CN111239012B - 一种气溶胶颗粒的检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于气溶胶颗粒检测领域，尤其涉及一种气溶胶颗粒的检测系统及方法。其中，气溶胶颗粒的检测系统包括光源模块，用于产生预设强度且单一波长的光束并照射至样品池内；散射光采集模块，用于采集样品池内的气溶胶颗粒所散射的光线，形成颗粒图像；被照射的每个气溶胶颗粒被成像为颗粒图像中的一个光斑；图像处理模块，用于提取颗粒图像中光斑的数量、每个光斑的直径大小和每个光斑的亮度；根据光斑的数量，得到气溶胶颗粒的数量；根据光斑的直径与气溶胶颗粒的直径已知正比关系，得到每个气溶胶颗粒的直径；根据光斑亮度的层次与同一曝光点处气溶胶颗粒重合的数量的已知正比关系，得到同一曝光点处气溶胶颗粒重合的数量。
Description
技术领域
本发明属于气溶胶颗粒检测领域，尤其涉及一种气溶胶颗粒的检测系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
气溶胶是固体或液体颗粒悬浮在气体中形成的多相分散体系。按照颗粒粒度的大小，气溶胶颗粒通常可以分成三种模态：爱根核模态(0.005～0.05um)、积聚模态(0.05～2yum)和粗粒子模态(>2um)。它们的粒度大小从几纳米到几百微米，跨度达五个数量级。不同模态的气溶胶颗粒的来源、化学性质及形状均有较大差异。高浓度的气溶胶颗粒与呼吸道疾病、肺功能下降，死亡率增加密切相关。特别是直径小于2.5μm的颗粒能够深入呼吸系统，沉积在肺部，对人体的危害极大。另外，气溶胶分析对其他行业也很重要，比如磁盘生产车间及半导体加工车间都要检测气溶胶颗粒的浓度以防产品受到污染。军事上也特别重视对生物战剂气溶胶的检测。
传统的气溶胶检测方法包括光学实时检测方法和单颗粒分析方法。其中，光学实时检测方法根据气溶胶颗粒通过光束之后的散射光强度粗略估算颗粒的直径。单颗粒分析方法如激光微探针质谱分析，首先选取一个待分析的颗粒，用显微镜测量器颗粒粒径和形状，然后用激光解吸离子化颗粒，用质谱检测器获得颗粒的谱图信息。早期使用的在线分析技术是通过将气溶胶颗粒撞击热的灯丝进行气化，但是该在线分析技术使用的是磁扇形质谱，每次只能检测颗粒中的某一个特定的质量数。实时单颗粒激光解吸质谱利用空气动力学测径以及光学检测方法进行粒径筛选，但由于受到电路的限制每次只能测定某一粒径的颗粒。改进的单颗粒激光解吸质谱方法是使用飞行时间质谱仪，能够测定一个颗粒的完整谱图信息。
发明人发现，传统的气溶胶检测方法利用光散射的强度来评估气溶胶颗粒的直径，而由于光散射的强度与颗粒的几何形状、化学组成密切相关，因而测定的气溶胶颗粒直径误差很大；而且传统的气溶胶检测方法不能同时检测气溶胶颗粒的数量、直径和同一曝光点处气溶胶颗粒重合的数量，导致检测效率低。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种气溶胶颗粒的检测系统及方法，其直接利用光斑数量、直径与亮度与气溶胶颗粒的数量、气溶胶颗粒的直径和同一曝光点处气溶胶颗粒重合的数量之间的对应关系来检测气溶胶颗粒相关参数，提高了气溶胶检测的准确性及效率。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一方面提供一种气溶胶颗粒的检测系统。
一种气溶胶颗粒的检测系统，包括：
光源模块，用于产生预设强度且单一波长的光束并照射至样品池内；
散射光采集模块，用于采集样品池内的气溶胶颗粒所散射的光线，形成颗粒图像；被照射的每个气溶胶颗粒被成像为颗粒图像中的一个光斑；
