CN203299089U - 基于显微图像处理的大气颗粒检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于显微图像处理的大气颗粒检测装置，包括设在机架上的空气颗粒收集器、转盘、显微摄像机、图像处理器和高压放电装置；空气颗粒收集器包括外筒、活塞和电机；活塞装在外筒内，活塞和外筒分别由电机驱动可上下运动，活塞底面设有用于收集空气颗粒物且向下凸起的放电尖端；显微摄像机的镜头向下，显微摄像机的信号线与图像处理器连接；转盘为圆形，中心设有转轴并由电动驱动，转盘设在活塞下方，转盘正面分别设有通孔和金属板，通孔和金属板位于转盘正面的同一圆周上，金属板上铺设陶瓷片；金属板分别与活塞底面的放电尖端与高压放电装置的正负极连接；活塞与显微摄像机镜头与转盘上通孔和金属板的位置相对应。

Description

基于显微图像处理的大气颗粒检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于显微图像处理的大气颗粒检测装置。 

背景技术

近期，全国多地出现长时间、大范围雾霾天气，造成雾霾的罪魁祸首PM2.5问题再度成为社会关注的焦点。 

大气颗粒物浓度是大气污染监测中的一项重要指标，大气中的颗粒污染物，特别是细小颗粒对人体健康的损害极大。因此，对空气中颗粒物的研究越来越得到人们的重视，特别是PM10及其以下颗粒物浓度的检测一直是国内外专家关注的问题。 

就工作原理来说，目前的国内外大气颗粒检测方法主要有以下4种类型： 

1、重量法：根据采样流量不同，分为大流量采样重量法和小流量采样重量法。测量颗粒物浓度普遍采用大流量采样器。大流量法使用带有10μm以上颗粒物切割器(惯性切割器、重力切割器)的大流量采样器采样。首先使一定体积的大气通过采样器，将粒径大于10μm的颗粒物分离出去，小于10μm的颗粒物被收集在预先恒重的滤膜上，根据采样前后滤膜重量之差及采样体积，即可计算出飘尘的浓度。用该法还能进行有机物、金属离子和无机盐的分析。 

2、β射线吸收法：β射线吸收法基于β粒子穿透物质时强度随吸收层厚度增加而减弱的原理实现的。原子核在发生β衰变时，放出β粒子。β粒子实际上是一种快速带电粒子，它的穿透能力较强，当它穿过一定厚度的吸收物质时，其强度随吸收层厚度增加而逐渐减弱的现象叫做β吸收。利用β射线吸收原理测定滤纸采样前后的质量差，并根据相应时间段的采样体积，即可得 出该时间段的颗粒物浓度。 

3、振荡天平法：振荡天平法是基于锥形元件振荡微量天平原理。此锥形元件于其自然频率下振荡，振荡频率由振荡器件的物理特性、参加振荡的滤膜质量和沉积在滤膜上的颗粒物质量决定(由于振荡器件的物理特性、参加振荡的滤膜质量是固定不变的，所以振荡器件的振荡频率实际上取决于滤膜上的颗粒物质量)。当充满微粒的空气流人空锥形管时，微粒则聚集在滤膜上，通过测定系统频率的变化，可测得对应时间内滤膜质量的差异，通过计算可得出该段时间内的颗粒质量浓度(相当于间接称重)。 

4、光散射法：光散射法是基于当光照射在空气中悬浮的颗粒物上时，产生散射光。在颗粒物性质一定的条件下，颗粒物的散射光强度与其质量浓度成正比。通过测量散射光强度，应用质量浓度转换系数K值，求得颗粒物质量浓度。 

上述4类测量方法存在测量时间长、步骤多、成本高、准确度受主观因素影响大等不足之处。 

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种基于显微图像处理的大气颗粒检测装置。 

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：基于显微图像处理的大气颗粒检测装置，包括机架、空气颗粒收集器、转盘、显微摄像机、图像处理器和高压放电装置；空气颗粒收集器、转盘、显微摄像机、图像处理器和高压放电装置安装在机架上； 

