一种烟雾颗粒密度实时检测装置及方法

摘要

本发明公开一种烟雾颗粒密度实时检测装置及方法，涉及烟雾检测技术领域，包括激光光源、气流腔、图像传感器、计算机、气流腔输入及清洁装置；所述的气流腔输入及清洁装置的气体输出口连接气流腔的入口，激光光源透过气流腔照射其中的烟雾颗粒，图像传感器采集气流腔的烟雾颗粒图像，图像传感器的输出端连接计算机的输入端，将多次采集的烟雾颗粒图像发送至计算机中；本发明采用全息显微技术，不仅能通过颗粒沉降速度实时测量出烟雾颗粒的密度，而且还能通过颗粒形貌和相位分析去除水珠对统计测量的影响，此技术的测量精度可达十几微克/立方米的量级。

权利要求

1.一种烟雾颗粒密度实时检测装置，其特征在于，包括激光光源、气流腔、图像传感器、计算机、气流腔输入及清洁装置；

所述的气流腔输入及清洁装置的气体输出口连接气流腔的入口，激光光源透过气流腔照射其中的烟雾颗粒，图像传感器采集气流腔的烟雾颗粒图像，图像传感器的输出端连接计算机的输入端，将多次采集的烟雾颗粒图像发送至计算机中；

所述的计算机通过数字重构法反演重建烟雾颗粒截面图像，将相邻采集的两幅烟雾颗粒截面图像做差分相减获取烟雾颗粒的沉降速度，进而根据烟雾颗粒受力关系获得烟雾颗粒密度；具体如下：通过数字重构法反演重建烟雾颗粒截面图像；

根据颗粒的光相对于通过周围环境介质的光在相位上的相位差，去除水珠对烟雾颗粒的影响；

将相邻采集的两幅烟雾颗粒截面图像做差分相减获取烟雾颗粒的沉降速度；

根据烟雾颗粒受力关系获得烟雾颗粒密度；

在所述的根据颗粒的光相对于通过周围环境介质的光在相位上的相位差，去除水珠对烟雾颗粒的影响，具体为：颗粒的光相对于通过周围环境介质的光在相位上的相位差为负值时，颗粒为烟雾颗粒；

颗粒的光相对于通过周围环境介质的光在相位上的相位差为正值时，颗粒为水滴。

2.根据权利要求1所述的烟雾颗粒密度实时检测装置，其特征在于，所述的气流腔输入及清洁装置，包括开关阀、丙酮存储腔、氮气存储腔、待测烟雾存储腔，所述的丙酮存储腔输出口、氮气存储腔输出口和待测烟雾存储腔输出口均连接开关阀，通过泵将气体送入气流腔中。

3.根据权利要求1所述的烟雾颗粒密度实时检测装置，其特征在于，所述的图像传感器采集气流腔的烟雾颗粒图像，具体为：图像传感器采集气流腔中烟雾颗粒散射光与未发生散射的参考光相干叠加所形成的全息图。

4.根据权利要求1所述的烟雾颗粒密度实时检测装置，其特征在于，所述的数字重构法，具体为：傅里叶变换法。

5.采用权利要求1所述的烟雾颗粒密度实时检测装置进行的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：打开开关阀使烟雾进入气流腔，待烟雾稳定，关闭开关阀；

启动激光光源，激光球面波照射待测烟雾颗粒，烟雾颗粒散射光与未发生散射的参考光相干叠加形成全息图；

图像传感器采集全息图并发送至计算机中获得烟雾颗粒密度，具体如下：通过数字重构法反演重建烟雾颗粒截面图像；

根据颗粒的光相对于通过周围环境介质的光在相位上的相位差，去除水珠对烟雾颗粒的影响；

将相邻采集的两幅烟雾颗粒截面图像做差分相减获取烟雾颗粒的沉降速度；

根据烟雾颗粒受力关系获得烟雾颗粒密度。

6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，所述的受力关系，具体为：烟雾颗粒受引力、浮力和阻力作用。

说明书

一种烟雾颗粒密度实时检测装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及烟雾检测技术领域，尤其涉及一种烟雾颗粒密度实时检测装置及方法。

背景技术

[0002] 传统的烟气检测法需要将烟气加热到150℃，去除烟气中水颗粒对统计的影响，但由于水与颗粒溶结，150℃时可能还存在水珠包裹颗粒。另外传统法只能监测到几毫克/立方米的烟尘，且测烟雾密度时，需要定期抽样，测其比重，计算质量。

发明内容

[0003] 本发明针对上述问题提供一种烟雾颗粒密度实时检测装置及方法，旨在。

[0004] 为了实现上述目的，本发明提出一种烟雾颗粒密度实时检测装置，包括激光光源、气流腔、图像传感器、计算机、气流腔输入及清洁装置；

[0005] 所述的气流腔输入及清洁装置的气体输出口连接气流腔的入口，激光光源透过气流腔照射其中的烟雾颗粒，图像传感器采集气流腔的烟雾颗粒图像，图像传感器的输出端连接计算机的输入端，将多次采集的烟雾颗粒图像发送至计算机中。

