CN115290524B - 一种三维空间颗粒物浓度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三维空间颗粒物浓度测量装置，包括平台支架，架设在空间区域内，高速相机组件与反射镜组件均活动设置在平台支架上，且通过扫描平台运动控制组件驱动，激光片光源系统发射的片光源经过反射镜组件反射后照射在空间区域的平面内，平面内的颗粒物被激光照亮后发出与入射激光波长不同的光，高速相机组件接收颗粒物发出的光信号，记录粒子在平面的位置，图像反馈至图像处理及粒子浓度场生成系统生成空间三维区域的粒子浓度信息。本发明能够有效、便捷、合理准确地获取三维空间颗粒物浓度分布及颗粒物在空间的扩散规律，有助于指导列车车厢等场所的空气净化消毒，避免人群密度较大的场所空气流动相对较慢、室内颗粒物带来的风险。

Description

一种三维空间颗粒物浓度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及平面激光诱导荧光技术领域，特别涉及一种三维空间颗粒物浓度测量装置及方法。

背景技术

平面激光诱导荧光(Planar Laser Induced Fluorescence，PLIF)是一种广泛应用于流体中标量场测量的光学探测技术，其原理是通过激光激发流体中某些组分发出荧光，通过探测荧光强度的分布获取待测范围内的特征标量场(浓度场、温度场或酸碱度场)。

目前该技术已经比较成熟地应用于水体中颗粒浓度场的测量和研究，但很少有将其应用低流速下空间颗粒物浓度场地测量的相关资料。目前研究表明，在人群密度较大的场所(比如，商场、地铁站、高铁、飞机)空气流动相对较慢，室内颗粒不仅影响空气质量，还具有携带传染病毒的风险。大型三维空间颗粒浓度检测有助于快速净化或沉降空间漂浮的颗粒物，但是传统的单点式的浓度测试手段无法准确测量空间粒子浓度分布情况。

发明内容

本发明的目的是为了解决较大型空间颗粒物浓度场检测问题，根据现有相关理论和技术路线提出了一种适用于高速列车的、三维空间颗粒物浓度测量装置及方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种三维空间颗粒物浓度测量装置，包括平台支架、扫描平台运动控制组件、高速相机组件、反射镜组件、激光片光源系统、图像处理及粒子浓度场生成系统，所述平台支架架设在空间区域内，所述扫描平台运动控制组件布设在所述平台支架上，所述高速相机组件与所述反射镜组件均活动设置在所述平台支架上，且通过所述扫描平台运动控制组件驱动，所述激光片光源系统发射的片光源经过所述反射镜组件反射后照射在空间区域的平面内，平面内的颗粒物被激光照亮后发出与入射激光波长不同的光，所述高速相机组件接收颗粒物发出的光信号，记录粒子在平面的位置，所述高速相机组件与图像处理及粒子浓度场生成系统电连接，将图像反馈至所述图像处理及粒子浓度场生成系统，所述图像处理及粒子浓度场生成系统用于生成空间三维区域的粒子浓度信息。

进一步地，所述平台支架上布设有滑轨安装座，所述滑轨安装座之间布设有滑轨，所述滑轨上滑动连接有多个滑块，所述高速相机组件、所述反射镜组件均通过对应的所述滑块与所述滑轨滑动连接。

进一步地，所述扫描平台运动控制组件包括电机，所述电机的输出端与转向器连接，所述转向器的输出轴带动主动齿轮转动，所述主动齿轮与齿形传送带传动连接，所述齿形传动带的另一端布设从动齿轮，所述齿形传动带能够在所述主动齿轮与所述从动齿轮之间往复运动。

进一步地，所述高速相机组件包括相机支架安装座，所述相机支架安装座上布设有相机固定支架，所述相机固定支架与高速相机连接。

进一步地，所述相机支架安装座上还布设有相机角度调节支架，所述相机角度调节支架用于调节高速相机的拍摄角度。

进一步地，所述反射镜支架安装座上布设有反射镜固定支架，所述反射镜固定支架与反射镜安装座固定连接，所述反射镜安装座用于安装反射镜，所述反射镜与所述激光片光源系统发射的片光源适配。

进一步地，所述相机支架安装座与所述反射镜支架安装座之间通过连接板连接，以保持同步运动。

进一步地，所述激光片光源系统水平布置，所述反射镜与水平面呈45度角布置，以使反射出的片光源平面为竖直面。

进一步地，所述图像处理及粒子浓度场生成系统根据采集图像的时刻确定每张图像对应的位置，再将二维的图像转成灰度图像，根据已知的粒子浓度和灰度的关系曲线确定二维图像中不同区域对应的浓度值，获得平面不同位置截面上的粒子浓度信息，通过插值算法，估算出空间三维区域的粒子浓度信息。

