本發(fā)明公開了一種測量煙霧顆粒密度與徑譜的原理及技術(shù)。本發(fā)明采用可控制周期電場吸附原理，對一定區(qū)域顆粒進行選擇附著累積，并采用清晰度高的攝像頭模塊進行微量顆粒的圖像分析算法，獲得顆粒的密度與粒徑分布，并將測量結(jié)果顯示到lcd屏，為快速煙霧顆粒的測量提供了一種有效、快速的解決方案。
背景技術(shù)：
：煙顆粒識別，是煙顆粒檢測中的一個難點，傳統(tǒng)的感煙方式如離子感煙探測技術(shù)、光電感煙探測技術(shù)、以及在gb4715-93標準中出現(xiàn)的技術(shù)，運用了不同的方法，并使用了較大型的器械。傳統(tǒng)分析理論使用物理化學方法，進行的模型建設(shè)與模擬[1]，實際使用效果不高；空氣采樣檢測煙顆粒中，吸氣散射法[2]與粉塵法[3]、化學膠體法[4]，僅僅限于對大顆粒煙塵感知，而無法獲得顆粒徑與密度。使用激光全散射法成像形成的顆粒探測[5，6]，由于動態(tài)圖像分辨率差，成本高，所形成的顆粒徑應(yīng)用性差；傳統(tǒng)的煙塵圖像斑點識別技術(shù)[7]限于像素識別，物理直徑計算不準確；而用于光學成像測距的斑點物理距離計算[8]，由于沒動態(tài)捕獲斑點最小值算法，智能性不足，在對煙場應(yīng)用中效果較差。本發(fā)明采用低密度小顆粒的感煙探測技術(shù)，與吸氣法的大顆粒感煙探測技術(shù)綜合優(yōu)點，可以快捷寬譜（顆粒徑譜）探測顆粒。[1]thegenevaassoeiation.genevaassociationnewletter:wbrldfirestatisties.oct.2003；[2]李宏文,冉鵬.吸氣式感煙探測報警系統(tǒng)的應(yīng)用[]j.建筑科學.vol16,nos,2000.47-49；[3]thorstensehultze,ingolfwillms.smokeanddustmonitoringbyamicroscopevideosensor.aube’04,pp:716-722,2004；[4]gqq0.1型煙霧傳感器.淮南市潤金工礦機電有限公司；[5]趙建華,袁宏永,等.多波長激光全散射法探測火災(zāi)煙霧的研究[j].應(yīng)用激,2001,21(2):79-81；[6]疏學明，袁宏永，蘇國鋒，鄭魁，章為民.基于激光片光源的火災(zāi)煙霧探測新技術(shù)研究；消防科學與技術(shù)2003年11月第22卷第6期；[7]馬綏華等.圖像火災(zāi)探測中液品光閥的特性.光學技術(shù)，vol.29，no.4，504-508200.3；[8]陳濤.火災(zāi)氣體產(chǎn)物和煙霧顆粒的光聲復(fù)合探測研究,合肥,中國科學技術(shù)大學2004。技術(shù)實現(xiàn)要素：工作原理帶電荷q的煙顆粒質(zhì)量m，在電場e的作用下，向一個方向運動，如圖一所示。煙顆粒在電場的作用下，向一個方向運動并最終停留在邊緣。這個時間為公式1，詳見附圖13。δt為煙顆粒到達泡室另一邊時間，之后停留在泡室邊緣；q為一個煙顆粒所帶有電量。對于n個煙顆粒，會在邊緣形成一層吸附物，并如圖2所示。如果每次泡室ｖ中有n個煙顆粒，完全吸附到邊緣（稱泡室取樣表面，簡稱泡面）。該泡面面積為s，到達泡面的通道長l，寬(高)為d，每次煙塵的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出斑狀態(tài)分布。出現(xiàn)斑狀態(tài)分布時，測量出斑的面積sb，此時圖像的倍率為k0，提高倍率到k時，斑中出現(xiàn)不可再分斑點時，計算圖像的像素為x個，斑點所占像素為y個，斑點數(shù)量為p個，并假設(shè)每像素對應(yīng)物理距離為xd，則k倍率下斑點直徑d為公式2，詳見附圖14。物理距離xd由泡面上標準已經(jīng)距離線段，通過同步成像到光學傳感器上形成。