CN105891074B - 一种粉尘浓度图像采集装置及采集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种粉尘浓度入射光、散射光和透射光信息的图像采集装置及采集方法，其中图像采集装置包括发光器、分光器以及集光器，分光器将所述发光器发出的探测光分为透射光和反射光，集光器收集所述反射光及穿过粉尘的透射光，集光器包括光纤支路、光纤干路、光纤耦合器、收集透镜及CCD相机，光纤支路设置在所述反射光的出射口，光纤干路设置在所述透射光的出射口，光纤支路和光纤干路出光口连接在所述光纤耦合器的入口，在所述光纤耦合器的出口依次连接所述收集透镜和CCD相机。本发明装置简化了入射光、散射光和透射光采集装置设计的复杂度，同时提高了入射光、散射光和透射光信息的测量精度，能够实时地、在线地采集测量信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种粉尘浓度图像采集装置及采集方法，属于粉尘浓度测量技术领域。
背景技术
光学法以其灵敏度高，精度高，重复性好，无扰动，可实时在线测量等优点，在众多粉尘浓度测量法当中独树一帜，尤其是光散射法和光透射法，满足实时在线测量的要求，因此越来越广泛地被应用于实际测量当中。图1为现有的光学采集系统，使用光电探测器收集前向散射或透射光信号，且光电探测器分布在测量区域周围。通过数据转换模块将各个光电探测器的电压值转化为数字量信号。具体原理如下：激光器1发射出激光，经准直透镜组2准直后再由半透半反镜3透射出的一束光用于粉尘颗粒散射光和透射光探测，最后经过收集透镜5后被光电探测器6接收；经半透半反镜3反射出的另一束光，由收集透镜7后被光电探测器8接收。
如图1所示，现有的光学信息采集装置对所有光学元器件的同轴度要求很高，激光发生装置与接收装置分布在测量区域的两侧，因此需要许多固定和夹持装置以保证各元器件高度同轴。而且光电探测器6必须与激光器1、光学透镜2等元器件的几何中心在一条直线上，散射光或透射光的采集需要安装多个光电探测器，系统装置结构十分复杂。目前粉尘浓度测量技术中，前向散射光在测量中尤为常见，实际测量现场的空间区域很大，光电探测器6的布局成为一个难题；若光电探测器与测量目标的距离太大，则散射光衰减得越多，导致光电探测器6接收不到光信号，因此现有装置中光电探测器6的安装难度很大；由于激光发射装置与光电探测器6在粉尘测量区域的两侧，在外界振动等因素的干扰下，容易使激光发射装置与接收装置光学中心发生偏移，导致严重的测量误差；
在工业现场中，对于现有的光学采集系统而言，安装工作十分地不便和困难。此外，现场的噪声、湿度和温度，都对装置测量的精度产生严重的干扰；现有的测量系统很难有效地同时采集散射光、透射光和入射光，阻碍了光学法在粉尘浓度测量方面广泛地应用；此外，现有光学信号采集装置一旦安装后，则不方便进行光路、光束质量的调节。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有粉尘浓度测量系统中光学信息采集装置存在的不足和缺陷，提出一种既能收集入射光信息，又能捕捉散射光和透射光信息的采集装置及方法，提高基于光学法的粉尘浓度在线测量系统的精度。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种粉尘浓度入射光、散射光和透射光信息的图像采集装置，包括发光器、分光器以及集光器，所述分光器将所述发光器发出的探测光分为透射光和反射光，所述集光器收集所述反射光及穿过粉尘的透射光，其特征在于：所述集光器包括光纤支路、光纤干路、光纤耦合器、收集透镜及CCD相机，所述光纤支路设置在所述反射光的出射口，所述光纤干路设置在所述透射光的出射口，所述光纤支路和光纤干路出光口连接在所述光纤耦合器的入口，在所述光纤耦合器的出口依次连接所述收集透镜和CCD相机。