本发明还提供了一种三维空间颗粒物浓度测量方法，应用于如前所述的三维空间颗粒物浓度测量装置，包括如下步骤：

S1，将片光源沿水平方向照射，通过反射镜组件将片光源反射为沿竖直方向照射；

S2，高速相机组件从反射出的片光源后方采集图像；

S3，同步移动反射镜组件以及高速相机组件，使高速相机组件采集到不同纵坐标位置所在平面内的图像；

S4，根据采集图像的时刻确定每张图像对应的纵坐标位置，再将二维的图像转成灰度图像，根据已知的粒子浓度和灰度的关系曲线确定二维图像中不同区域对应的浓度值，获得平面不同位置截面上的粒子浓度信息；

S5，通过插值算法，估算出空间三维区域的粒子浓度信息。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

本发明提供的一种三维空间颗粒物浓度测量装置及方法，能够快速扫描车厢等内部空间，并计算出颗粒物浓度分布情况，从而有效、便捷、合理准确地获取三维空间颗粒物浓度分布及颗粒物在空间的扩散规律，有助于指导列车车厢等场所的空气净化消毒，避免人群密度较大的场所空气流动相对较慢、室内颗粒物带来的风险；

本发明的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的平台支架结构示意图；

图3为本发明的平台支架与扫描平台运动控制组件结构示意图；

图4为本发明的高速相机组件、反射镜组件以及激光片光源系统结构示意图；

图5为本发明中采集二维粒子图像示意图；

图6为本发明中某平面粒子浓度示意图以及三维空间粒子浓度示意图。

【附图标记说明】

10-平台支架；11-滑轨安装座；12-滑轨；13-滑块；20-扫描平台运动控制组件；21-电机；22-转向器；23-主动齿轮；24-齿形传动带；25-从动齿轮；30- 高速相机组件；31-相机支架安装座；32-高速相机；33-相机固定支架；34-相机角度调节支架；40-反射镜组件；41-反射镜支架安装座；42-连接板；43-反射镜；44-反射镜固定支架；45-反射镜安装座；50-激光片光源系统；60-车厢。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是锁定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明的实施例提供了一种三维空间颗粒物浓度测量装置，包括平台支架10、扫描平台运动控制组件20、高速相机组件30、反射镜组件 40、激光片光源系统50、图像处理及粒子浓度场生成系统等。

同时如图2所示，平台支架10固定安装在车厢60的行李架上，作为整个系统的安装支撑结构。平台支架10上布设有滑轨安装座11，两条滑轨12通过螺栓分别固定在两端的滑轨安装座11上，滑块13在两条滑轨12上各安装两个。

同时如图3所示，扫描平台运动控制组件20同样安装在平台支架10上，包括电机21，其输出端与转向器22连接，可以将电机21的扭矩转换成所需方向。转向器22的输出轴带动两端的主动齿轮23转动，主动齿轮23将动力传递给齿形传送带24，齿形传动带24可以在主动齿轮23和另一端的从动齿轮25之间往复运动。

高速相机组件30和反射镜组件40分别包括相机支架安装座31和反射镜支架安装座41，相机支架安装座31和反射镜支架安装座41的两端各连接一个滑块13，因而能够沿滑轨12移动。相机支架安装座31和反射镜支架安装座41之间通过数块连接板42连接，这样可以保证相机支架安装座31和反射镜支架安装座41之间的同步运动，使得高速相机32和反射镜43反射出的片光源平面始终保持相对静止，防止高速相机32焦距发生变化导致图片模糊不清的问题出现，且减小整体重量以减小电机21的负载。相机支架安装座31 和反射镜支架安装座41两侧突出的地方分别与两侧齿形传动带24固定连接，以通过齿形传动带24传动而沿滑轨12移动。

当然本实施例也不限于上述扫描平台运动控制组件20的形式，采用成本更高的直线电机同样可以实现类似功能，同时也不限制齿形传动带24对称布置的形式，单条齿形传动带24系统也可以实现类似的功能，不过稳定性不如两侧双条布置。

同时如图4所示，相机支架安装座31通过相机固定支架33将高速相机 32固定，并且可以通过相机角度调节支架34来调节高速相机32的拍摄角度。具体地，相机固定支架33的底端与高速相机32的一个位置铰接，相机角度调节支架34的底端与高速相机32的另一个位置铰接，同时相机角度调节支架 34的顶端与相机固定支架33通过螺栓连接，螺栓插设于相机角度调节支架34 的腰型槽内，因而可以调整相机角度调节支架34与相机固定支架33的固定位置，从而调节高速相机32的拍摄角度。