其中的斑點倍率控制算法為：步驟１；變量為k，初始值為k0步驟２；斑點像素值為rgb，其中rgb0為斑點值，閾值△rgb(常數(shù))步驟３；已知一個像素對應(yīng)物理距離為xd步驟４；遍歷當前所有像素與相鄰像素的rgb差值△rgb步驟５；記錄所有rgb值與rgb0相差大于△rgb的數(shù)量p步驟６；if(p增加)步驟７；k+1，到步驟４步驟８；else步驟９；計算當前倍率下圖像總像素x，斑點像素y，斑點數(shù)量p步驟10；計算斑點直徑d當前的斑點直徑即為顆粒的平均直徑值?；馂?zāi)煙霧顆粒檢測技術(shù)由顆粒吸附、顆粒聲像、顆粒測量與徑譜計算、顯示四個部分組成，如圖3所示：煙霧顆粒群在高電壓場帶電①加速進入泡室②，沿泡室加速通過長為l，寬為ｄ通道④，以不同質(zhì)量m吸附到泡面③上，泡面③以周期t獲取煙霧顆粒堆積厚度，由圖像傳感器與圖像電路⑨形成一幀圖像，圖像由arm處理器系統(tǒng)⑥進行計算，依據(jù)顆粒質(zhì)量m在泡面上分布計算形成粒徑分布曲線、數(shù)據(jù)、密度，顯示在lcd顯示器上。徑向高壓電路⑤作用在高速通道二側(cè)④形成側(cè)向電壓，提高顆粒徑分辨率，電壓由arm處理系統(tǒng)控制?？刂齐娐发苡糜谛纬筛唠妷孩僖约芭菔叶ㄏ蚋唠妷弘妶觥＃才菔椅皆砀邏弘妶鲎饔糜卸€，在泡室外形成對流動狀態(tài)的空間煙霧顆粒充電①，使得煙霧顆粒帶電形成煙霧充入泡室②，并定向電場④作用下加速向泡面③，并吸附在泡面上。如圖4所示。利用空氣負壓技術(shù)與電子空氣活塞技術(shù)，進行煙顆粒的取樣，這個過程分為三步：抽取煙顆粒、釋放離子、電子加速成像。其中電子成像的本質(zhì)是獲取一個煙顆粒吸附層，并進行電子成像。詳細過程如圖5所示。泡室工作產(chǎn)生的工作主要由二個部分組成，環(huán)境初始化完成對煙顆粒的帶電與煙量吸入，二個部分工作電路是電暈產(chǎn)生，由外層的尖端放電產(chǎn)生；完成后進行高壓煙顆粒引入。一個實例：考慮煙顆粒直徑分布在1μm的事實，煙顆粒的密度ρ為106--108/cm3，且體積v=1mm3情況下，在泡面面積為sq=1mm2時，對應(yīng)煙塵顆粒等效總面積為s=0.785×10-3—0.785×10-1mm2，吸附煙塵厚度h為0.785×10-3—0.785×10-1mm,下表為不同煙顆粒直徑下的的典型h值：表1不同煙顆粒直徑下的的典型h值煙顆粒直徑d0.010.110100h0.785×10-7—0.785×10-50.785×10-5—0.785×10-30.785×10-1—0.785×100.785×10—0.785×103煙霧顆粒的尺寸分布在0.01-100μm，而一般粒子濃度范圍是：n0=3×106粒子數(shù)/cm3數(shù)量級，對一個只有一個1立方毫米的泡室，它的典型值域如表2：表21立方毫米典型分析值域表：煙顆粒粒子數(shù)目1平方毫米時的δd*0.01-100μm300030μm0.01-1μm300017．2μm1-100μm30001．2mm由此形成一個模型如下：在δt≈1毫秒時間內(nèi)，對粒子濃度是106粒子數(shù)/cm3數(shù)量級的煙顆粒，在0.5厘米長1平方毫米截面的泡室內(nèi)，可以在邊緣形成一個厚度為最小0.2微米到最大12微米的附著層，如果將截面積增加100倍，即取通道長l為泡面直徑d的３到５倍,附著層約為一個顆?；蚨鄠€顆粒斑狀態(tài)結(jié)構(gòu)，每個結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出與加速電場強度相關(guān)特性，獲取此時顆粒斑圖像完成泡室工作過程。3泡室取樣控制電路進入泡室的帶電煙顆粒通過恒定水平加速電場與可調(diào)整垂直電場選擇煙塵顆粒m（電量），在泡面上形成厚度為δd吸附帶斑，通過測量δd斑的變化計算出煙顆粒密度。泡室工作電路，由高壓電場發(fā)生電路、清洗(泡面)電路與垂直電場、圖像使能控制電路組成。如圖6，電場驅(qū)動電路由脈沖電路提供形成高壓電場，其中的垂直電場為進入加速通道的煙顆粒，提供一個偏轉(zhuǎn)電場，選擇不同顆粒質(zhì)量電荷比的微顆粒。水平電場的強度由arm處理系統(tǒng)微調(diào)整形成。