实时水分追踪：盐表面的光学监测追踪技术

来自 实验室仪器网

研究人员介绍了一种用于实时监测岩盐表面水分凝结的光学方法。该方法利用受控微气候条件下的高分辨率成像来检测与水膜形成相关的细微表面变化，为传统实验室技术提供了一种颇具前景的替代方案。发表在《矿物》文章中。

盐表面的水分吸附过程涉及复杂的现象，包括分子水层的形成、液滴成核以及最终的径流。这些过程通常受相对湿度 (RH) 水平驱动，初始水膜形成发生在 60% RH 左右，湿度越高，润湿和液滴形成越明显。

现有的分析和测量技术虽然能够深入了解水分现象，但通常仅限于实验室环境，不适用于连续的现场环境监测。这些方法可能对外部条件敏感，需要精密的设备，并且可能会干扰其旨在保护的脆弱环境。因此，一种基于可见光成像的光学方法，可以利用易于获取的技术实现，提供了一种极具吸引力的解决方案。

这项研究的核心是高分辨率成像、受控环境模拟和先进图像分析的系统结合。研究人员使用一台配备精确照明系统的高分辨率数码相机，利用恒定的LED照明，记录放置在气候室中的盐晶体的状态，该气候室能够精确调节温度和相对湿度。

实验装置包括将岩盐晶体安装在一个内腔中，然后将该内腔放置在一个更大的气候室中，以保持稳定的微气候条件。相机固定在最佳距离，以捕捉晶体表面的详细图像，并聚焦于一个预先设定的检查窗口，该检查窗口涂有一层黑色涂层，以最大限度地减少外部反射和干扰。

图像采集间隔为30秒至5分钟，方便观察表面湿度随环境条件变化而发生的缓慢和快速变化。图像处理流程包含滤波技术，用于降低传感器噪声并补偿腔室运动引起的振动伪影。表面湿度检测的主要指标是像素亮度强度，并对其进行随时间变化的分析，以量化与水分凝结相关的表面变化。

该分析采用了统计和异常值检测方法，计算异常像素（OP）的百分比——亮度值超过设定的噪声阈值的像素。

OP 百分比的增加表明表面水膜或水滴的增长。研究人员根据干燥条件下的初始测量结果仔细校准了阈值，并监测了表面湿度随受控湿度变化的变化。

他们确定了关键的相对湿度阈值—低于65%、65-75.5%之间、75.5—77%以及高于77%分别对应不同的表面状态，从干燥到活跃降解。该过程还记录了水滴形成和径流的时间进程，以将光学信号与物理现象联系起来。

结果与讨论
实验数据表明，岩盐晶体上的水分凝结始于相对湿度约60%时，相当于形成一层纳米水膜，从而微妙地改变其表面的光学特性。最初，在相对湿度约65%时，会形成细小的水膜，导致像素亮度出现可检测的变化，表明存在早期吸附。

随着湿度的增加，水膜呈指数级增长，导致光学信号更加明显。在 65% 至 75.5% RH 之间，表面进入准稳定凝结状态，水膜保持相对均匀稳定，但通过异常像素百分比的增加可以观察到水膜逐渐增长。在此阶段，晶体表面极易变得更加湿润，为可能转变为更活跃的降解奠定了基础。

当湿度接近77%左右时，表面会发生临界转变，进入不稳定的过渡态，其特征是水滴的成核。延时成像清晰地证实了这一阶段，展示了水滴的逐渐增长和融合，最终导致在约78% RH下数小时后观察到的滴水现象。

这些液滴促进盐溶解和表面侵蚀，标志着主动降解的开始。该过程已被系统地记录下来，从而将表面状态分为四类：65%以下为干燥和早期吸附状态；65-75.5%之间为稳定水膜形成状态；75.5-77%左右为不稳定湿润状态，伴有液滴成核；77%以上为湿液滴径流过程中的主动降解状态。

该研究验证了基于光学成像方法实时、非侵入式监测岩盐晶体水分凝结的有​​效性。该方法能够可靠地探测到随着湿度升高而出现的早期表面润湿、液滴形成和径流现象。

该方法通过建立与不同表面状态对应的清晰光学阈值，为盐洞和矿物保存地等敏感环境的监测提供了一种便捷实用的工具。其持续监测能力可以显著增强早期预警系统，在发生严重退化之前采取预防措施。

实施此类光学系统可以提供有关微气候影响的重要数据，实现有针对性的微气候调节，并积极管理湿度风险，从而支持保护工作。

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