所述光纤干路设置在一光纤导管内，该光纤导管位于一筒体装置内，在该筒体装置上连接有进风口和通风导管，在所述进风口连接有吹风装置，所述通风导管包括出风口和进风孔，所述进风孔与所述筒体装置的内腔连通，所述出风口与外界连通，所述光纤干路的光纤端面位于所述通风导管内，且光纤端面和出风口分别位于所述通风孔的两侧。
在所述筒体装置还设置有一激光导管，所述透射光从所述激光导管中穿过。
在所述透射光的光路上还设置有一将所述透射光的方向反向的角锥棱镜，该角锥棱镜也设置在所述筒体装置内。
一种粉尘粉尘浓度入射光、散射光和透射光信息采集方法，其特征在于，步骤为：
步骤1：发光器发出一经准直后的探测光；
步骤2：采用分光器按光强比1:1分束后，其中透射光进入粉尘空间后产生的散射光和透射光由光纤干路接收；反射光则被光纤支路所收集；
步骤3：光纤支路和光纤干路耦合后通过收集透镜收集后，被CCD相机所捕捉。
一种粉尘浓度入射光、散射光和透射光信息采集方法，其特征在于，步骤为：
步骤1：发光器发出一经准直后的探测光；
步骤2：经过半透半反镜按光强比1:1分束后，其中透射光进入筒体装置中的激光导管，反射光则被光纤支路所收集；
步骤3：角锥棱镜将激光导管出射的激光束反方向回射进入粉尘空间，产生的散射光和透射光由光纤导管中的光纤束干路接收；
步骤4：光纤支路和光纤干路耦合后通过收集透镜收集后，被CCD相机所捕捉；
步骤5：吹风装置把干净的、具有一定压强的压缩空气送入进气口，并充满整个筒体装置空间，营造正压环境防止粉尘空间中的粉尘颗粒和外界干扰因子的渗入；
步骤6：压缩空气经由通气孔以层流的形式流出筒体装置外，并在通气孔出口处的光纤干路端面上的形成一层空气膜，阻挡粉尘颗粒的粘附，且不干扰粉尘空间的流场。
本发明利用CCD相机、光纤以及光学元器件，设计一套入射光、散射光和透射光采集装置，使之能满足实时在线测量系统稳定、快速、可靠以及高精度等要求。
本发明提出一种新型的光学信号采集系统，利用高精度、高灵敏度的CCD相机和高分辨率的光纤束，能够在实时在线地采集携带粉尘浓度信息的散射光和透射光信号，以及原始入射光信号；通过光纤的耦合，将散射光信息、透射光信息以及原始入射光信息汇集后，被CCD相机所捕捉；本系统通过结构上的设计，使得激光发射装置与接收装置处在同一侧，有利于前向散射光的测量；本系统带有吹风装置，保护光学窗口的清洁，防止粉尘颗粒的渗入以及一定的冷却作用，因此该系统能够适应工业现场恶劣的测量环境；本系统将各个元器件高度集成，高集成度使得系统安装方便，提高系统测量稳定性和精度，适用于工业现场恶劣的测量环境；同时，本系统在滤波和准直元器件中，采用了可微调的夹持装置，系统集成之后仍能对光路、光束质量进行调节，有利于装置的调试。
综上所述，本发明将光学元器件集成在统一的机械结构中，极大地简化了系统的安装难度。滤波准直器后获得高质量的激光束，经过半透半反镜的分束后，形成两束光线，使得装置能够获得入射光信息；设置一个角锥棱镜，使得激光束回射，解决了前向散射中光源发射装置与接收装置布局的困难，有利于系统的集成、安装，光学对中难题很好地解决。
本发明用CCD相机和光纤把入射光、散射光以及透射光集成在一张图像上，极大地简化的原有装置的复杂度，也提高了光强测量的精度，减少由装置布局和安装引起的测量误差。光纤的使用，也增大了装置测量的距离，在高温高湿的恶劣环境下，有效地保护了敏感的测量元器件。由CCD相机捕捉到的光信号，能够实时地、在线地传输到计算机中分析计算。同时还有吹风装置对光学窗口(光纤干路端面和角锥棱镜)清扫，以及对筒体装置的保护。
本发明装置简化了入射光、散射光和透射光采集装置设计的复杂度，同时提高了入射光、散射光和透射光信息的测量精度，能够实时地、在线地采集测量信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)在粉尘浓度测量领域，将CCD相机与光纤用于同时采集入射光、散射光和透射光信息采集，并将上述三种光信号集成在一张图像上，使得众多先进光学算法得以在实时在线测量系统中应用；而且CCD相机与光纤用于光信号采集，比现有的光电探测器精度高、稳定性好；