在本实施例中，反射镜支架安装座41上布设有反射镜固定支架44，反射镜固定支架44与反射镜安装座45固定连接，反射镜安装座45用于安装反射镜43，以使反射镜43呈预设角度。其中，反射镜43与激光片光源系统50发射的片光源适配，自身同样为长条形。

激光片光源系统50同样安装在平台支架10上，且沿滑轨12平行布置。激光片光源系统可以产生均匀的片光源，片光源沿滑轨12方向射向反射镜43 并且与反射镜成45度角，然后被反射镜以45度角反射出去，反射出的片光源可以在空间照亮一片区域，区域中的颗粒物被激光照亮后发出与入射激光波长不同的光，高速相机32的镜头加上滤光片之后可以选择性地滤掉激光片光源系统50发出的光，最大限度地接收颗粒物发出的光信号，并记录相应时刻的粒子在平面的位置。扫描平台运动控制组件20的电机21正转和反转，带动高速相机组件30以及反射镜组件40在滑轨12上往复运动，在往复运动中高速相机32与反射镜43反射出的片光源平面始终保持相对静止。另外，高速相机 32的拍摄区域大小可以通过调节连接板42的长短来实现。

需要说明的是，三维空间颗粒物浓度测量具有两种情况：需要在空间播撒示踪粒子，激光照射后会发出不同波长的光，高速相机32的镜头加上滤光片可以滤掉激光，只保留示踪粒子发出的光，这种情况只能测量示踪粒子在空间的浓度分布；不需要在空间播撒示踪粒子，激光直接照射空间颗粒，空间颗粒物会通过漫反射出激光所发出的光，高速相机32直接捕捉颗粒物漫反射发出的光生成图像，这种情况可以直接测量空间颗粒物的浓度。前者避免了激光的干扰，精度更高，后者会受到激光的干扰。

其中，高速相机32与图像处理及粒子浓度场生成系统连接，当图像采集结束后，图像处理及粒子浓度场生成系统可以根据采集图像的时刻确定每张图像对应的位置(依据扫描平台运动控制组件信号)，如图5所示，再将这些二维的图像转成灰度图像，根据已知的粒子浓度和灰度的关系曲线确定二维图像中不同区域对应的浓度值，即可以获得空间不同位置截面上的粒子浓度信息，如图6左侧所示。最后通过插值算法，估算出空间三维区域的粒子浓度信息，如图6右侧所述。

作为优选的实施方式，本实施例中滑轨12是水平布置的，即与车厢的水平面平行。激光片光源系统50同样水平布置，片光源沿水平方向射向反射镜 43并且与反射镜43成45度角，然后被反射镜43以45度角反射出去，反射出的片光源平面为竖直面。因此，高速相机32拍摄的每张图像均对应车厢的不同纵坐标所在截面，以获得空间不同位置截面上的粒子浓度信息。采用反射镜43反射、而非直接移动激光片光源系统50的方式能够避免驱动结构的复杂度增加、激光片光源系统50内光学元件的位移松动等影响片光源的均匀性，造成测量结果不准。

另外本实施例提供的装置还可用于观测空间流体结构、比如涡结构，事前在空间播撒适量浓度的示踪粒子(颗粒物)，扫描区域中的示踪粒子被激光照亮后发出与入射激光波长不同的光，高速相机32记录相应时刻示踪粒子在反射片光源平面的位置。当图像采集结束后，图像处理及粒子浓度场生成系统可以根据采集图像的时刻确定每张图像对应的位置，再将这些二维的图像转成灰度图像，根据已知的粒子浓度和灰度的关系曲线确定二维图像中不同区域对应的浓度值，获得空间不同位置截面上的粒子浓度信息，最后通过插值算法，估算出空间三维区域的粒子浓度信息，从而反应相应的空间流体结构。

采用本实施例提供的三维空间颗粒物浓度测量装置，能够有效、便捷、合理准确地检测、获取三维空间颗粒物浓度分布，以指导列车车厢等场所的空气净化消毒，避免人群密度较大的场所空气流动相对较慢、室内颗粒物带来的风险。

