CN105588792A - 一种基于片光源的二维烟雾浓度场测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于片光源的二维烟雾浓度场测量装置，包括烟雾产生装置、激光发射装置和拍摄处理装置；其中：所述的烟雾产生装置包括产烟箱、扰动风机、多孔整流层、玻璃烟腔及光学烟密度计；所述的激光发射装置包括激光器、片光源镜头组、柱面透镜、若干立柱及导轨A；所述拍摄处理系统包括CCD摄像机、立柱、导轨B及计算机，所述CCD摄像机从侧面垂直方向接收片光源的散射光，通过图像处理获得二维平面内不同位置散射光的强度，根据光散射理论计算相对二维烟雾浓度场，最后利用线型光学烟密度计测量的线平均浓度可对得到的数据进行标定。本发明对烟雾场干扰非常小，通过扰动与整流设计，可以产生均匀浓度分布的烟雾，对理论研究起到了很好的支撑作用。

Description

一种基于片光源的二维烟雾浓度场测量装置

技术领域

本发明涉及烟雾浓度场测量的技术领域，具体涉及一种基于片光源的二维烟雾浓度场测量装置。

背景技术

烟雾是伴随火灾整个过程的特征参量，是火灾科学研究领域中人们最为关心的特性之一，烟雾浓度直接反映了烟量的大小、能见度降低的情况和烟雾的危害程度，在各种火灾实验及标准火测试中都将它作为基本实验参数。常用的火灾烟雾浓度测量器件主要分为离子感烟型和光电感烟型两类。离子感烟型烟雾浓度测量器件属于点式测量，而且对探测器与火灾源距离、烟雾颗粒大小有很大限定。光电感烟技术是利用烟颗粒对光的吸收和散射作用来探测烟雾，散射型的为点式测量，吸收型的也只能测量线上的平均烟雾浓度。为了能够实现三维烟雾浓度场的非干扰测量方法，本发明从二维烟雾浓度场测量研究出发，为三维测量研究做准备工作。

本发明主要应用于研究火灾发生初始阶段烟雾的浓度分布、扩散速度等特征变化，为深入了解烟雾运动规律有十分重要的意义，为火灾烟雾探测领域研究提供实验研究的支撑。

发明内容

本发明的主要目的是实现一般尺度下烟雾浓度场的快速测量，对采集到的图像数据进行处理及修正研究，通过研究平面上二维烟雾浓度的测量方法，为实现三维烟雾浓度重构奠定基础。

本发明采用的技术方案为：一种基于片光源的二维烟雾浓度场测量装置，包括烟雾产生装置、激光发射装置和拍摄处理装置；其中：

所述的烟雾产生装置包括产烟箱、扰动风机、多孔整流层、玻璃烟腔及光学烟密度计，在所述产烟箱两侧安装两对扰动风机，使得产烟箱中放置的棉绳或木材等烟源产生的烟雾能够被充分扩散，烟雾再经过产烟箱上方的多孔整流层变成均匀的烟雾进入薄片状的玻璃烟腔内，最后经过玻璃烟腔上方连接的集烟罩由排烟风机排出，所述玻璃烟腔上方悬挂线型光学烟密度计用于测量固定位置上的平均线烟雾浓度，所述玻璃烟腔用高透过率的超白玻璃制作，并由铝合金钢架支撑，所述产烟箱、多孔整流层和集烟罩均用铝合金材料制作，所述多孔整流层与产烟箱用插槽连接，便于根据实验需要可将多孔整流层抽出，产生不均匀烟雾进行测量实验；

所述的激光发射装置包括激光器、片光源镜头组、柱面透镜、若干立柱及导轨A，所述激光器、片光源镜头组和柱面透镜均固定在高度可调立柱上，与导轨A连接成激光发射装置，激光从激光器发出，经过片光源镜头组变为扇形片光源，再经由柱面透镜变为平行片光源，最后照射于玻璃烟腔内的烟雾上发生散射；

所述拍摄处理系统包括CCD摄像机、立柱、导轨B及计算机，计算机与CCD摄像机连接，CCD摄像机固定在立柱上，立柱安装在导轨B上，所述CCD摄像机用于从侧面垂直方向接收烟雾的散射光，通过图像处理获得二维平面内不同散射光的强度，根据光散射理论计算相对二维烟雾浓度场，最后利用线型光学烟密度计测量的线平均浓度可对得到的数据进行标定。

其中，所用导轨B均用钢材制作，为工形结构；所用立柱可以与工形导轨连接，分为内外两管高度可调，立柱上端连接云台可以调节相应仪器的角度。

本发明与现有技术相比的优点及积极效果为：

在背景技术的描述中可知，相对现有的点式、线式测量，对烟雾浓度进行场测量对于火灾烟雾运动规律研究及探测技术研究均有十分重要的意义。本发明具备的主要优点有：1-本发明采用片光源及CCD摄像机构成主要测量系统，对所测量的烟雾场干扰非常小。2-本发明作为一种实验测量手段将烟雾浓度测量从点、线，扩展到了二维平面。3-本发明通过扰动与整流设计，可以产生均匀浓度分布的烟雾，对理论研究起到了很好的支撑作用。由于具备上述一些优点，本发明会带来一些积极效果：1-促进烟雾场浓度测量的理论研究，对火灾科学中的烟雾特性、烟雾探测等方面的研究起到促进作用。2-通过研究二维的烟雾浓度场测量技术，可促进三维立体空间内烟雾浓度场测量的实现。3-促进其他领域颗粒群测量技术的发展。