图像处理模块，用于提取颗粒图像中光斑的数量、每个光斑的直径大小和每个光斑的亮度；根据光斑的数量，得到气溶胶颗粒的数量；根据光斑的直径与气溶胶颗粒的直径已知正比关系，得到每个气溶胶颗粒的直径；根据光斑亮度的层次与同一曝光点处气溶胶颗粒重合的数量的已知正比关系，得到同一曝光点处气溶胶颗粒重合的数量。
本发明的第二方面提供一种气溶胶颗粒的检测系统的检测方法。
一种气溶胶颗粒的检测系统的检测方法，包括：
获取品池内的气溶胶颗粒所散射的光线形成的颗粒图像；
提取颗粒图像中光斑的数量、每个光斑的直径大小和每个光斑的亮度；
根据光斑的数量，得到气溶胶颗粒的数量；根据光斑的直径与气溶胶颗粒的直径已知正比关系，得到每个气溶胶颗粒的直径；根据光斑亮度的层次与同一曝光点处气溶胶颗粒重合的数量的已知正比关系，得到同一曝光点处气溶胶颗粒重合的数量。
本发明的有益效果是：
本发明采集样品池内的气溶胶颗粒所散射的光线而形成的颗粒图像，提取颗粒图像中光斑的直径大小，根据光斑的直径与气溶胶颗粒的直径已知正比关系，得到每个气溶胶颗粒的直径，避免了其他因素干扰，提高了气溶胶颗粒直径检测的准确性；而且本发明还提取颗粒图像中光斑的数量和每个光斑的亮度；根据光斑的数量，得到气溶胶颗粒的数量；根据光斑亮度的层次与同一曝光点处气溶胶颗粒重合的数量的已知正比关系，得到同一曝光点处气溶胶颗粒重合的数量，能够同时获取气溶胶颗粒的数量、气溶胶颗粒的直径和同一曝光点处气溶胶颗粒重合的数量，提高了气溶胶颗粒的检测效率。
本发明利用图像处理模块统一处理气溶胶颗粒所散射的光线而形成的颗粒图像，保障了气溶胶颗粒分析和处理结果的统一性。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例的一种气溶胶颗粒的检测系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
图1给出了本实施的气溶胶颗粒的检测系统结构示意图。下面结合图1来详细说明本实施例的气溶胶颗粒的检测系统的结构组成。
如图1所示，本实施例的气溶胶颗粒的检测系统，其包括光源模块、散射光采集模块和图像处理模块。
其中，所述光源模块与样品池之间设置有入射透镜，入射透镜用于将光源模块所产生的光束汇聚至样品池。例如：纵向单频激光器发出的特定单一波长的光束经透镜汇聚，进入样品池中，汇聚焦点位于样品池中央点上。控制激光束焦点大小为1mm3左右。样品池为一暗箱，体积尽可能小(略大于激光束焦点即可)，只在激光路径和侧面微孔处有开口。这样使得光束能够照射到样品池内，为整个检测过程提供了光照条件。其中，样品池内设置有气溶胶颗粒。
样品池的作用有两方面：一是作为暗箱，减少外界光线对激光的影响，进而影响到气溶胶颗粒的散射光。二是体积做到尽可能小，目的在于减少样品池中的气溶胶颗粒数，以防止一部分气溶胶颗粒上的散射光会照射到其他气溶胶颗粒上，产生新的散射。
照射到样品池中的气溶胶颗粒发生散射。散射光的强度满足：
其中：I-散射光的强度；γ-单位体积内分散相的颗粒数目；V-每个颗粒的体积；λ-入射光的波长；n1-分散相的折光指数；n2-分散介质的折光指数；I0-入射光的强度。
在与入射透镜相对的样品池的另一侧，还设置有光束截止器，光束截止器用来吸收透过样品池的光束，避免光束遇到其他物体而反射回来影响气溶胶颗粒检测的结果。
如图1所示，所述散射光采集模块与样品池之间还设置有挡板，所述挡板上设置有通光孔，所述通光孔用于透过所述气溶胶颗粒散射的光线。本实施例通过通光孔以减少散射光在到达感光元件的路径中接触过多的样品池外的气溶胶颗粒，对测量结果造成影响，能够汇聚气溶胶颗粒散射的光线，避免其他光线干扰而影响颗粒图像的成像质量。
