CN109883911A - 一种粉尘浓度测量的方法及基于光学小孔的粉尘浓度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明主要提出一种粉尘浓度测量方法及基于光学小孔的测量装置，该方法包括已知体积的待测粉尘浓度的气体进入测量场所的步骤；光照射进入测量场所内的待测粉尘浓度的气体的步骤；和获得由待测粉尘浓度的气体中粉尘散射的光线数量的步骤；该装置实现上述方法。本发明利用光散射原理，采用光照射已知体积的待测粉尘浓度的气体，采集由粉尘散射的光线数量，非常直观地反映粉尘浓度。

Description

一种粉尘浓度测量的方法及基于光学小孔的粉尘浓度测量 装置

技术领域

本发明涉及对粉尘浓度检测领域，特别涉及一种粉尘浓度测量方法及基于光学小孔的粉尘浓度测量装置。

背景技术

随着现代科技的快速发展，工业生产中许多粉末物质通常被人们忽视而造成很多悲剧，如粉尘污染、粉尘爆炸等，接尘工人容易患肺癌、鼻咽、喉炎、哮喘等呼吸道疾病。同时细小的粉尘很可能造成电路短路，使芯片失效，粉尘附着在机器上加速摩擦也会缩短其寿命，因此，粉尘浓度的测量越来越重要。目前有几种常规的测量方法测量粉尘颗粒浓度。一是称重法，即抽取一定体积的空气通过已恒重的滤膜，粉尘颗粒留在滤膜上，由采样前后的重量差可以计算出颗粒浓度。当粉尘浓度相对比较低时，滤膜上留存的颗粒质量非常轻，对称重装置提出了极高的要求，实际操作中并不实用。二是利用粉尘颗粒对各种光线的作用（阻挡，吸收，漫反射等），通过测量光线照射前后的变化来获取粉尘浓度信息，但这种方法在检验环境相对恶劣时，测量误差较大。三是压电晶体感应法，它一般用在待检测粉尘浓度较低的情况下，同时需要检测者具有熟练的操作设备的能力，一定程度上限制了该方法的使用。

发明内容

本发明针对目前各种测量粉尘浓度所采用的装置的不足，提供一种粉尘浓度测量方法及基于光学小孔的粉尘浓度测量装置。

本发明为实现其技术目的所采用的技术方案上：一种粉尘浓度测量方法，包括以下步骤：

S1、已知体积的待测粉尘浓度的气体进入测量场所的步骤；该步骤中通过对进入到测量场所的待测粉尘浓度的气体的流速设定获得待测粉尘浓度的气体的体积；

S2、光照射进入测量场所内的待测粉尘浓度的气体的步骤；

S3、获得由待测粉尘浓度的气体中粉尘散射的光线数量的步骤；该步骤中，采用一端密布于测量场所外的球面的光纤采集散射光，光纤的另一端采用曝光材料显示接收，对曝光点进行计数，这就是体积的待测粉尘浓度的气体所含的粉尘粒子数。

本发明利用光散射原理，采用光照射已知体积的待测粉尘浓度的气体，采集由粉尘散射的光线数量，非常直观地反映粉尘浓度。

进一步的，上述的粉尘浓度测量方法中：所述的步骤S2中，光为圆偏振光，是激光源依次经过透镜、偏振片和四分之波片以后形成的。

进一步的，上述的粉尘浓度测量方法中：所述的步骤S3中，在光纤另一端接收时，通过透镜使光源穿过小孔，再次经过透镜和偏振片将散射后的偏振光透射过小孔。

本发明还提供一种基于光学小孔的粉尘浓度测量装置，包括：粉尘流动的通道，在粉尘流动的通道中膨大部形成的空心透明球体，光线直射透光球体的激光器，设置在激光器与空心透明球体之间的第一透镜、第一偏振片、四分之一波片；光纤口密布于空心透明球体的球面上的光纤，在光纤的另一端将光纤捆扎整齐光纤固定架；设置在光纤固定架前的摄像机，设置在光纤固定架与摄像机镜头之间的第二透镜、第一光学小孔、第三透镜、第二偏振片、第二光学小孔。

进一步的，上述的基于光学小孔的粉尘浓度测量装置中：所述的粉尘流动的通道为一中间空心透明球体的圆柱形管道，粉尘流动的通道的一端为待测粉尘浓度的气体进入粉尘流动的通道的粉尘注入口，另一端为测量过的待测粉尘浓度的气体流出粉尘流动的通道的粉尘出口。