2)该装置安装一个角锥棱镜用于将探测光回射，解决了大空间测量光源发射与接收布局、安装的难题；
3)该装置带有吹风装置，设定好气压后，不但能形成稳定的层流空气膜清扫光学窗口，而且还能防止外界粉尘渗入，同时还起到了一定的冷却作用；
4)该装置实时在线测量性能好，测量精度高；
5)该方法受外界因素(如温度、湿度、振动等)影响小。
附图说明
图1是现有光学信息采集装置示意图；
图2为本发明粉尘浓度光学采集装置原理方框图；
图3为本发明光纤采集示意图；
图4为光线耦合后的图像；
图5为本发明采集器装置结构示意图；
图6为本发明通风导管的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细说明：
如图2所示，本发明一种粉尘浓度入射光、散射光和透射光信息的图像采集装置，为了使装置结构简洁、适用，本发明采用CCD相机、光纤束和其他光学元器件。
本发明装置包括激光器11、准直透镜12、半透半反镜13、角锥棱镜14、粉尘空间15、吹风装置16、光纤17、收集透镜18、CCD相机19、计算机110。其中光纤17包括光纤支路171和光纤干路172。下面对装置构件进行说明。
激光器11，采用全固态激光器11，额定功率5mW，激光波长532nm，光束出射直径1.5mm；
滤波准直器12，采用分体式针孔型低通滤波器和准直透镜，可进行空间三维方向上位移的微调，用于滤除激光器11发射出的激光束中的高频散射光，改善光束质量，并将激光束扩束准直为直径4mm；
半透半反镜13，将经过滤波准直器12的激光束分成两路，分光比为1:1；
角锥棱镜14，用于把半透半反镜13透射出的激光束，以相反的方向全反射回去，并作一定距离的平移；
粉尘空间15，激光束到达粉尘空间15，产生散射光和透射光；
光纤17，采用光纤传像束17用于收集入射光、散射光和透射光，如图3所示，光纤传像束17由光纤支路171和光纤干路172两条支路构成，每条支路由成千上万根光纤组成光纤束，并在支路节点处耦合为一束光纤束，即把光纤支路171中的光纤束排列分布在光纤干路172外周围；光纤支路171与光纤干路172的区别在于，光纤干路172使用的光纤束比光纤支路171的直径更小、数量更多，因此从结构上光纤干路172不宜弯曲而光纤支路171可以呈较大曲率弯曲；光纤支路171负责收集半透半反镜13反射出来的光束，用作入射光的参考光173，光纤干路172负责收集粉尘空间15发生的散射光和透射光174；
吹风装置16，采用气泵将干净的空气用于清扫角锥棱镜14和光纤干路端面172a，使得镜面保持干净清洁，同时内部压强高于外界环境压强，有效地防止粉尘颗粒渗入新型实用装置内部；
收集透镜18，用于收集由光纤17传输过来的光信号；
CCD相机19，采用IDS公司的UI-2220SE系列黑白CCD相机，带有USB数据接口，通过收集透镜18，将入射光173、散射光和透射光174捕捉到同一张图像上，如图4所示为耦合后图像，入射光173分布在圆环区域，散射光和透射光分布在内部圆形区域；
计算机110，采用工业计算机110，通过USB数据接口，与CCD相机19连接，用于控制测量系统启动，数据处理、展示和存储。
其中吹风装置16和计算机110是外围设备，其他设备封闭在一个箱体-筒体系统里。计算机110通过USB线缆与CCD相机19数据交互。
如图5所示为装置结构图，筒体装置111是一个带有进气口和出气孔的结构，除此之外均为密闭，且由筒体外壳1113、激光导管1112、光纤导管1114、通风导管1111和进气口1115组成，结构材料除通风导管1111为铝制材料外，其余均为不锈钢；工作原理如下：
步骤1：激光器11发射出一束直径约为1.5mm的激光束，经过滤波准直器12后，获得一束无高频杂散光、直径约为4mm的激光束；
步骤2：经过半透半反镜13按光强比1:1分束后，其中透射光进入筒体装置111中的激光导管1112，反射光则被光纤支路171所收集；
步骤3：角锥棱镜14将激光导管1112出射的激光束反方向回射进入粉尘空间15，产生的散射光和透射光由光纤导管1114中的光纤干路172接收；