基于同一发明构思，本发明的实施例还提供了一种三维空间颗粒物浓度测量方法，包括：

S1，将片光源沿水平方向照射，通过反射镜43将片光源反射为沿竖直方向照射；

S2，高速相机32从反射出的片光源后方采集图像；

S3，同步移动反射镜43以及高速相机32，使高速相机32采集到不同纵坐标位置所在平面内的图像；

S4，根据采集图像的时刻确定每张图像对应的纵坐标位置，再将二维的图像转成灰度图像，根据已知的粒子浓度和灰度的关系曲线确定二维图像中不同区域对应的浓度值，获得空间不同位置截面上的粒子浓度信息；

S5，通过插值算法，估算出空间三维区域的粒子浓度信息。

本实施例提供的三维空间颗粒物浓度测量方法，与前述的三维空间颗粒物浓度测量装置具有相同的发明构思及相同的有益效果，在此不再赘述。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种三维空间颗粒物浓度测量装置，其特征在于，包括平台支架、扫描平台运动控制组件、高速相机组件、反射镜组件、激光片光源系统、图像处理及粒子浓度场生成系统，所述平台支架架设在空间区域内，所述平台支架固定安装在车厢的行李架上，所述扫描平台运动控制组件布设在所述平台支架上，所述高速相机组件与所述反射镜组件均活动设置在所述平台支架上，且通过所述扫描平台运动控制组件驱动，所述激光片光源系统发射的片光源经过所述反射镜组件反射后照射在空间区域的平面内，平面内的颗粒物被激光照亮后发出与入射激光波长不同的光，所述高速相机组件接收颗粒物发出的光信号，记录粒子在平面的位置，所述高速相机组件与图像处理及粒子浓度场生成系统电连接，将图像反馈至所述图像处理及粒子浓度场生成系统，所述图像处理及粒子浓度场生成系统用于生成空间三维区域的粒子浓度信息；

所述平台支架上布设有滑轨安装座，所述滑轨安装座之间布设有滑轨，所述滑轨上滑动连接有多个滑块，所述高速相机组件、所述反射镜组件均通过对应的所述滑块与所述滑轨滑动连接；

所述高速相机组件包括相机支架安装座，所述相机支架安装座上布设有相机固定支架，所述相机固定支架与高速相机连接；

所述相机支架安装座上还布设有相机角度调节支架，所述相机角度调节支架用于调节高速相机的拍摄角度；

所述反射镜支架安装座上布设有反射镜固定支架，所述反射镜固定支架与反射镜安装座固定连接，所述反射镜安装座用于安装反射镜，所述反射镜与所述激光片光源系统发射的片光源适配；

所述相机支架安装座与所述反射镜支架安装座之间通过连接板连接，以保持同步运动；高速相机的拍摄区域大小通过调节连接板的长短来实现。

2.根据权利要求1所述的一种三维空间颗粒物浓度测量装置，其特征在于，所述扫描平台运动控制组件包括电机，所述电机的输出端与转向器连接，所述转向器的输出轴带动主动齿轮转动，所述主动齿轮与齿形传动带传动连接，所述齿形传动带的另一端布设从动齿轮，所述齿形传动带能够在所述主动齿轮与所述从动齿轮之间往复运动。

3.根据权利要求1所述的一种三维空间颗粒物浓度测量装置，其特征在于，所述激光片光源系统水平布置，所述反射镜与水平面呈45度角布置，以使反射出的片光源平面为竖直面。

4.根据权利要求1所述的一种三维空间颗粒物浓度测量装置，其特征在于，所述图像处理及粒子浓度场生成系统根据采集图像的时刻确定每张图像对应的位置，再将二维的图像转成灰度图像，根据已知的粒子浓度和灰度的关系曲线确定二维图像中不同区域对应的浓度值，获得平面不同位置截面上的粒子浓度信息，通过插值算法，估算出空间三维区域的粒子浓度信息。

5.一种三维空间颗粒物浓度测量方法，应用于如权利要求1-4任意一项所述的三维空间颗粒物浓度测量装置，其特征在于，包括如下步骤：

S1，将片光源沿水平方向照射，通过反射镜组件将片光源反射为沿竖直方向照射；

S2，高速相机组件从反射出的片光源后方采集图像；

S3，同步移动反射镜组件以及高速相机组件，使高速相机组件采集到不同纵坐标位置所在平面内的图像；

S4，根据采集图像的时刻确定每张图像对应的纵坐标位置，再将二维的图像转成灰度图像，根据已知的粒子浓度和灰度的关系曲线确定二维图像中不同区域对应的浓度值，获得平面不同位置截面上的粒子浓度信息；

S5，通过插值算法，估算出空间三维区域的粒子浓度信息。