系統(tǒng)包括圖像處理模塊與數(shù)據(jù)分析模塊，數(shù)據(jù)分析模塊又包括介觀參數(shù)測(cè)量模塊；光路系統(tǒng)由激光器3和透鏡組4組成，通過(guò)數(shù)據(jù)線9與計(jì)算機(jī)I和信號(hào)同步控制系統(tǒng)的同步控制器2連接；絮體污泥測(cè)試平臺(tái)包括樣品混合與投加池7、多維調(diào)節(jié)臺(tái)10、樣品測(cè)試器8和出水儲(chǔ)存罐(未圖示)，絮體污泥測(cè)試平臺(tái)上還設(shè)置有圖像采集系統(tǒng)。所述的圖像采集系統(tǒng)包括由第一 CXD相機(jī)5和第二 CXD相機(jī)6 ;標(biāo)定板11置于第一 (XD相機(jī)5和第二 (XD相機(jī)6的片光照射中。計(jì)算機(jī)通過(guò)信號(hào)輸出端與自動(dòng)化同步控制器相連，實(shí)驗(yàn)者可通過(guò)計(jì)算機(jī)發(fā)出指令，進(jìn)而控制激光器等設(shè)備的開(kāi)啟與關(guān)閉等。此外，計(jì)算機(jī)可通過(guò)輸入端接收CCD相機(jī)采集到的絮體污泥圖像，經(jīng)圖像處理采集計(jì)算程序?qū)D片進(jìn)行預(yù)處理后輸出絮體污泥的介觀及宏觀特征。同步控制器上游通過(guò)數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)相連接收計(jì)算機(jī)指令，下游通過(guò)并行分支結(jié)構(gòu)分別與激光器及第一 CCD相機(jī)圖像采集器和第二 CCD相機(jī)圖像采集器連接，以控制激光器與CCD相機(jī)圖像采集器拍攝幀頻同步，實(shí)現(xiàn)圖像與光照的同步采集。絮體污泥測(cè)試平臺(tái)是開(kāi)展絮體污泥介觀動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的主要裝置，包括樣品混合與投加池7、多維調(diào)節(jié)臺(tái)10、樣品測(cè)試器8和出水儲(chǔ)存罐(未圖示)。樣品混合與投加池在正式進(jìn)入測(cè)試之前，需對(duì)絮體污泥及流體介質(zhì)(一般為水)進(jìn)行混合，池中設(shè)有折板，促進(jìn)絮體污泥與水的均勻混合。為了保持污泥絮體的完整，不破壞絮體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和形態(tài)，采用高位靜壓均勻布水方式，使混合液進(jìn)入樣品測(cè)試器。樣品測(cè)試器主要為長(zhǎng)方體的透明亞克力反應(yīng)器，長(zhǎng)X寬X高60X12X15cm。前端進(jìn)水處設(shè)置布水堰，起到均勻布水，穩(wěn)定進(jìn)水流場(chǎng)的作用。中段底部安裝磁力攪拌轉(zhuǎn)子，用來(lái)防止絮體污泥的沉積。后端設(shè)置污泥沉積槽，用來(lái)收集沉積的絮體污泥。進(jìn)出水管設(shè)有玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)，用來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)出水量。在反應(yīng)器中段的兩端側(cè)壁面處，設(shè)置標(biāo)尺刻度，用來(lái)調(diào)節(jié)樣品測(cè)試器的位置以及為后續(xù)處理圖象時(shí)標(biāo)定尺寸。多維調(diào)節(jié)臺(tái)用來(lái)調(diào)節(jié)樣品測(cè)試器與電荷耦合型圖像傳感器(CCD)、激光照射后的測(cè)試采集區(qū)的相對(duì)位置。臺(tái)面設(shè)有樣品測(cè)試器、介尺度光學(xué)圖象采集器、宏觀尺度光學(xué)圖象采集器三個(gè)安裝槽位底座。每個(gè)底座均可實(shí)現(xiàn)六維移動(dòng)與調(diào)節(jié)(即以X、Y、Z軸三個(gè)方向移動(dòng)；以X、Y、Z為三個(gè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng))。調(diào)節(jié)臺(tái)面具有刻度(精度0. 01毫米)，螺桿調(diào)節(jié)，可準(zhǔn)確布設(shè)各組件的相對(duì)距離。出水儲(chǔ)存罐用來(lái)收集實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出水。光路系統(tǒng)由激光器、透鏡組及搖臂組成，激光通過(guò)組合透鏡，由點(diǎn)光源成為線光源，射入水中形成照射平面，絮體污泥運(yùn)動(dòng)至光平面內(nèi)，其運(yùn)動(dòng)速度、形態(tài)變化都將固定在此光學(xué)平面中，被圖像采集后進(jìn)行后續(xù)處理和分析。激光器為YAG激光器，功率為175mW，波長(zhǎng) 532nm。信號(hào)同步控制系統(tǒng)主要是通過(guò)同步控制器對(duì)介觀圖像采集器、宏觀圖像采集器和激光器三臺(tái)設(shè)備進(jìn)行同時(shí)控制，使圖像拍攝幀頻與激光脈沖的頻率同步，實(shí)現(xiàn)圖像與光照的同步采集。圖像采集主要是通過(guò)圖像傳感器將絮體污泥的介觀觀察圖像、宏觀運(yùn)動(dòng)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和存貯。用于圖像采集的電荷耦合型圖像傳感器(CCD)主要有介觀圖像采集和宏觀圖像采集兩個(gè)。其中用于介觀圖像采集的電荷耦合型圖像傳感器(CCD)型號(hào)為MVC1000型，采用高倍鏡頭，隔行傳輸，100萬(wàn)像素，最高采集速度可達(dá)15幀/秒。主要用于絮體污泥介尺度圖像的采集，分析絮體污泥的亞結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)形變、聚合、斷裂等過(guò)程。