步骤4：光纤支路171和光纤干路172耦合后通过收集透镜18收集后，被CCD相机19所捕捉；
步骤5：采集到的入射光、散射光和透射光图像传输到计算机110中显示、计算和存储，得到粉尘浓度值后保存数据；
步骤6：吹风装置16把干净的、具有一定压强的压缩空气送入进气口1115，并充满整个筒体装置111空间，营造正压环境防止粉尘空间15中的粉尘颗粒和外界干扰因子的渗入；
步骤7：激光导管1112和光纤导管1114用于阻隔激光束、光纤干路172与筒体装置111中的压缩空气接触，防止压缩空气干扰测量元器件，同时光纤导管1114还用于固定光纤干路172的位置；
步骤8：如图6所示，通风导管1111上布置了8个通气孔1111a，压缩空气经由通气孔1111a以层流的形式流出筒体装置111外，并在通气孔1111a的出口1111b处的光纤干路端面172a上的形成一层空气膜，阻挡粉尘颗粒的粘附，且不干扰粉尘空间15的流场。
Claims (6)
1.一种粉尘浓度入射光、散射光和透射光信息的图像采集装置，包括发光器、分光器以及集光器，所述分光器将所述发光器发出的探测光分为透射光和反射光，所述集光器收集所述反射光及穿过粉尘的透射光，其特征在于：所述集光器包括光纤支路、光纤干路、光纤耦合器、收集透镜及CCD相机，所述光纤支路设置在所述反射光的出射口，所述光纤干路设置在所述透射光的出射口，所述光纤支路和光纤干路出光口连接在所述光纤耦合器的入口，在所述光纤耦合器的出口依次连接所述收集透镜和CCD相机；所述光纤支路中的光纤束排列分布在所述光纤干路外周围，通过收集透镜，将通过光纤支路收集的入射光和通过光纤干路采集的散射光和透射光捕捉到同一张图像上，入射光分布在圆环区域，散射光和透射光分布在内部圆形区域；在所述透射光的光路上还设置有一将所述透射光的方向反向的角锥棱镜。
2.根据权利要求1所述的粉尘浓度入射光、散射光和透射光信息的图像采集装置，其特征在于：所述光纤干路设置在一光纤导管内，该光纤导管位于一筒体装置内，在该筒体装置上连接有进风口和通风导管，在所述进风口连接有吹风装置，所述通风导管包括出风口和进风孔，所述进风孔与所述筒体装置的内腔连通，所述出风口与外界连通，所述光纤干路的光纤端面位于所述通风导管内，且光纤端面和出风口分别位于所述进风孔的两侧。
3.根据权利要求2所述的粉尘浓度入射光、散射光和透射光信息的图像采集装置，其特征在于：在所述筒体装置还设置有一激光导管，所述透射光从所述激光导管中穿过。
4.根据权利要求3所述的粉尘浓度入射光、散射光和透射光信息的图像采集装置，其特征在于：所述角锥棱镜也设置在所述筒体装置内。
5.一种基于权利要求1所述的粉尘浓度入射光、散射光和透射光信息的图像采集装置的采集方法，其特征在于，步骤为：
步骤1：发光器发出一经准直后的探测光；
步骤2：采用分光器按光强比1:1分束后，其中透射光进入粉尘空间后产生的散射光和透射光由光纤干路接收；反射光则被光纤支路所收集；
步骤3：光纤支路和光纤干路耦合后通过收集透镜收集后，被CCD相机所捕捉。
6.一种基于权利要求4所述的粉尘浓度入射光、散射光和透射光信息的图像采集装置的采集方法，其特征在于，步骤为：
步骤1：发光器发出一经准直后的探测光；
步骤2：经过半透半反镜按光强比1:1分束后，其中透射光进入筒体装置中的激光导管，反射光则被光纤支路所收集；
步骤3：角锥棱镜将激光导管出射的激光束反方向回射进入粉尘空间，产生的散射光和透射光由光纤导管中的光纤干路接收；
步骤4：光纤支路和光纤干路耦合后通过收集透镜收集后，被CCD相机所捕捉；
步骤5：吹风装置把干净的、具有一定压强的压缩空气送入进风口，并充满整个筒体装置空间，营造正压环境防止粉尘空间中的粉尘颗粒和外界干扰因子的渗入；
步骤6：压缩空气经由通气孔以层流的形式流出筒体装置外，并在进风孔出口处的光纤干路端面上形成一层空气膜，阻挡粉尘颗粒的粘附，且不干扰粉尘空间的流场。
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