进一步的，上述的基于光学小孔的粉尘浓度测量装置中：在空心透明球体球面上与激光器相对设置有吸经过透空心透明球体内部后剩余光线的光陷阱。

进一步的，上述的基于光学小孔的粉尘浓度测量装置中：在所述的粉尘流动的通道的粉尘注入口(5)还设置有可调速风机的送风风机。

进一步的，上述的基于光学小孔的粉尘浓度测量装置中：在所述的粉尘流动的通道的粉尘出口还设置有抽气风扇。

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的说明。

附图说明

附图1为本发明实施例1粉尘测量通道装置图。

附图2为本发明实施例1空心透明球体图。

具体实施方式

实施例1， 本实施例是一种粉尘浓度测量方法，该方法根据光散射原理进行测量的，主要包括以下步骤：

S1、已知体积的待测粉尘浓度的气体进入测量场所的步骤；该步骤中通过对进入到测量场所的待测粉尘浓度的气体的流速设定获得待测粉尘浓度的气体的体积；本实施例中利用一定流动速度待测粉尘浓度的气体进入到一个测量场所，这里的测量场所其实就是光柱照射到待测粉尘浓度的气体中的体积，在测量过程中，可以通过调节光柱的大小和待测粉尘浓度的气体厚度计算出正在测量的待测粉尘浓度的气体的体积。

S2、光照射进入测量场所内的待测粉尘浓度的气体的步骤；本实施例采用的是圆偏振光，是激光源依次经过透镜、偏振片和四分之波片以后形成的。

S3、获得由待测粉尘浓度的气体中粉尘散射的光线数量的步骤；该步骤中，采用一端密布于测量场所外的球面的光纤采集散射光，光纤的另一端采用曝光材料显示接收，对曝光点进行计数，这就是体积的待测粉尘浓度的气体所含的粉尘粒子数。在光纤另一端接收时，通过透镜使光源穿过小孔，再次经过透镜和偏振片将散射后的偏振光透射过小孔。

图1或2所示，是实现上述粉尘浓度测量方法的装置，是一种基于光学小孔的粉尘浓度测量装置，包括：粉尘流动的通道4，在粉尘流动的通道4中膨大部形成的空心透明球体1，实际上粉尘流动的通道4和空心透明球体1就是一根中间具有膨大部分形成一个空心透明球体1玻璃管或者透明的塑料管。

光线直射透光球体1的激光器3，设置在激光器3与空心透明球体1之间的第一透镜14、第一偏振片15、四分之一波片16；这样，激光器3输出的激光依次经过第一透镜14、第一偏振片15、四分之一波片16后形成了圆偏振光，照射到正在匀速流过空心透明球体1中的待测粉尘浓度的气体上，由于待测粉尘浓度的气体中粉尘的散射作用，光线将散射到空心透明球体1的球面上。光纤口2密布于空心透明球体1的球面上的光纤7，光纤口2将采集到这些散射的光纤，在光纤7的另一端将光纤7捆扎整齐光纤固定架8；利用光纤7传导到光纤的另外一端，本实施例中，光纤7是一种塑料光纤，在另外一端利用光纤固定架8捆扎整齐，在光纤固定架8这一端，光纤将截平，很多光纤头形成一个规则形状，一般是圆形，这样设置在光纤固定架8前的摄像机12就可以采集由光纤7传导来的散射光了，本实施例中设置在光纤固定架8与摄像机12镜头之间的第二透镜18、第一光学小孔17、第三透镜19、第二偏振片20、第二光学小孔21。利用这一套光学系统可以将光纤7传导来的散射光采集。上面第一、第二透镜、第一、第二偏振片、第一、第二光学小孔在实际上可以采用同样的透镜、偏振片和光学小孔的。

本实施例中粉尘流动的通道4为一中间空心透明球体1的圆柱形管道，粉尘流动的通道4的一端为待测粉尘浓度的气体进入粉尘流动的通道4的粉尘注入口5，另一端为测量过的待测粉尘浓度的气体流出粉尘流动的通道4的粉尘出口9。如图1和图2所示。在空心透明球体1球面上与激光器2相对设置有吸经过透空心透明球体1内部后剩余光线的光陷阱13。这样，剩余的光线不会对光纤7中采集的光线有干扰。

为了待测粉尘浓度的气体流速稳定，在粉尘流动的通道4的粉尘注入口5还设置有可调速风机的送风风机6。在粉尘流动的通道4 的粉尘出口9还设置有抽气风扇10。通过控制送风风机6和抽气风扇10的工作，可以保证待测粉尘浓度的气体在粉尘流动的通道4流速稳定。