用于宏觀圖像采集的電荷耦合型圖像傳感器(CCD)型號(hào)為美國(guó)Redlake高速攝像機(jī)HG-100K Motionxtra(Redlake MASD, Inc)和鏡頭(Nikon FAFD, zoom-Nikkor24_85mmf/2. 8_f/4D),最高米集速度可達(dá)1000幀/秒。主要用于絮體污泥宏觀尺度圖像的采集，分析絮體污泥運(yùn)動(dòng)及液相流場(chǎng)。圖像采集系統(tǒng)上置調(diào)焦旋鈕(放大、縮小)，調(diào)節(jié)可使成像放大倍數(shù)為25-2000倍。圖像數(shù)據(jù)由IOOO-Mbps以太網(wǎng)傳輸和遙控，可快速下載到計(jì)算機(jī)上，與硬件系統(tǒng)配套的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)調(diào)用圖片處理軟件將絮體污泥樣品的信息以數(shù)字圖片的形式保存。標(biāo)定板厚度為5mm，帶有底座，板面正反雙面分別均勻布設(shè)等間距標(biāo)定點(diǎn)，其中一面用于CCD相機(jī)參數(shù)的宏觀成標(biāo)定,每個(gè)標(biāo)定點(diǎn)間隔8_ ;另一面用于CCD相機(jī)參數(shù)的介觀距成像標(biāo)定，每個(gè)標(biāo)定間隔10nm。軟件系統(tǒng)采用VC++開(kāi)發(fā)出圖像處理采集的計(jì)算程序，圖像分析系統(tǒng)的主要功能是對(duì)所采集到的連續(xù)圖片中的圖像信息進(jìn)行提取和分析，首先對(duì)圖片進(jìn)行預(yù)處理，然后對(duì)宏觀與介觀圖像分別采用不同圖像計(jì)算模型與軟件模塊。對(duì)所采集到的絮體污泥介觀動(dòng)態(tài)行為的圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)分析，輸出絮體污泥的二維介觀形貌、亞結(jié)構(gòu)分形維數(shù)、XY方向上的形變速率、形變旋量場(chǎng)等，對(duì)所采集到的絮體污泥宏觀動(dòng)態(tài)行為的圖像進(jìn)行絮體一流體兩相流場(chǎng)分析，輸出絮體污泥的XY方向上的流速、周邊液相XY方向上流速、絮體污泥宏觀形貌、宏觀結(jié)構(gòu)分形數(shù)等。數(shù)據(jù)處理與人機(jī)交互系統(tǒng)主要是通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)用戶與系統(tǒng)的交流，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的編輯、分析和操作，按用戶要求統(tǒng)計(jì)和編輯數(shù)據(jù)結(jié)果、繪制相關(guān)曲線，實(shí)現(xiàn)分析結(jié)果可視化輸出，并導(dǎo)出Execl格式的數(shù)據(jù)報(bào)告。本發(fā)明主要是建立一套介于宏觀與微觀之間的介尺度條件下，對(duì)絮體污泥動(dòng)力行為的測(cè)試方法與裝置。其中絮體污泥介觀動(dòng)力學(xué)是在一種新尺度下描述絮狀污泥動(dòng)力行為變化的研究手段，主要研究絮體污泥在介于宏觀尺度下的流動(dòng)特性和微觀尺度下微生物聚集體結(jié)構(gòu)變化之間的動(dòng)力行為(IOnm lOOnm)。絮體污泥介觀動(dòng)力學(xué)的研究對(duì)象為污泥介觀團(tuán)塊，在不同的流動(dòng)介質(zhì)中與水力條件下，介觀亞結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律以及聚合、斷裂行為。絮體污泥介觀動(dòng)力學(xué)測(cè)試裝置是一種用來(lái)研究和表征絮體污泥特性的新的測(cè)試手段。本發(fā)明主要目的是填補(bǔ)現(xiàn)有水處理領(lǐng)域中絮體污泥在介觀尺度上測(cè)試技術(shù)和裝置的空白，是建立一套在介于宏觀與微觀之間的介尺度條件下，對(duì)絮體污泥動(dòng)力行為的測(cè)試技術(shù)及裝置，開(kāi)發(fā)出可用于分析“軟物質(zhì)”水力學(xué)測(cè)試和組織結(jié)構(gòu)變化的圖像信息提取與計(jì)算算法的程序模塊，可在介尺度上觀察和測(cè)試絮體污泥的亞結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)形變、聚合、斷裂、運(yùn)動(dòng)等過(guò)程，以及在宏觀尺度上其在流體介質(zhì)運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)每一時(shí)刻的流速、壓力等水動(dòng)力學(xué)參數(shù)。利用本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)對(duì)絮體污泥在介觀尺度下水動(dòng)力學(xué)和形貌演變機(jī)制的研究，提高不同尺度上絮體污泥評(píng)價(jià)結(jié)果的相關(guān)性，加深對(duì)絮體污泥行為與性狀變化的估計(jì)和機(jī)理認(rèn)識(shí)，優(yōu)化水處理反應(yīng)器的運(yùn)行效果。本發(fā)明的工作原理是本發(fā)明基于耦合光學(xué)、電學(xué)及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)機(jī)理，在不干擾流場(chǎng)和絮體結(jié)構(gòu)變化的情況下，通過(guò)同步控制電荷耦合型圖像傳感器(CCD)采集幀頻和激光器脈沖光波，實(shí)現(xiàn)對(duì)宏觀與介觀雙尺度圖像信息的采集，將圖像實(shí)時(shí)傳輸并存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中，運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)提取和信息，分別采用介觀圖像分析模塊與宏觀圖像分析模塊將圖像信息轉(zhuǎn)化為實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)絮體污泥本體和流場(chǎng)的實(shí)時(shí)分析，并完成后續(xù)數(shù)據(jù)處理和不同尺度上的信息關(guān)聯(lián)及表達(dá)。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明原理，本發(fā)明的絮體污泥介觀動(dòng)力學(xué)的測(cè)試方法，包括如下步驟