在具体实施中，光源模块用于产生预设强度且单一波长的光束并照射至样品池内。
其中，所述光源模块为激光源或半导体激光二极管。
具体地，光源模块实现过程为：
产生激光的三个条件是：实现粒子数反转、满足阈值条件和谐振条件。产生光的受激发射的首要条件是粒子数反转，在半导体中就是要把价带内的电子抽运到导带。为了获得离子数反转，通常采用重掺杂的P型和N型材料构成PN结，这样，在外加电压作用下，在结区附近就出现了离子数反转—在高费米能级EFC以下导带中贮存着电子，而在低费米能级EFV以上的价带中贮存着空穴。实现粒子数反转是产生激光的必要条件，但不是充分条件。要产生激光，还要有损耗极小的谐振腔，谐振腔的主要部分是两个互相平行的反射镜，激活物质所发出的受激辐射光在两个反射镜之间来回反射，不断引起新的受激辐射，使其不断被放大。只有受激辐射放大的增益大于激光器内的各种损耗，即满足一定的阈值条件：
P1*P2*exp(2G-2A)≥1
其中，P1、P2是两个反射镜的反射率，G是激活介质的增益系数，A是介质的损耗系数，exp为常数，才能输出稳定的激光，另一方面，激光在谐振腔内来回反射，只有这些光束两两之间在输出端的相位差Δф＝2qπq＝1、2、3、4。时，才能在输出端产生加强干涉，输出稳定激光。设谐振腔的长度为L，激活介质的折射率为N，则
Δф＝(2π/λ)*2NL＝4πN*(Lf/c)＝2qπ，
上式可化为f＝qc/2NL该式称为谐振条件，它表明谐振腔长度L和折射率N确定以后，只有某些特定频率的光才能形成光振荡，输出稳定的激光。这说明谐振腔对输出的激光有一定的选频作用。
以光源模块为半导体激光二极管为例：
半导体激光二极管的基本结构为：垂直于PN结面的一对平行平面构成法布里——珀罗谐振腔，它们可以是半导体晶体的解理面，也可以是经过抛光的平面。其余两侧面则相对粗糙，用以消除主方向外其它方向的激光作用。半导体中的光发射通常起因于载流子的复合。当半导体的PN结加有正向电压时，会削弱PN结势垒，迫使电子从N区经PN结注入P区，空穴从P区经过PN结注入N区，这些注入PN结附近的非平衡电子和空穴将会发生复合，从而发射出波长为λ的光子，满足公示：
λ＝hc/Eg
其中：h-普朗克常数；c-光速；Eg-半导体的禁带宽度。
上述由于电子与空穴的自发复合而发光的现象称为自发辐射。当有源层内的载流子在大量反转情况下，少量自发辐射产生的光子由于谐振腔两端面往复反射而产生感应辐射，造成选频谐振正反馈，即对某一频率具有增益。当增益大于吸收损耗时，就可从PN结发出具有良好谱线的相干光——激光。
激光二极管选择纵向单频形式，该形式的激光器可按设定发出特定强度与波长的激光，波长的设定取决于被测气溶胶颗粒的直径大小。目的在于激光照射到气溶胶颗粒时，能够形成明显的丁达尔现象，即有足量的散射光射向散射光采集模块。
在具体实施中，散射光采集模块用于采集样品池内的气溶胶颗粒所散射的光线，形成颗粒图像；被照射的每个气溶胶颗粒被成像为颗粒图像中的一个光斑。
具体地，散射光采集模块中设置电荷藕合器件图像传感器(CCD)，该传感器由高感光度的半导体材料制成。散射光照射到CCD上时，CCD中的感光二极管会将光线转换为电流信号，电流强度与射入光线的强度成正比。CCD由许多感光单位组成，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。画面通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由模块内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存。