附图说明

图1为测量平面的成像原理；

图2为基于片光源的烟雾二维浓度场测量实验装置示意图，其中，1为激光器，2为片光源镜头组，3为排烟风机，4为线型光学烟密度计，5为集烟罩，6为线型光学烟密度计，7为玻璃烟腔，8为多孔整流层，9为产烟箱，10为扰动风机，11为燃烧盘，12为导轨B，13为立柱，14为计算机，15为导轨A，16为CCD摄像机。

具体实施方式

尽管烟雾颗粒存在各种几何形状，但是由于粒子的空间取向可以认为是随机的，以球形假设来进行Mie散射计算不会产生过大误差，而烟颗粒间的距离足够大满足不相关单散射条件，其散射波强度具有可加性，所以由N个烟颗粒作为散射中心的集合体的散射光强度就是单个烟颗粒散射光强度的N倍。

根据Mie散射理论,当波长为λ、光强为I₀的光线平行入射到一个直径为d的各向同性球形颗粒上时，在散射角为距离散射体r处的散射光强为I_s：

$I_s=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{8{\mathrm{\π}}^2{r}^2}{I}_0(i_1+i_2)$

其中i₁、i₂称为散射光的强度函数，其函数式如下：

其中S₁，S₂称为散射光的振幅函数，分别为其共轭复数，a为颗粒的尺度参数：

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\π}d}{\mathrm{\λ}}$

m为烟颗粒相对周围介质的折射率。

S₁，S₂可以表示为如下无穷级数：

$S_1=\underset{n=1}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}\frac{2n+1}{n(n+1)}(a_n\mathrm{\π}+b_n{\mathrm{\τ}}_n)$

$S_2=\underset{n=1}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}\frac{2n+1}{n(n+1)}(a_n{\mathrm{\τ}}_n+b_n{\mathrm{\π}}_n)$

其中a_n，b_n是Mie系数，它们的计算是整个Mie散射计算的核心，可根据其递推关系使用数值计算来得出。

测量平面上一个微元内的烟颗粒数为N，则微元的散射光强为：

$I=\frac{{\mathrm{\λ}}^{2}N}{8{\mathrm{\π}}^2{r}^2}{I}_0(i_1+i_2)---\left(1\right)$

测量平面的成像原理如图1所示，设点q(x，y)的烟雾向O点方向散射的光线强度为I(x，y)，散射光线与片光法线的夹角为θ，D为q点与相机光心O的距离，S为相机入瞳面积，τ为相机光学系统的透过率，S_q为q点微元面积，像面对应点q＇像元接收到的光通量为：

曝光时间为T，像元q＇输出的灰度值G(u，v)可以表示为：

最终得到q点像相机镜头方向散射的光强L(x，y)表示为：

$I(x,y)=\frac{G(u.v)D^2}{{\mathrm{\τTSS}}_q{\cos }^2\mathrm{\θ}}---\left(2\right)$

结合(1)式和(2)式，可得：

$N(x,y)=\frac{D^2}{{\mathrm{\τTSS}}_q{\cos }^2\mathrm{\θ}}\·\frac{8{\mathrm{\π}}^2{r}^2}{{\mathrm{\λ}}^2{I}_0(i_1+i_2)}\·G(u.v)$

即建立了测量平面微元(x,y)烟雾浓度与图像像素点(u,v)灰度值的对应关系，可设计相应的实验装置获得烟雾图像的G(u，v)，进行二维烟雾浓度场的测量。

本发明技术方案主要由烟雾产生装置、激光发射装置和拍摄处理装置三个部分构成。

所述的烟雾产生装置包括产烟箱、扰动风机、整流层、玻璃烟腔及光学烟密度计，在所述实验产烟箱两侧安装两对扰动风机，使得产烟箱中放置的棉绳或木材等烟源产生的烟雾能够被充分扩散，烟雾再经过产烟箱上方的多孔整流层变成均匀的烟雾进入薄片状的玻璃烟腔内，最后经过玻璃烟腔上方连接的集烟罩由排烟机排出，所述玻璃烟腔上方悬挂线型光学烟密度计用于测量固定位置上的平均线烟雾浓度，所述玻璃烟腔用高透过率的超白玻璃制作，并由铝合金钢架支撑，所述产烟箱、多孔整流层和集烟罩均用铝合金材料制作，所述多孔整流层与产烟箱用插槽连接，便于根据实验需要可将多孔正整流层抽出，产生不均匀烟雾进行测量实验。