第一，絮體污泥的制備與前處理
根據(jù)不同的研究需要，制備不同絮體污泥(包括化學(xué)絮體污泥及生物活性污泥)，在正式進(jìn)入主體測(cè)試平臺(tái)之前，選擇如下處理方法之一
-X透明或半透明狀絮體污泥或絮體團(tuán)聚物
透明的絮體污泥或絮體團(tuán)聚物可直接進(jìn)入主體測(cè)試平臺(tái)；半透明狀絮體污泥或絮體團(tuán)聚物根據(jù)具體情況可直接或參考非透明類絮體污泥或絮體團(tuán)聚物進(jìn)行前處理；
%非透明類的絮體污泥或絮體團(tuán)聚物
根據(jù)絮體污泥或絮體團(tuán)聚物自身化學(xué)和物理特性，在不影響和改變其自身性狀和結(jié)構(gòu)的前提，選取細(xì)胞熒光素CY3、TRITC和Propidium Iodide之一，按使用要求進(jìn)行前處理；經(jīng)處理后，絮體污泥或絮體團(tuán)聚物吸附熒光物質(zhì)，在激光照射下被激發(fā)而發(fā)光，提高圖象采集的效果，降低信噪比。第二，測(cè)試系統(tǒng)的布設(shè)
在系統(tǒng)正式開(kāi)始測(cè)試之前，各組成裝置布局要求如下
①調(diào)節(jié)透鏡組支架，使激光器發(fā)射的激光經(jīng)透鏡組所生成的片光垂直進(jìn)入樣品測(cè)試器中的液面；
.2第一 CCD相機(jī)與第二 CCD相機(jī)的鏡頭面、感光面與激光片光面的三個(gè)面平行,且兩部相機(jī)鏡頭中心軸線垂直于片光，以保證不同相機(jī)采集到的不同尺度的圖象為同一物理空間中同一時(shí)刻的測(cè)試對(duì)象；
I'將標(biāo)定板至于片光照射中，使片光的厚度(2-3mm)分別照在標(biāo)定板兩面。標(biāo)定板面方向與CCD鏡頭面平行，其中標(biāo)定板正反兩面具有不同間距與刻度標(biāo)定點(diǎn)，分別用于介尺度和宏觀尺度成像的標(biāo)定；
第三，測(cè)試裝置的啟動(dòng)與樣本的加載
①CCD相機(jī)參數(shù)的初始成像標(biāo)定
通過(guò)對(duì)照標(biāo)定調(diào)焦，使標(biāo)定點(diǎn)能清晰成現(xiàn)于計(jì)算機(jī)圖像上，分別進(jìn)行介尺度和宏觀尺度CCD相機(jī)的標(biāo)定，對(duì)標(biāo)定板上的標(biāo)定點(diǎn)進(jìn)行拍照后，系統(tǒng)通過(guò)將圖像上標(biāo)定點(diǎn)之間所占像素與實(shí)際標(biāo)定點(diǎn)上距離的對(duì)比，自動(dòng)計(jì)算出圖像上的實(shí)際像素所代表實(shí)際物理空間的距離，確定像距與物距之比；根據(jù)具體試驗(yàn)需要，設(shè)定相機(jī)快門參數(shù)，以捕捉更多信息；
%激光脈沖頻率與相機(jī)幀頻的設(shè)定
按具體研究目的和要求，根據(jù)實(shí)際流場(chǎng)分布情況，設(shè)置激光脈沖頻率與CCD的拍攝幀頻，并開(kāi)啟同步控制器，對(duì)兩部相機(jī)及激光器進(jìn)行控制；
5絮體污泥投加
按具體研究目的和要求，將所制備的絮體污泥投加至主體測(cè)試平臺(tái)內(nèi)的樣品混合器中，促進(jìn)絮體污泥與水的均勻混合。為了保持污泥絮體的完整，不破壞絮體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和形態(tài)，采用高位靜壓均勻布水方式，使混合液進(jìn)入樣品測(cè)試器，并根據(jù)測(cè)試研究控制進(jìn)水流速和流量；
第四，絮體污泥介尺度動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)量
絮體污泥介尺度動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)定依靠系統(tǒng)軟件中的介觀參數(shù)測(cè)量模塊完成，其過(guò)程主要包括絮體污泥介觀成像、圖像采集與存儲(chǔ)、圖像預(yù)處理、圖像信息提取與分析計(jì)算等。①介觀成像、圖像采集與存儲(chǔ)
I觀測(cè)主體測(cè)試平臺(tái)內(nèi)，絮體污泥介尺度的形貌動(dòng)態(tài)變化；
I根據(jù)測(cè)試要求，對(duì)絮體污泥進(jìn)行連續(xù)采集與存儲(chǔ)；
%圖像前處理
由于在用CCD抓拍圖像時(shí)，流場(chǎng)絮體污泥變化過(guò)程中的反光性并不是一致，因此在實(shí)測(cè)采集的圖像中含有不同程度的噪聲，不僅影響圖片質(zhì)量，而且降低測(cè)量精度，故需對(duì)原始圖像進(jìn)行去噪和增強(qiáng)；目前圖像去噪算法主要包括加權(quán)平均法、中值濾波法、模板平滑法；增強(qiáng)方法分為基于空間域和變換域兩大類，前者直接對(duì)像素進(jìn)行操作，包括灰度圖像的線性變換和直方圖法，后者在圖像變換域中處理，再反變換到空間域獲得增強(qiáng)的圖像；
I介觀圖像信息提取、動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算、數(shù)據(jù)輸出 I信息提取