本实施例中抽气风扇10最早开始工作，而粉尘注入口5的可调速风机送风风机6相当于一个可定速发尘器，在设定所需速度的前提下在开始工作，基于光的色散原理，由风机所发气流带动粉尘进入粉尘流动的通道4，向前运动，当粉尘粒子通过空心透明球体1时，遇到偏振光源照射，将会产生散射现象，由于每一个粒子都会发生该现象，因此会产生多个散射光，充分散射到空心透明球体1的内腔。空心透明球体1外表面有大量的散射光接口，就是光纤口2，用于将散射光通过塑料光纤7传输到光纤固定架8上，通过第二透镜18使光源穿过第一光学小孔17，再次经过第三透镜19和第二偏振片20将散射后的偏振光透射过第二光学小孔21，然后由CCD相机12拍摄获得相应的图像数据，由于抽气风扇10的作用颗粒物在球体内通过到粉尘出口9，从而进入粉尘处理器11中做相应处理。CCD相机对小孔内透射的光斑进行拍摄获取图像从而得到粉尘浓度。最后粉尘在通过球体后，由于抽气风扇的曳力作用，将粉尘牵引到处理器中，得到相应处理。

本实施例中，利用光散射原理，将原本的光散射通道设置成空心球体1，用于进行粒子的光散射，通过塑料光纤7进行散射光的传输，将所有的光透射于光纤固定架8上，通过第二透镜18使光源穿过第一光学小孔17，再次经过第三透镜19和第二偏振片20将散射后的偏振光透射过第二光学小孔21。球体一侧是粉尘注入口5和调速风机送风风机6如同定速发尘器，通过速度大小的设定，可合理的进行相关粉尘的定速进入管道；粉尘通道与空心球体严密相接，粒子通过球体左右两侧管道出入球体；球体的另一侧相接抽气风扇，将通过球体的粒子牵引到粉尘处理器内11，防止球体内腔粒子沉降以及防止粒子污染光纤口。CCD相机通过拍摄小孔上的光斑，获取图像数据，经过相关计算得到粉尘浓度。其中，偏振方法与现有非偏振光学方法硬件兼容，通过在现有光路加人偏振器件即可实现偏振检测;其次，偏振光成像方法能提供比非偏振光学方法更丰富的样品结构信息，并且对亚波长微观结构变化十分敏感，通过光学小孔的作用，更加准确的反映散射光，因此该结构的测量方法较为精准。

本实施例中，最先开始工作的是抽气风扇10，对粉尘粒子起到牵引作用，防止粒子球体腔内发生沉降，污染光纤口。然后在可调速风机送风风机6上设定所需的粉尘运动速度值，工作发出气力，促使粉尘向前运动。之后将实验粉尘从注入口5添加到粉尘流动的通道4，经过气力作用，粒子到达透明空心球体1，由于光的散射现象，从激光器3发出的光先经过第一透镜14在经过第一偏振片15和一个四分之一波片16，让入射的光源成为圆偏振光，然后经过起偏器件进行偏振态调制，其中第一透镜14、第一偏振片15和四分之一波片16必须为同一高度以及同一水平线。通过起偏器发出的光被颗粒物吸收散射，由于光源波长足够，可以使穿过透明空心球体1的粒子充分的发生光散射。之后由球体外表面的塑料光纤口2获取散射光，通过塑料光纤7将颗粒物的散射光传输到光纤固定架8上，通过第二透镜18使光源穿过第一光学小孔17，再次经过第三透镜19和第二偏振片20将散射后的偏振光透射过第三光学小孔21，所有散射后的偏振光成像于第三光学小孔21内。其中抽气风扇10的作用颗粒物在球体内通过到粉尘出口9，从而进入粉尘处理器11中做相应处理。最后由由CCD相机12拍摄获得相应的图像数据，CCD得到的图像数据，经过MATLAB计算处理后便可得到粉尘浓度。

本实施例中，在定速或变速的前提下，基于光的色散原理，由风机气流带动粉尘进入管道，向前运动，当粉尘粒子通过球体时，遇到光源照射，将会产生散射现象，由于每一个粒子都会发生该现象，因此会产生多个散射光，散射到球体的内腔。球体外侧有大量的接口，用于将散射光通过塑料光纤传递到亚克力板上，CCD相机获取图像从而得到粉尘浓度。粉尘在通过球体后，由于抽气风扇的曳力作用，将粉尘牵引到处理器中，得到相应处理。空心透明球体1是本实施例的核心，利用它可以采集散射光。空心透明球体1是两侧与圆柱形粉尘流动的通道4相连接；其上方接有激光器3用于发出光源；其对应激光器的正下方设有光陷阱13，而空心透明球体1的外表面设有接收散射光的光纤口2。空心透明球体1外表面的塑料光纤口2，其直径大小与塑料光纤相吻合，相连接时一定要密封，避免散射光的泄露；其数量设置根据球体大小而定，用于接收所有散射光。激光器3的参数具体要求依据现实情况而定；其CCD相机12以现有装置为主即可。激光器3发出的光先经过第一透镜14后，通过起偏器作用产生偏振光，其中起偏器由第一偏振片15和第一四分之一波片16共同组成，作用是产生偏振光。空心透明球体1一侧相接粉尘流动的通道4，用于从粉尘注入口5进入的粒子输送到空心透明球体1；粉尘注入口5为漏斗形设置在管道的一端。在粉尘注入口5处设有可调速的送风风机6，用以将粉尘粒子以设定速度值输送到管道内。在空心透明球体1的另一侧相连的是粉尘流动的通道4，粉尘流动的通道4的未端设有抽气风扇10，用于对球体内的粒子进行牵引，从而是粉尘进入粉尘处理器11，将粒子进行相关降尘处理。空心透明球体1外表面的光纤口连接塑料光纤7，光纤口2的数量遍布整个空心透明球体1球体，用于接收粉尘粒子的散射光从而进行光的传输。光纤固定架8与塑料光纤相连，用以将散射光聚集到一起，进行对光源的有效展现。通过光纤固定架8散射后的偏振光经过第二透镜18的作用，使光源通过第一光学小孔17，再经过第三透镜19和第二偏振片20的作用，最后散射光源穿过第二光学小孔21，形成偏振态成像。