[0006] 优选地，所述的气流腔输入及清洁装置，包括开关阀、丙酮存储腔、氮气存储腔、待测烟雾存储腔和泵，所述的丙酮存储腔输出口、氮气存储腔输出口和待测烟雾存储腔输出口均连接开关阀，通过泵将气体送入气流腔中。

[0007] 优选地，所述的图像传感器采集气流腔的烟雾颗粒图像，具体为：图像传感器采集气流腔中烟雾颗粒散射光与未发生散射的参考光相干叠加所形成的全息图。

[0008] 优选地，所述的计算机通过数字重构法反演重建烟雾颗粒截面图像，将相邻采集的两幅烟雾颗粒截面图像做差分相减获取烟雾颗粒的沉降速度，进而根据烟雾颗粒受力关系获得烟雾颗粒密度。

[0009] 优选地，所述的数字重构法，具体为：傅里叶变换法。

[0010] 采用烟雾颗粒密度实时检测装置进行的检测方法，包括如下步骤：

[0011] 打开开关阀使烟雾进入气流腔，待烟雾稳定，关闭开关阀；

[0012] 启动激光光源，激光球面波照射待测烟雾颗粒，烟雾颗粒散射光与未发生散射的参考光相干叠加所形成的全息图；

[0013] 图像传感器采集全息图并发送至计算机中获得烟雾颗粒密度。

[0014] 优选地，所述的图像传感器采集全息图并发送至计算机中获得烟雾颗粒密度，具体如下：

[0015] 通过数字重构法反演重建烟雾颗粒截面图像；

[0016] 将相邻采集的两幅烟雾颗粒截面图像做差分相减获取烟雾颗粒的沉降速度；

[0017] 根据烟雾颗粒受力关系获得烟雾颗粒密度。

[0018] 优选地，所述的受力关系，具体为：烟雾颗粒受引力、浮力和阻力作用。

[0019] 优选地，在所述的通过数字重构法反演重建烟雾颗粒截面图像步骤之后，还包括：根据颗粒的光相对于通过周围环境介质的光在相位上的相位差，去除水珠对与烟雾颗粒的影响。

[0020] 优选地，在所述的根据颗粒的光相对于通过周围环境介质的光在相位上的相位差，去除水珠对与烟雾颗粒的影响，具体为：

[0021] 颗粒的光相对于通过周围环境介质的光在相位上的相位差为负值时，颗粒为烟雾颗粒；

[0022] 颗粒的光相对于通过周围环境介质的光在相位上的相位差为正值时，颗粒为水滴。

[0023] 本发明提出一种烟雾颗粒密度实时检测装置及方法，全息显微技术不仅能通过颗粒沉降速度实时测量出烟雾颗粒的密度，而且还能通过颗粒形貌和相位分析去除水珠对统计测量的影响，此技术的测量精度可达十几微克/立方米的量级。

附图说明

[0024] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

[0025] 图1为本发明一种实施例中烟雾颗粒密度实时检测装置结构示意图；

[0026] 图2为本发明一种实施例中气流腔输入及清洁装置结构示意图；

[0027] 图3为本发明一种实施例中烟雾颗粒密度实时检测方法流程图；

[0028] 图4为本发明一种实施例中步骤S30流程图；

[0029] 图5为本发明一种实施例中烟雾颗粒截面图像；

[0030] 图6为本发明一种实施例中烟雾颗粒相位差的变化曲线示意图；

[0031] 图7为本发明一种实施例中水滴图像；

[0032] 图8为本发明一种实施例中水滴相位差的变化曲线示意图；

[0033] 本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

[0034] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0035] 需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

[0036] 另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

[0037] 本发明提出一种烟雾颗粒密度实时检测装置；

[0038] 本发明一种优选实施例中，如图1所述，包括激光光源、气流腔(透明)、图像传感器、计算机、气流腔输入及清洁装置；

[0039] 所述的气流腔输入及清洁装置的气体输出口连接气流腔的入口，激光光源透过气流腔照射其中的烟雾颗粒，图像传感器采集气流腔的烟雾颗粒图像，图像传感器的输出端连接计算机的输入端，将多次采集的烟雾颗粒图像发送至计算机中。

[0040] 本发明一种优选实施例中，如图2所示，所述的气流腔输入及清洁装置，包括开关阀、丙酮存储腔、氮气存储腔、待测烟雾存储腔，所述的丙酮存储腔输出口、氮气存储腔输出口和待测烟雾存储腔输出口均连接开关阀，通过泵将气体送入气流腔中。