經(jīng)過(guò)圖像預(yù)處理后，對(duì)同一間隔時(shí)間所拍連續(xù)單幀照片進(jìn)行絮體形貌信息提取，充分考慮絮體污泥的脈動(dòng)變化與“軟物質(zhì)”特性，改進(jìn)傳統(tǒng)基于“硬質(zhì)”粒子圖像的相關(guān)測(cè)速方法，采用絮團(tuán)分形維數(shù)最大相關(guān)法；通過(guò)圖像中絮團(tuán)分形維數(shù)匹配算法獲得絮體微團(tuán)在像平面上的位移，計(jì)算出絮體團(tuán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)變化、亞結(jié)構(gòu)分形數(shù)、運(yùn)動(dòng)速度、變形速率以及剪切力等；
I動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算
將圖象中的計(jì)算結(jié)果，通過(guò)初始標(biāo)定介觀CCD相機(jī)時(shí)確定比例參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算獲得實(shí)際介尺度動(dòng)力學(xué)參數(shù)； I數(shù)據(jù)輸出
輸出絮體污泥的二維介觀形貌、亞結(jié)構(gòu)分形維數(shù)、XY方向上的形變速率、形變旋量場(chǎng)； 第五，絮體污泥宏尺度動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)量
絮體污泥宏尺度動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)定過(guò)程主要包括絮體污泥宏觀成像、圖像采集與存儲(chǔ)、圖像預(yù)處理、圖像信息提取與分析計(jì)算等。X宏觀成像、圖像采集與存儲(chǔ)
觀測(cè)主體測(cè)試平臺(tái)內(nèi)，絮體污泥介尺度的形貌動(dòng)態(tài)變化；
根據(jù)測(cè)試要求，對(duì)絮體污泥進(jìn)行連續(xù)采集與存儲(chǔ)；
%圖像前處理
由于在用CCD抓拍圖像時(shí)，流場(chǎng)絮體污泥變化過(guò)程中的反光性并不是一致，因此在實(shí)測(cè)采集的圖像中含有不同程度的噪聲，不僅影響圖片質(zhì)量，而且降低測(cè)量精度，故需對(duì)原始圖像進(jìn)行去噪和增強(qiáng)；目前圖像去噪算法主要包括加權(quán)平均法、中值濾波法、模板平滑法；增強(qiáng)方法分為基于空間域和變換域兩大類，前者直接對(duì)像素進(jìn)行操作，包括灰度圖像的線性變換和直方圖法，后者在圖像變換域中處理，再反變換到空間域獲得增強(qiáng)的圖像；e宏觀圖像信息提取、動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算、數(shù)據(jù)輸出I信息提取
對(duì)經(jīng)過(guò)前處理后的照片，進(jìn)行流場(chǎng)與絮體污泥兩相流場(chǎng)的圖像分割；即將原始圖像中的像素按照灰度值不同分割成前景像素和背景像素，前景像素為污泥絮體，背景像素為流體；
點(diǎn)擊流體計(jì)算模塊，對(duì)流體采用粒子互相關(guān)法進(jìn)行計(jì)算；
點(diǎn)擊絮狀污泥計(jì)算模塊，充分考慮絮體污泥的脈動(dòng)變化與“軟物質(zhì)”特性，改進(jìn)傳統(tǒng)基于“硬質(zhì)”粒子跟蹤的測(cè)速方法，采用絮團(tuán)“最小分形維數(shù)變化率”作為判定條件進(jìn)行計(jì)算；由上計(jì)算出絮體污泥在圖形中的XY方向上的流速、周邊液相XY方向上流速、絮體污泥宏觀形貌、宏觀結(jié)構(gòu)分形數(shù)；
I動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算
將圖象中的計(jì)算結(jié)果，通過(guò)初始標(biāo)定宏觀CCD相機(jī)時(shí)確定比例參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算獲得實(shí)際宏觀尺度動(dòng)力學(xué)參數(shù)；
I數(shù)據(jù)輸出
對(duì)所采集到的絮體污泥宏觀動(dòng)態(tài)行為的圖像進(jìn)行絮體一流體兩相流場(chǎng)分析，輸出絮體污泥的XY方向上的流速、周邊液相XY方向上流速、絮體污泥宏觀形貌、宏觀結(jié)構(gòu)分形數(shù)等;
上述第四和第五步驟圖像采集、存儲(chǔ)處理為同步進(jìn)行，保證不同相機(jī)采集到的不同尺度的圖象為同一物理空間中同一時(shí)刻的測(cè)試對(duì)象。圖像信息提取與計(jì)算可選擇自動(dòng)處理模式，進(jìn)行同步處理或人工處理模式分步處理。第六，數(shù)據(jù)處理與分析
實(shí)時(shí)采集連續(xù)單幀圖像，重復(fù)上述第四步驟和第五步驟，可實(shí)現(xiàn)對(duì)絮體污泥介觀動(dòng)力學(xué)參數(shù)、宏觀力學(xué)參數(shù)及周圍流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)分析；數(shù)據(jù)處理與人機(jī)交互系統(tǒng)主要是通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)用戶與系統(tǒng)的交流，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的編輯、分析和操作，按用戶要求編輯數(shù)據(jù)結(jié)果、繪制相關(guān)曲線，實(shí)現(xiàn)分析結(jié)果可視化輸出，并導(dǎo)出Execl格式的數(shù)據(jù)報(bào)告。本發(fā)明適用于處理各類水處理反應(yīng)器中的絮體污泥的介觀尺度動(dòng)力學(xué)行為和宏觀尺度流體力學(xué)行為的測(cè)試，不受污泥種類的限制。本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)與效果為