所述的激光发射装置包括激光器、片光源镜头组、柱面透镜、若干立柱及导轨构成，所述激光器、片光源镜头组和柱面透镜均固定在高度可调立柱上，再与导轨连接成激光发射装置，激光从激光器发出，经过片光源镜头组变为扇形片光源，再经由柱面透镜变为平行片光源，最后照射于玻璃烟腔内的烟雾上发生散射。

所述拍摄处理系统由CCD摄像机、立柱、导轨，及计算机组成，所述CCD摄像机从侧面垂直方向接收片光源的散射光，通过图像处理获得二维平面内不同位置散射光的强度，根据光散射理论计算相对二维烟雾浓度场，最后利用光学烟密度计测量的线平均浓度可对得到的数据进行标定。所用导轨均用钢材制作，为工形结构；所用立柱可以与工形导轨连接，分为内外两管高度可调，立柱上端连接云台可以调节相应仪器的角度。

下面结合附图2，通过实例对本发明作进一步说明。

实验所用装置有：产烟箱9、燃烧盘11、扰动风机10、多孔整流层8、玻璃烟腔7、集烟罩5、排烟风机4、线型光学烟密度计6、激光器1、CCD摄像机16和计算机14。燃烧盘放置于产烟箱内，产烟箱上依次是多孔整流层、玻璃烟腔、集烟罩和排烟风机，光学烟密度计固定在玻璃烟腔上部从侧面将测量光路置于玻璃腔内，光学烟密度计通过数据线与计算机连接，激光发射装置位于玻璃烟腔左侧，产生片光源从左向右射入玻璃烟腔，拍摄系统位于玻璃烟腔正前方，通过数据线与计算机连接。

实验所用的烟源材料种类、数量根据实验需要来确定。实验准备阶段，先开启计算机、光学烟密度计和CCD摄像机，调整好CCD摄像机的位置和角度，根据实验需要设定好CCD摄像机的参数，并测试数据传递是否通畅，然后再开启激光器，调整激光器、镜头组的位置和角度。打开扰动风机，将准备好烟源材料(木材，棉绳，或者正庚烷)点燃后放入产烟箱开始实验，通过计算机上的控制软件同时开始记录CCD摄像机的图像数据和光学烟密度计的数据，实验结束时先停止数据的记录并保存，再开启排烟风机进行排烟，然后依次关闭激光器、CCD摄像机和光学烟密度计，实验结束。

Claims (2)

1.一种基于片光源的二维烟雾浓度场测量装置，其特征在于：包括烟雾产生装置、激光发射装置和拍摄处理装置；其中：

所述的烟雾产生装置包括产烟箱(9)、扰动风机(10)、多孔整流层(8)、玻璃烟腔(7)及光学烟密度计(6)，在所述产烟箱(9)两侧安装两对扰动风机(10)，使得产烟箱(9)中放置的棉绳或木材等烟源产生的烟雾能够被充分扩散，烟雾再经过产烟箱(9)上方的多孔整流层(8)变成均匀的烟雾进入薄片状的玻璃烟腔(7)内，最后经过玻璃烟腔(7)上方连接的集烟罩(5)由排烟风机(4)排出，所述玻璃烟腔(7)上方悬挂线型光学烟密度计(6)用于测量固定位置上的平均线烟雾浓度，所述玻璃烟腔(7)用高透过率的超白玻璃制作，并由铝合金钢架支撑，所述产烟箱(9)、多孔整流层(8)和集烟罩(5)均用铝合金材料制作，所述多孔整流层(8)与产烟箱(9)用插槽连接，便于根据实验需要可将多孔整流层抽出，产生不均匀烟雾进行测量实验；

所述的激光发射装置包括激光器(1)、片光源镜头组(2)、柱面透镜(3)、若干立柱及导轨A(15)，所述激光器(1)、片光源镜头组(2)和柱面透镜(3)均固定在高度可调立柱上，与导轨A(15)连接成激光发射装置，激光从激光器(1)发出，经过片光源镜头组(2)变为扇形片光源，再经由柱面透镜(3)变为平行片光源，最后照射于玻璃烟腔(7)内的烟雾上发生散射；

所述拍摄处理系统包括CCD摄像机(16)、立柱(13)、导轨B(12)及计算机(14)，计算机(14)与CCD摄像机(16)连接，CCD摄像机(16)固定在立柱(13)上，立柱(13)安装在导轨B(12)上，所述CCD摄像机(16)用于从侧面垂直方向接收烟雾的散射光，通过图像处理获得二维平面内不位置同散射光的强度，根据光散射理论计算相对二维烟雾浓度场，最后利用线型光学烟密度计(6)测量的线平均浓度可对得到的数据进行标定。

2.根据权利要求1所述的基于片光源的二维烟雾浓度场测量装置，其特征在于：所用导轨B(12)均用钢材制作，为工形结构；所用立柱(13)可以与工形导轨连接，分为内外两管高度可调，立柱(13)上端连接云台可以调节相应仪器的角度。