在后续数据处理过程中，是基于如下原理进行数据处理，最终获得粉尘流动的通道4中粉尘粒子浓度的：

1.每一个粉尘粒子在经过光源后，要么有且仅有发生一次光散射，要么直接到达光陷阱，因此当粒子发生散射后，只会一个粒子对应一个散射光。

2.当粒子经过散射后通过光纤将光传输到亚克力板上，每一个粒子对应板上的一个光斑，于是当相机拍摄后所得到板上区域，即获取了相应的颗粒数量。

3.由光斑数量与相机所拍摄的区域面积的比例，将图片信息经过预先设定的MATLAB程序处理，通过相应运算最终得到粉尘浓度。

Claims (8)

1.一种粉尘浓度测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、已知体积的待测粉尘浓度的气体进入测量场所的步骤；该步骤中通过对进入到测量场所的待测粉尘浓度的气体的流速设定获得待测粉尘浓度的气体的体积；

S2、光照射进入测量场所内的待测粉尘浓度的气体的步骤；

S3、获得由待测粉尘浓度的气体中粉尘散射的光线数量的步骤；该步骤中，采用一端密布于测量场所外的球面的光纤采集散射光，光纤的另一端采用曝光材料显示接收，对曝光点进行计数，这就是体积的待测粉尘浓度的气体所含的粉尘粒子数。

2.根据权利要求1所述的粉尘浓度测量方法，其特征在于：所述的步骤S2中，光为圆偏振光，是激光源依次经过透镜、偏振片和四分之波片以后形成的。

3.根据权利要求1所述的粉尘浓度测量方法，其特征在于：所述的步骤S3中，在光纤另一端接收时，通过透镜使光源穿过小孔，再次经过透镜和偏振片将散射后的偏振光透射过小孔。

4.一种基于光学小孔的粉尘浓度测量装置，其特征在于：包括：

粉尘流动的通道(4)，在粉尘流动的通道(4)中膨大部形成的空心透明球体(1)，光线直射透光球体(1)的激光器(3)，设置在激光器(3)与空心透明球体(1)之间的第一透镜(14)、第一偏振片(15)、四分之一波片(16)；

光纤口(2)密布于空心透明球体(1)的球面上的光纤(7)，在光纤(7)的另一端将光纤(7)捆扎整齐光纤固定架(8)；设置在光纤固定架(8)前的摄像机(12)，设置在光纤固定架(8)与摄像机(12)镜头之间的第二透镜(18)、第一光学小孔(17)、第三透镜(19)、第二偏振片(20)、第二光学小孔(21)。

5.根据权利要求4所述的基于光学小孔的粉尘浓度测量装置，其特征在于：所述的粉尘流动的通道(4)为一中间空心透明球体(1)的圆柱形管道，粉尘流动的通道(4)的一端为待测粉尘浓度的气体进入粉尘流动的通道(4)的粉尘注入口(5)，另一端为测量过的待测粉尘浓度的气体流出粉尘流动的通道(4)的粉尘出口(9)。

6.根据权利要求4所述的基于光学小孔的粉尘浓度测量装置，其特征在于：在空心透明球体(1)球面上与激光器(3)相对设置有吸经过透空心透明球体(1)内部后剩余光线的光陷阱(13)。

7.根据权利要求5所述的基于光学小孔的粉尘浓度测量装置，其特征在于：在所述的粉尘流动的通道(4)的粉尘注入口(5)还设置有可调速风机的送风风机(6)。

8.根据权利要求5所述的基于光学小孔的粉尘浓度测量装置，其特征在于：在所述的粉尘流动的通道(4) 的粉尘出口(9)还设置有抽气风扇(10)。