(I)絮體污泥介觀動(dòng)力學(xué)是從一種新的視角和尺度研究水處理領(lǐng)域中對(duì)污泥動(dòng)力行為，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)對(duì)介尺度范圍內(nèi)，絮體污泥絮團(tuán)的亞結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)形變、聚合、斷裂、運(yùn)動(dòng)等過(guò)程及參數(shù)的動(dòng)態(tài)觀察和測(cè)試。(2)本發(fā)明克服了傳統(tǒng)僅局限于單一尺度的測(cè)試方法和手段，可同時(shí)檢測(cè)到宏觀和介觀雙尺度條件下絮體污泥的動(dòng)力學(xué)行為及參數(shù)，提高不同尺度上絮體污泥評(píng)價(jià)結(jié)果的相關(guān)性，加深對(duì)絮體污泥行為與性狀變化的估計(jì)和機(jī)理認(rèn)識(shí)。(3)采用光學(xué)與計(jì)算機(jī)圖像法進(jìn)行測(cè)試，不會(huì)對(duì)絮體污泥的組織結(jié)構(gòu)及周圍流場(chǎng)產(chǎn)生干擾和破壞，測(cè)試結(jié)果精度高。(4)所開(kāi)發(fā)的絮體污泥介觀尺度與宏觀尺度的圖像信息提取與計(jì)算算法，突破了傳統(tǒng)圖像測(cè)速法中流體介質(zhì)中示蹤劑或固相僅能為“硬質(zhì)”粒子的局限，可同時(shí)獲得大量顆粒或顆粒聚團(tuán)的動(dòng)態(tài)變化及其周圍流體的詳細(xì)運(yùn)動(dòng)信息。(5)自行開(kāi)發(fā)了圖像采集與后續(xù)數(shù)據(jù)處理軟件，軟件用戶界面友好，可實(shí)時(shí)觀測(cè)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，自動(dòng)化程度高。所開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)接口程序可與多種數(shù)據(jù)處理與繪圖軟件對(duì)接，完善了后續(xù)結(jié)果處理的功能，方便使用，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果和評(píng)估果直觀明了。以下是一個(gè)具體的實(shí)施實(shí)例污水廠曝氣池中活性污泥絮體的介觀動(dòng)力學(xué)研究實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖茄芯炕钚晕勰嘈躞w均勻流場(chǎng)條下的介觀形貌變化以及宏觀運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括
(I)介觀尺度下活性污泥絮體的亞結(jié)構(gòu)變化、動(dòng)態(tài)形變及形貌變化。(2)宏觀尺度下反應(yīng)器內(nèi)活性污泥絮體結(jié)構(gòu)以及周圍流場(chǎng)變化。實(shí)驗(yàn)步驟
(I)活性污泥絮體(取自某污水廠曝氣池)，采用細(xì)胞熒光素TRITC進(jìn)行前處理，使其充分被吸附在活性污泥絮體上。(2)布設(shè)測(cè)試系統(tǒng)
①調(diào)節(jié)透鏡組支架，使激光經(jīng)透鏡組所生成的片光垂直進(jìn)入主體測(cè)試反應(yīng)器中的液面。；| CXD相機(jī)I (介尺度)與CXD相機(jī)2的鏡頭面、感光面與激光片光面的三個(gè)面平行，且兩部相機(jī)鏡頭中心軸線垂直于片光，以保證不同相機(jī)采集到的不同尺度的圖象為同一物理空間中同一時(shí)刻的測(cè)試對(duì)象。I將標(biāo)定板至于片光照射中，使片光的厚度(2-3_)分別照在標(biāo)定板兩面。標(biāo)定板面方向與CCD鏡頭面平行，分別調(diào)節(jié)兩個(gè)不同相機(jī)鏡頭，進(jìn)行介尺度和宏觀尺度成像的標(biāo)定。(3)測(cè)試裝置的啟動(dòng)與樣本加載 ①CCD相機(jī)參數(shù)的初始成像標(biāo)定
開(kāi)啟計(jì)算機(jī)，啟動(dòng)圖像采集程序界面，分別進(jìn)行介尺度和宏觀尺度CCD相機(jī)的標(biāo)定，通過(guò)對(duì)照標(biāo)定調(diào)焦，使標(biāo)定點(diǎn)能清晰成現(xiàn)于計(jì)算機(jī)圖像上，對(duì)標(biāo)定板上的標(biāo)定點(diǎn)進(jìn)行拍照后的圖像如圖8所示。I激光脈沖頻率與相機(jī)幀頻的設(shè)定
開(kāi)啟激光器、同步控制器，設(shè)定激光器脈沖頻率100赫茲，兩部CCD相機(jī)幀頻同時(shí)設(shè)定為15幀/秒，連續(xù)采集模式。S絮體污泥投加
將所制備的絮體污泥通過(guò)高位水箱投加至主體測(cè)試平臺(tái)內(nèi)的樣品混合器中，調(diào)節(jié)流量計(jì)至0.2L/min，使混合液進(jìn)入樣品測(cè)試器。(4)絮體污泥介尺度動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)量 ①介觀成像、圖像采集與存儲(chǔ)
I觀測(cè)主體測(cè)試平臺(tái)內(nèi)，絮體污泥介尺度的形貌動(dòng)態(tài)變化。I對(duì)絮體污泥進(jìn)行連續(xù)采集與存儲(chǔ)。%圖像前處理
啟動(dòng)圖像前處理程序，對(duì)圖像進(jìn)行去噪和增加處理。
·
I"介觀圖像信息提取、動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算、數(shù)據(jù)輸出 I信息提取
采集連續(xù)4幀圖像，進(jìn)行信息提取與分析。I動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算