[0041] 本发明一种优选实施例中，所述的图像传感器采集气流腔的烟雾颗粒图像，具体为：图像传感器采集气流腔中烟雾颗粒散射光与未发生散射的参考光相干叠加所形成的全息图。

[0042] 本发明一种优选实施例中，所述的计算机通过数字重构法反演重建烟雾颗粒截面图像，将相邻采集的两幅烟雾颗粒截面图像做差分相减获取烟雾颗粒的沉降速度，进而根据烟雾颗粒受力关系获得烟雾颗粒密度。

[0043] 本发明一种优选实施例中，所述的数字重构法，具体为：傅里叶变换法。

[0044] 本发明还提出一种采用烟雾颗粒密度实时检测装置进行的检测方法；

[0045] 如图3所示，包括如下步骤：

[0046] S10、打开开关阀使烟雾进入气流腔，待烟雾稳定，关闭开关阀；

[0047] 本发明实施例中，待测烟雾存储腔中的气体通过泵进入流体腔，待测烟雾存储腔高2mm

[0048] S20、启动激光光源，激光球面波照射待测烟雾颗粒，烟雾颗粒散射光与未发生散射的参考光相干叠加所形成的全息图；

[0049] 本发明实施例中，激光光源采用的是405nm激光，其输出光斑直径为2μm，近似可作为点光源，点光源发射球面波。球面波照射在烟雾颗粒上，发生散射，散射光与未发生散射的参考光相干叠加，形成全息图。

[0050] 该全息图的光强由下式计算可得：

[0051] I(x，y)＝|O(x，y)+R(x，y)|2＝O(x，y)O(x，y)*+R(x，y)R(x，y)*+0(x，y)R(x，y)*+R(x，y)O(x，y)*   (1)

[0052] 其中，O(x，y)为样品光，R(x，y)为参考光，*为共轭符号；

[0053] S30、图像传感器采集全息图并发送至计算机中获得烟雾颗粒密度。

[0054] 本发明一种优选实施例中，步骤S30，如图4所示，具体如下：

[0055] S301、通过数字重构法反演重建烟雾颗粒截面图像；

[0056] 本发明实施例中，计算机采用傅里叶变换法反演重建烟雾颗粒截面图像，并测出颗粒尺寸。如图5所示为烟雾颗粒截面图像；

[0057] S302、将相邻采集的两幅烟雾颗粒截面图像做差分相减获取烟雾颗粒的沉降速度；

[0058] 本发明实施例中，将相隔一定时间t记录的两幅烟雾颗粒图像做差分相减算法，测出烟雾颗粒在该时间内的移动距离s，根据v＝s/t算出烟雾颗粒的沉降速度；

[0059] S303、根据烟雾颗粒受力关系获得烟雾颗粒密度。

[0060] 本发明一种优选实施例中，所述的受力关系，具体为：烟雾颗粒受引力、浮力和阻力作用。

[0061] 另外再根据烟雾颗粒的受力情况知，颗粒受引力、浮力、阻力作用，其关系可表示为下式：

[0062] G＝F+f   (2)

[0063] 其中，G为烟尘颗粒所受重力： F为烟尘颗粒所受的浮力：f为烟尘颗粒所受的阻力：

[0064] 由上式得到颗粒密度为

[0065] 其中，d为烟雾颗粒直径，ρs为颗粒密度，ρ为流体密度，Cd为阻力系数，g为重力加速度，S为颗粒表面积；

[0066] 本发明一种优选实施例中，在步骤S301之后，还包括：根据颗粒的光相对于通过周围环境介质的光在相位上的相位差，去除水珠对与烟雾颗粒的影响。

[0067] 具体为：

[0068] 颗粒的光相对于通过周围环境介质的光在相位上的相位差为负值时，颗粒为烟雾颗粒；

[0069] 本发明实施例中，烟雾颗粒粒径较小(1～10μm)，粒子形状呈球形或椭球型，且粒子表面不平整，呈蜂窝状，对405nm激光具有吸收作用，这样通过烟雾颗粒的光相对于通过周围环境介质的光在相位上发生了改变，构成了相位差，且相位差为负值。图6为烟雾颗粒相位差的变化曲线(横坐标为距离，纵坐标为相位差)，可以看到相位差为负值。

[0070] 颗粒的光相对于通过周围环境介质的光在相位上的相位差为正值时，颗粒为水滴。

[0071] 本发明实施例中，而水滴为透明物质，且呈球形，通过水珠的光相对于通过周围环境介质的光在相位上发生改变构成的相位差为正值。(图7为水滴图像，图8为水滴相位差的变化曲线)。这样通过相位的比较，可去除水珠对颗粒统计的影响。

[0072] 本发明检测完成后，通过气流腔输入及清洁装置输入其他气体对气流腔进行清洁；

[0073] 以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。