感光元件的最小感光单元不小于3nm，基本接近气溶胶颗粒的最小值(1nm)。也可在散射光采集模块前方加入一凹透镜，将散射光适当发散，以保证在感光元件曝光时形成足够大的色斑。
在具体实施中，散射光采集模块通过图像数据传输模块将颗粒图像传送至图像处理模块。其中，曝光后的数字化照片文件，经图像数据传输模块进行传输。
在图像数据传输模块中，设置频带传输设备。在信号发送端，采用调制手段，对数字信号进行变换，将代表数据的二进制“1”和“0”，变换成具有一定频带范围的模拟信号，以适应在模拟信道上传输；在信号接收端，通过解调手段进行相反变换，把模拟的调制信号复原为“1”或“0”。承担调制、解调功能的装置为调制解调器(Modem)。
在具体实施中，图像处理模块用于提取颗粒图像中光斑的数量、每个光斑的直径大小和每个光斑的亮度；根据光斑的数量，得到气溶胶颗粒的数量；根据光斑的直径与气溶胶颗粒的直径已知正比关系，得到每个气溶胶颗粒的直径；根据光斑亮度的层次与同一曝光点处气溶胶颗粒重合的数量的已知正比关系，得到同一曝光点处气溶胶颗粒重合的数量。
其中：
颗粒图像上光斑的数量对应反射光线的数量；
颗粒图像上光斑的直径与反射光线的气溶胶颗粒成正比，满足公式：l＝k·l0；其中，l-光斑的直径；l0-气溶胶标准粒子的直径；k为需要标定的常数。
颗粒图像上光斑亮度的层次与同一曝光点处气溶胶颗粒重合的数量成正比，其算法是：
例如：有三个气溶胶颗粒的散射光在同一光斑处重合，其最大概率可能的情况为靠近光斑中央区域的为三束散射光的曝光，再向外侧部分为其中两束散射光的曝光，最外侧为三束散射光单独曝光，这样在该光斑处的曝光亮度为三个层次，可以作为散射光重合的气溶胶颗粒计数。
气溶胶颗粒数的计数N为：
(1)颗粒图像上单次曝光的光斑数n1。
(2)颗粒图像上同一点有曝光重合的光斑数nx，x为同一曝光点(光斑)曝光的重合数(层次数)。得出：N＝n1+∑nx`x
本实施例的气溶胶颗粒的检测系统的检测方法，包括：
获取品池内的气溶胶颗粒所散射的光线形成的颗粒图像；
提取颗粒图像中光斑的数量、每个光斑的直径大小和每个光斑的亮度；
根据光斑的数量，得到气溶胶颗粒的数量；根据光斑的直径与气溶胶颗粒的直径已知正比关系，得到每个气溶胶颗粒的直径；根据光斑亮度的层次与同一曝光点处气溶胶颗粒重合的数量的已知正比关系，得到同一曝光点处气溶胶颗粒重合的数量。
在获取气溶胶颗粒的直径和同一曝光点处气溶胶颗粒重合的数量之前，还包括：
标定光斑的直径与气溶胶颗粒的直径的正比关系，以及光斑亮度的层次与同一曝光点处气溶胶颗粒重合的数量的正比关系。
在标定过程中，由气溶胶发生器产生统一尺寸的气溶胶颗粒或直接购买气溶胶标准粒子(尺寸已知)，将粒子置于样品池中，以上述的光源模块、散射光采集模块、图像数据传输模块正常状态工作，以数据测量处理模块完成数据处理。与气溶胶标准颗粒进行比对，进行设备的标定和校准。需要标定的参数有：
(1)光斑直径与气溶胶颗粒直径的关系，满足公式：l＝k·l0；
其中，l-光斑的直径；l0-气溶胶标准粒子的直径；k为需要标定的常数。
(2)光斑亮度与同一曝光点气溶胶颗粒散射光的重合数。该情况更大的概率为两个或以上的气溶胶颗粒散射的光斑不完全重合，可以以曝光点亮度的层次作为散射光斑重合的气溶胶颗粒计数。例如：有三个气溶胶颗粒的散射光在同一光斑处重合，其最大概率可能的情况为靠近光斑中央区域的为三束散射光的曝光，再向外侧部分为其中两束散射光的曝光，最外侧为三束散射光单独曝光，这样在该光斑处的曝光亮度为三个层次，可以作为散射光重合的气溶胶颗粒计数。
将标定好的设备进行数据测量：
(1)气溶胶的颗粒直径l0为：若颗粒图像上光斑直径为l，由l＝k·l0，得气溶胶颗粒直径为：l0＝l/k；k为需要标定的常数。