將圖象中的計(jì)算結(jié)果，通過(guò)初始標(biāo)定介觀CCD相機(jī)時(shí)確定比例參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算獲得實(shí)際介尺度動(dòng)力學(xué)參數(shù)。應(yīng)用圖像分析軟件，對(duì)連續(xù)介觀圖片所表示的部位進(jìn)行X、Y方向形變速率和形變旋轉(zhuǎn)量場(chǎng)“Omiga”旋轉(zhuǎn)量值、“Alpha”旋轉(zhuǎn)量場(chǎng)旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行分析。I數(shù)據(jù)輸出
輸出絮體污泥的二維介觀形貌、亞結(jié)構(gòu)分形維數(shù)、XY方向上的形變速率、形變旋量場(chǎng)。(5)絮體污泥宏尺度動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)量 ①介觀成像、圖像采集與存儲(chǔ)
I觀測(cè)主體測(cè)試平臺(tái)內(nèi)，絮體污泥介尺度的形貌動(dòng)態(tài)變化。I對(duì)絮體污泥進(jìn)行連續(xù)采集與存儲(chǔ)。I:圖像前處理
啟動(dòng)圖像前處理程序，對(duì)圖像進(jìn)行去噪和增加處理。I宏觀圖像信息提取、動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算、數(shù)據(jù)輸出 I信息提取1.對(duì)經(jīng)過(guò)前處理后的照片，連續(xù)采集4幀圖像，進(jìn)行流場(chǎng)與絮體污泥兩相流場(chǎng)的圖像分割(如圖10所不)。2.點(diǎn)擊流體計(jì)算模塊，對(duì)流體采用粒子互相關(guān)法進(jìn)行計(jì)算。流場(chǎng)分布如下圖:
3.點(diǎn)擊絮狀污泥計(jì)算模塊，充分考慮絮體污泥的脈動(dòng)變化與“軟物質(zhì)”特性，改進(jìn)傳統(tǒng)基于“硬質(zhì)”粒子跟蹤的測(cè)速方法，采用絮團(tuán)“最小分形維數(shù)變化率”作為判定條件進(jìn)行計(jì)
笪
o4.由上計(jì)算出體污泥在圖形中的XY方向上的流速、周邊液相XY方向上流速、絮體污泥宏觀形貌、宏觀結(jié)構(gòu)分形數(shù)。I動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算
將圖象中的計(jì)算結(jié)果，通過(guò)初始標(biāo)定宏觀CCD相機(jī)時(shí)確定比例參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算獲得實(shí)際宏觀尺度動(dòng)力學(xué)參數(shù)。I數(shù)據(jù)輸出
對(duì)所采集到的絮體污泥宏觀動(dòng)態(tài)行為的圖像進(jìn)行絮體一流體兩相流場(chǎng)分析，輸出絮體污泥的XY方向上的流速、周邊液相XY方向上流速、絮體污泥宏觀形貌、宏觀結(jié)構(gòu)分形數(shù)。(6)數(shù)據(jù)后處理
重復(fù)上述步驟(I) — (5)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)絮體污泥介觀和宏觀尺度下動(dòng)力學(xué)參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)定。輸出數(shù)據(jù)表(如下表I和表2)，以及所得的實(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù)曲線。表I介尺度測(cè)試數(shù)據(jù)輸出表表I介尺度測(cè)試數(shù)據(jù)輸出表
權(quán)利要求
1.一種絮體污泥介觀動(dòng)力學(xué)的測(cè)試裝置，其特征在于:該裝置由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，硬件系統(tǒng)包括光路系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、信號(hào)同步控制系統(tǒng)和絮體污泥測(cè)試平臺(tái)，軟件系統(tǒng)包括圖像處理模塊與數(shù)據(jù)分析模塊，數(shù)據(jù)分析模塊又包括介觀參數(shù)測(cè)量模塊；光路系統(tǒng)由激光器和透鏡組組成，通過(guò)數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)和信號(hào)同步控制系統(tǒng)的同步控制器連接；絮體污泥測(cè)試平臺(tái)包括樣品混合與投加池、多維調(diào)節(jié)臺(tái)、樣品測(cè)試器和出水儲(chǔ)存罐，絮體污泥測(cè)試平臺(tái)上還設(shè)置有圖像采集系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絮體污泥介觀動(dòng)力學(xué)的測(cè)試裝置，其特征在于:所述的圖像采集系統(tǒng)包括由第一 CXD相機(jī)圖像采集器和第二 CXD相機(jī)圖像采集器，標(biāo)定板置于第一 CXD相機(jī)圖像采集器和第二 CCD相機(jī)圖像采集器的片光照射中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的絮體污泥介觀動(dòng)力學(xué)的測(cè)試裝置，其特征在于:同步控制器上游通過(guò)數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)相連接收計(jì)算機(jī)指令，下游通過(guò)并行分支結(jié)構(gòu)分別與激光器及第一 CCD相機(jī)圖像采集器和第二 CCD相機(jī)圖像采集器連接，以控制激光器與CCD相機(jī)圖像采集器拍攝幀頻同步，實(shí)現(xiàn)圖像與光照的同步采集。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絮體污泥介觀動(dòng)力學(xué)的測(cè)試裝置，其特征在于:激光器為YAG激光器，功率為175mW，波長(zhǎng)532nm。