完成一次取樣，需要開啟清洗功能時，清洗電路開啟進氣孔、同時開啟（圖7）底部泄氣孔，對泡面進行多次煙顆粒清除。在取樣完成后（多次進氣），發(fā)出使能信號，開啟ccd傳感器。時序周期由t1、t2、t3、t4四個階段周期組成，t1周期為固定取樣周期；t2周期為固定清洗周期；t3為圖像使能信號啟動周期，為不固定周期，需要arm發(fā)出本周期結(jié)束信號，才進入下一個周期t4；t4檢測結(jié)束，為固定或可設(shè)置周期，默認為固定周期。圖8為電場驅(qū)動電路框架，使用基頻脈沖形成恒定直流電壓v1，v1加在泡室水平端，構(gòu)成進氣電暈電場，讓煙塵帶電，同時帶電粒子進入泡室；關(guān)閉進氣孔后，形成水平電場，將帶電粒子水平加進入(加速)通道；加速通道垂直方向加有平板電極，電壓由v2提供，其中的驅(qū)動頻率由arm控制，形成約為v1/3~v1/5的直流電壓。４電子取樣周期與清洗周期煙塵取樣周期由t1_1、t1_2二個子周期形成，t1_1為進氣口煙塵顆粒帶電階段，由進氣口形成a、b點高壓電場（如圖9）；t1_2階段開啟進氣孔，由內(nèi)極板a’、b’形成高壓加速電場；這二個周期可以反復(fù)多次，以取得較高的吸附圖像的可識別度。清洗周期為固定長周期的過程，通過一次帶電后的氣體移動，對泡面形成連續(xù)沖洗。二者的周期關(guān)系如圖10所示：５圖像電路在泡面上有一個光學的成像系統(tǒng)，用于將泡面上吸附的煙塵光斑形成圖像。成像電路由光學系統(tǒng)、ccd感光器件組成，形成的圖像由ａｒｍ組成的計算機系統(tǒng)進行計算，形成煙塵密度與徑譜輸出。如圖11為泡面取樣圖像與計算系統(tǒng)電路框架。其中光學系統(tǒng)將煙斑圖樣成像到光學傳感器ｃｃｄ或ｌｃｄ上，傳感器所形成的矩陣圖像數(shù)據(jù)存入圖像存儲器；arm處理器在接收到使能信號后，對存儲器數(shù)據(jù)進行計算，并顯示到顯示器上。6顆粒密度與直徑算法泡面上形成的圖像受到二個條件的控制。一個是完成一次采樣的使能信號；另一個是對垂直電場的參數(shù)初始化，主要是由電場強度ec與持續(xù)時間t決定。不同的ec選擇不同粒徑（質(zhì)量m’）d的粒子，并以公式確定粒子的在直徑ｄ的泡面上分布。公式如下：m'=(l/d)*(ec/es)*m式中es為加速電場強度，m為泡室中顆粒的質(zhì)量，是一個從極小值到較大值的變量，或是質(zhì)量譜?？梢杂弥睆阶V進行表示。公式說明，在固定泡室（l/d確定）與電場不變（ec/es確定）情況下，打到泡面上的顆粒質(zhì)量m’是確定的。也就是到達泡面的顆粒質(zhì)量介于(l/d)*(ec/es)*m與m之間。顯然這一質(zhì)量譜是連續(xù)的，對應(yīng)的顆粒直徑也是連續(xù)的。通過調(diào)整電場ec，并連續(xù)獲得每個對ｅc下的斑點直徑（算法），就可以形成顆粒的直徑d，連續(xù)增加或減?。錭所形成的d值，構(gòu)成了當前環(huán)境下，煙塵顆粒的直徑連續(xù)排序（如圖12），稱為顆粒徑譜。曲線生成算法：；輸出ec控制信號，確定ec值；啟動顆粒取樣過程（電路）；使能信號到達，讀取圖像存儲（獲取圖像）；運行斑點直徑算法，計算斑點直徑，并以平均直徑為本次顆粒直徑；形成數(shù)組（ec，顆粒直徑d）,并繪制到坐標上；ec+△ec,到開始處算法運行以調(diào)整ec并確定，進行描繪。徑譜與密度計算顆粒數(shù)量n由斑點部面積s，與本次測量顆粒直徑d，用如下公式計算形成：n=2s/(πd*d)如果吸氣k次，每次體積為v，則顆粒密度ρ公式為：ρ＝n/kv比較測試。說明附圖：圖1煙塵在泡室電場中運動受力分析；圖2煙室煙顆粒吸附示意圖；圖3火災(zāi)煙霧顆粒檢測技術(shù)框架圖；圖4泡室吸附原理圖5泡室取煙顆粒示意圖；圖6泡室控制電路；圖7泡室功能圖像與清洗結(jié)構(gòu)圖；圖8電場驅(qū)動電路框架；圖9電子取樣周期的高壓電場框架；圖10取樣周期與清洗周期電場控制時序；圖11泡面取樣圖像與計算系統(tǒng)電路框架；圖12不同ec在運行斑點直徑算法下形成的曲線（譜線）；圖13公式一圖14公式二。當前第1頁12