(2)气溶胶颗粒的数量N为：
①颗粒图像上单次曝光的光斑数n1。
②颗粒图像上同一点有曝光重合的光斑数nx，x为同一曝光点(光斑)曝光的重合数(层次数)。得出：N＝n1+∑nx`x
此为激光焦点处1mm3的空间中所含有的气溶胶颗粒数，进而可计算出气溶胶颗粒的浓度。可同一位置多次测量求平均值，以保证测量结果的准确。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种气溶胶颗粒的检测系统，其特征在于，包括：
光源模块，用于产生预设强度且单一波长的光束并照射至样品池内；
散射光采集模块，用于采集样品池内的气溶胶颗粒所散射的光线，形成颗粒图像；被照射的每个气溶胶颗粒被成像为颗粒图像中的一个光斑；所述散射光采集模块与样品池之间还设置有挡板，所述挡板上设置有通光孔，所述通光孔用于透过所述气溶胶颗粒散射的光线；所述光源模块与样品池之间设置有入射透镜，入射透镜用于将光源模块所产生的光束汇聚至样品池，在与入射透镜相对的样品池的另一侧，还设置有光束截止器，光束截止器用来吸收透过样品池的光束，避免光束遇到其他物体而反射回来影响气溶胶颗粒检测的结果；
图像处理模块统一处理气溶胶颗粒所散射的光线而形成的颗粒图像，用于提取颗粒图像中光斑的数量、每个光斑的直径大小和每个光斑的亮度；根据光斑的数量，得到气溶胶颗粒的数量；根据光斑的直径与气溶胶颗粒的直径已知正比关系，得到每个气溶胶颗粒的直径；根据光斑亮度的层次与同一曝光点处气溶胶颗粒重合的数量的已知正比关系，得到同一曝光点处气溶胶颗粒重合的数量。
2.如权利要求1所述的气溶胶颗粒的检测系统，其特征在于，所述光源模块为激光源或半导体激光二极管。
3.如权利要求1所述的气溶胶颗粒的检测系统，其特征在于，所述光源模块与样品池之间设置有入射透镜，入射透镜用于将光源模块所产生的光束汇聚至样品池。
4.如权利要求1所述的气溶胶颗粒的检测系统，其特征在于，所述散射光采集模块与通光孔之间还设置有凹透镜，凹透镜用于将气溶胶颗粒散射的光线发散，以保证形成不低于预设大小的光斑。
5.如权利要求1所述的气溶胶颗粒的检测系统，其特征在于，所述散射光采集模块中设置电荷藕合器件图像传感器，电荷藕合器件图像传感中的感光二极管英语将气溶胶颗粒散射的光线转换为电流信号，电流强度与气溶胶颗粒散射的光线强度成正比。
6.如权利要求1所述的气溶胶颗粒的检测系统，其特征在于，所述散射光采集模块通过图像数据传输模块将颗粒图像传送至图像处理模块。
7.如权利要求6所述的气溶胶颗粒的检测系统，其特征在于，所述图像数据传输模块包括信号发送端和信号接收端，信号发送端用于将数字信号形式的颗粒图像变换成具有预设频带范围的模拟信号，以适应在模拟信道上传输；信号接收端用于把模拟的调制信号复原为数字信号。
8.一种如权利要求1-7中任一项所述的气溶胶颗粒的检测系统的检测方法，其特征在于，包括：
获取品池内的气溶胶颗粒所散射的光线形成的颗粒图像；
提取颗粒图像中光斑的数量、每个光斑的直径大小和每个光斑的亮度；
根据光斑的数量，得到气溶胶颗粒的数量；根据光斑的直径与气溶胶颗粒的直径已知正比关系，得到每个气溶胶颗粒的直径；根据光斑亮度的层次与同一曝光点处气溶胶颗粒重合的数量的已知正比关系，得到同一曝光点处气溶胶颗粒重合的数量。
9.如权利要求8所述的气溶胶颗粒的检测系统的检测方法，其特征在于，在获取气溶胶颗粒的直径和同一曝光点处气溶胶颗粒重合的数量之前，还包括：标定光斑的直径与气溶胶颗粒的直径的正比关系，以及光斑亮度的层次与同一曝光点处气溶胶颗粒重合的数量的正比关系。
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