5.一種絮體污泥介觀動(dòng)力學(xué)的測(cè)試方法，其特征在于，該方法包括如下步驟: 第一，絮體污泥的制備與前處理: 根據(jù)不同的研究需要，制備不同絮體污泥，在正式進(jìn)入主體測(cè)試平臺(tái)之前，選擇如下處理方法之一:1:透明或半透明狀絮體污泥或絮體團(tuán)聚物 透明的絮體污泥或絮體團(tuán)聚物可直接進(jìn)入主體測(cè)試平臺(tái)；半透明狀絮體污泥或絮體團(tuán)聚物根據(jù)具體情況可直接 或參考非透明類絮體污泥或絮體團(tuán)聚物進(jìn)行前處理；:宜:非透明類的絮體污泥或絮體團(tuán)聚物 根據(jù)絮體污泥或絮體團(tuán)聚物自身化學(xué)和物理特性，在不影響和改變其自身性狀和結(jié)構(gòu)的前提，選取細(xì)胞熒光素CY3、TRITC和Propidium 1dide之一，按使用要求進(jìn)行前處理；第二，測(cè)試系統(tǒng)的布設(shè): 在系統(tǒng)正式開(kāi)始測(cè)試之前，各組成裝置布局要求如下: ①調(diào)節(jié)透鏡組支架，使激光器發(fā)射的激光經(jīng)透鏡組所生成的片光垂直進(jìn)入樣品測(cè)試器中的液面； ②第一CCD相機(jī)與第二 CCD相機(jī)的鏡頭面、感光面與激光片光面的三個(gè)面平行,且兩部相機(jī)鏡頭中心軸線垂直于片光，以保證不同相機(jī)采集到的不同尺度的圖象為同一物理空間中同一時(shí)刻的測(cè)試對(duì)象； ‘t將標(biāo)定板至于片光照射中，使片光的厚度分別照在標(biāo)定板兩面； 標(biāo)定板面方向與CCD鏡頭面平行，其中標(biāo)定板正反兩面具有不同間距與刻度標(biāo)定點(diǎn)，分別用于介尺度和宏觀尺度成像的標(biāo)定； 第三，測(cè)試裝置的啟動(dòng)與樣本的加載: ①CCD相機(jī)參數(shù)的初始成像標(biāo)定 通過(guò)對(duì)照標(biāo)定調(diào)焦，使標(biāo)定點(diǎn)能清晰成現(xiàn)于計(jì)算機(jī)圖像上，分別進(jìn)行介尺度和宏觀尺度CCD相機(jī)的標(biāo)定，對(duì)標(biāo)定板上的標(biāo)定點(diǎn)進(jìn)行拍照后，系統(tǒng)通過(guò)將圖像上標(biāo)定點(diǎn)之間所占像素與實(shí)際標(biāo)定點(diǎn)上距離的對(duì)比，自動(dòng)計(jì)算出圖像上的實(shí)際像素所代表實(shí)際物理空間的距離，確定像距與物距之比；根據(jù)具體試驗(yàn)需要，設(shè)定相機(jī)快門參數(shù)，以捕捉更多信息； S:激光脈沖頻率與相機(jī)幀頻的設(shè)定 按具體研究目的和要求，根據(jù)實(shí)際流場(chǎng)分布情況，設(shè)置激光脈沖頻率與CCD的拍攝幀頻，并開(kāi)啟同步控制器，對(duì)兩部相機(jī)及激光器進(jìn)行控制；:f.絮體污泥投加 按具體研究目的和要求，將所制備的絮體污泥投加至主體測(cè)試平臺(tái)內(nèi)的樣品混合器中，促進(jìn)絮體污泥與水的均勻混合； 為了保持污泥絮體的完整，不破壞絮體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和形態(tài)，采用高位靜壓均勻布水方式，使混合液進(jìn)入樣品測(cè)試器，并根據(jù)測(cè)試研究控制進(jìn)水流速和流量； 第四，絮體污泥介尺度動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)量 絮體污泥介尺度動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)定依靠系統(tǒng)軟件中的介觀參數(shù)測(cè)量模塊完成，其過(guò)程主要包括: ①介觀成像、圖像采集與存儲(chǔ) 觀測(cè)主體測(cè)試平臺(tái)內(nèi)，絮體污泥介尺度的形貌動(dòng)態(tài)變化； 根據(jù)測(cè)試要求，對(duì)絮體污泥進(jìn)行連續(xù)采集與存儲(chǔ)； @圖像前處理 由于在用CCD抓拍圖像時(shí)，流場(chǎng)絮體污泥變化過(guò)程中的反光性并不是一致，因此在實(shí)測(cè)采集的圖像中含有不同程度的噪聲，不僅影響圖片質(zhì)量，而且降低測(cè)量精度，故需對(duì)原始圖像進(jìn)行去噪和增強(qiáng)；目前圖像去噪算法主要包括:加權(quán)平均法、中值濾波法、模板平滑法；增強(qiáng)方法分為基于空間域和變換域兩大類，前者直接對(duì)像素進(jìn)行操作，包括灰度圖像的線性變換和直方圖法，后者在圖像變換域中處理，再反變換到空間域獲得增強(qiáng)的圖像；介觀圖像信息提取、動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算、數(shù)據(jù)輸出 信息提取 經(jīng)過(guò)圖像預(yù)處理后，對(duì)同一間隔時(shí)間所拍連續(xù)單幀照片進(jìn)行絮體形貌信息提取，充分考慮絮體污泥的脈動(dòng)變化與“軟物質(zhì)”特性，改進(jìn)傳統(tǒng)基于“硬質(zhì)”粒子圖像的相關(guān)測(cè)速方法，采用絮團(tuán)分形維數(shù)最大相關(guān)法；通過(guò)圖像中絮團(tuán)分形維數(shù)匹配算法獲得絮體微團(tuán)在像平面上的位移，計(jì)算出絮體團(tuán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)變化、亞結(jié)構(gòu)分形數(shù)、運(yùn)動(dòng)速度、變形速率以及剪切力等； 動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算將圖象中的計(jì)算結(jié)果，通過(guò)初始標(biāo)定介觀CCD相機(jī)時(shí)確定比例參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算獲得實(shí)際介尺度動(dòng)力學(xué)參數(shù)； 數(shù)據(jù)輸出 輸出絮體污泥的二維介觀形貌、亞結(jié)構(gòu)分形維數(shù)、XY方向上的形變速率、形變旋量場(chǎng)； 第五，絮體污泥宏尺度動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)量:::1:宏觀成像、圖像采集與存儲(chǔ) 觀測(cè)主體測(cè)試平臺(tái)內(nèi)，絮體污泥介尺度的形貌動(dòng)態(tài)變化； 根據(jù)測(cè)試要求，對(duì)絮體污泥進(jìn)行連續(xù)采集與存儲(chǔ)；:+f.圖像前處理 由于在用CCD抓拍圖像時(shí)，流場(chǎng)絮體污泥變化過(guò)程中的反光性并不是一致，因此在實(shí)測(cè)采集的圖像中含有不同程度的噪聲，不僅影響圖片質(zhì)量，而且降低測(cè)量精度，故需對(duì)原始圖像進(jìn)行去噪和增強(qiáng)；目前圖像去噪算法主要包括:加權(quán)平均法、中值濾波法、模板平滑法；增強(qiáng)方法分為基于空間域和變換域兩大類，前者直接對(duì)像素進(jìn)行操作，包括灰度圖像的線性變換和直方圖法，后者在圖像變換域中處理，再反變換到空間域獲得增強(qiáng)的圖像；宏觀圖像信息提取、動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算、數(shù)據(jù)輸出 信息提取 對(duì)經(jīng)過(guò)前處理后的照片，進(jìn)行流場(chǎng)與絮體污泥兩相流場(chǎng)的圖像分割；即:將原始圖像中的像素按照灰度值不同分割成前景像素和背景像素，前景像素為污泥絮體，背景像素為流體； 點(diǎn)擊流體計(jì)算模塊，對(duì)流體采用粒子互相關(guān)法進(jìn)行計(jì)算； 點(diǎn)擊絮狀污泥計(jì)算模塊，充分考慮絮體污泥的脈動(dòng)變化與“軟物質(zhì)”特性，改進(jìn)傳統(tǒng)基于“硬質(zhì)”粒子跟蹤的測(cè)速方法，采用絮團(tuán)“最小分形維數(shù)變化率”作為判定條件進(jìn)行計(jì)算；由上計(jì)算出絮體污泥在圖形中的XY方向上的流速、周邊液相XY方向上流速、絮體污泥宏觀形貌、宏觀結(jié)構(gòu)分形 數(shù)； 動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算 將圖象中的計(jì)算結(jié)果，通過(guò)初始標(biāo)定宏觀CCD相機(jī)時(shí)確定比例參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算獲得實(shí)際宏觀尺度動(dòng)力學(xué)參數(shù)； 數(shù)據(jù)輸出 對(duì)所采集到的絮體污泥宏觀動(dòng)態(tài)行為的圖像進(jìn)行絮體一流體兩相流場(chǎng)分析，輸出絮體污泥的XY方向上的流速、周邊液相XY方向上流速、絮體污泥宏觀形貌、宏觀結(jié)構(gòu)分形數(shù)等; 第六，數(shù)據(jù)處理與分析 實(shí)時(shí)采集連續(xù)單幀圖像，重復(fù)上述第四步驟和第五步驟，可實(shí)現(xiàn)對(duì)絮體污泥介觀動(dòng)力學(xué)參數(shù)、宏觀力學(xué)參數(shù)及周圍流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)分析；數(shù)據(jù)處理與人機(jī)交互系統(tǒng)主要是通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)用戶與系統(tǒng)的交流，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的編輯、分析和操作，按用戶要求編輯數(shù)據(jù)結(jié)果、繪制相關(guān)曲線，實(shí)現(xiàn)分析結(jié)果可視化輸出，并導(dǎo)出Execl格式的數(shù)據(jù)報(bào)告。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種絮體污泥介觀動(dòng)力學(xué)的測(cè)試方法與裝置，主要研究絮體污泥在介于宏觀尺度下的流動(dòng)特性和微觀尺度下微生物聚集體結(jié)構(gòu)變化之間的動(dòng)力行為(10nm～100nm)。絮體污泥介觀動(dòng)力學(xué)的研究對(duì)象為污泥介觀團(tuán)塊，在不同的流動(dòng)介質(zhì)中與水力條件下，介觀亞結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律以及聚合、斷裂行為。絮體污泥介觀動(dòng)力學(xué)測(cè)試裝置和測(cè)試方法是一種用來(lái)研究和表征絮體污泥特性的新的測(cè)試手段。利用本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)對(duì)絮體污泥在介觀尺度下水動(dòng)力學(xué)和形貌演變機(jī)制的研究，提高不同尺度上絮體污泥評(píng)價(jià)結(jié)果的相關(guān)性，加深對(duì)絮體污泥行為與性狀變化的估計(jì)和機(jī)理認(rèn)識(shí)，優(yōu)化水處理反應(yīng)器的運(yùn)行效果。
文檔編號(hào)G01N21/85GK103076335SQ201310010159
公開(kāi)日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2013年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月11日
發(fā)明者許丹宇, 鄭先強(qiáng), 楊昂, 游洋洋, 余海晨, 段云霞, 李麗春, 馬超華 申請(qǐng)人:天津市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院