显微摄像机与空气颗粒收集器设置在机架上部； 

空气颗粒收集器包括外筒、活塞和电机；活塞装在外筒内，活塞和外筒分别由电机驱动可上下运动，活塞底面设有用于收集空气颗粒物且向下凸起的放电尖端； 

显微摄像机的镜头向下，显微摄像机的信号线与图像处理器连接； 

转盘为圆形，中心设有转轴并由电动驱动，转盘设在活塞下方，转盘正面分别设有通孔和金属板，通孔和金属板位于转盘正面的同一圆周上，金属板上铺设陶瓷片； 

金属板分别与活塞底面的放电尖端与高压放电装置的正负极连接； 

活塞与显微摄像机镜头与转盘上通孔和金属板的位置相对应。 

作为优选，外筒为亚克力板制成的圆筒；圆筒由电机驱动可升降。 

作为优选，转盘还包括用于转盘定位的红外光电开关；红外光电开关安装在转盘底面。 

作为优选，显微摄像机包括CMOS摄像头，其放大倍数为500倍。 

作为优选，还包括风力洗盘器；风力洗盘器包括尖嘴式高压气筒。 

作为优选，显微摄像机包括摄像头和放大透镜组；所述摄像头置于放大透镜组后方。 

作为优选，图像处理器包括ARM系列嵌入式处理器和显示器。 

作为优选，高压放电装置设有正负极输出转换开关。 

本实用新型的有益效果是： 

大气中的颗粒污染物，特别是细小颗粒对人体健康的损害极大。因此，对空气中颗粒物的研究越来越得到人们的重视。但目前市面上大气颗粒物检测器材成本昂贵，操作复杂，测量时间长，几乎不可能供普通家庭使用。 

本实用新型采用尖端高压放电收集大气颗粒，显微图像处理技术对获取的颗粒图像处理，测定过程可视化，测定过程快速实现，准确判定大气中颗粒的污染物程度。其检测原理可靠，检测结果稳定，而且结构简单，使用方便，成本低廉，可应用于家庭及办公等室内场所。 

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。 

图1是本实用新型大气颗粒检测装置实施例的结构示意图。 

图2是本实用新型大气颗粒检测装置实施例的转盘结构示意图。 

图中，1-机架，2-显微摄像机，3-外筒，4-活塞，5-放电尖端，6-转盘，7-铁皮板，8-陶瓷片，9-通孔，10-转轴，11-电机，12-图像处理器，13-高压放电装置。 

具体实施方式

图1是一种大气颗粒检测装置，由机架1、空气颗粒收集器、转盘6、显微摄像机2、图像处理器12和高压放电装置13组成。空气颗粒收集器、转盘、显微摄像机、图像处理器和高压放电装置均安装在机架上。其中显微摄像机2与空气颗粒收集器并排设置在机架1的上部，转盘设在显微摄像机2与空气颗粒收集器的下方。 

空气颗粒收集器包括外筒3、活塞4和电机。外筒4为透明亚克力板制成的圆筒，活塞装在外筒内，由电机驱动其上下运动，活塞的底面设有多个向下突起的放电尖端5，放电尖端5与高压放电装置13连接且带有负高压，其用于收集尘土中的颗粒物。 

外筒4采用了两个电机驱动其作升降运动。首先在吸气阶段，在吸气完成之后外筒稍作上升以利转盘转动。另外当陶瓷片转到空气颗粒物收集器下方时，外筒下降，使外筒边缘与转盘上面接触，由此将转盘上面与外筒构成的空间密闭。活塞下降加压，加压使密闭空间内的空气温度上升，有利于尖端放电，增加电子动能，减小放电尖端与铁皮板的距离，提高颗粒物收集可靠性。 

显微摄像机2的镜头向下，显微摄像机的信号线与图像处理器12连接。 

转盘6为圆形，中心设有转轴10并由电动11驱动其转动。转盘6设在活塞5的下方。 

如图2所示，在转盘6正面以转轴为中心对称设有2个通孔9和2块金属 板7，金属板7与高压放电装置13连接且带有正高压，在金属板上铺设用于转移收集尘土颗粒的陶瓷片8。转盘6上的通孔9和金属板7位于转盘上的同一圆周上，转盘转动时，活塞与显微摄像机2镜头与转盘上通孔和金属板的位置正好相对应。 

转盘的转动定位采用红外光电传感器，红外光电管装在转盘底面下方并对准转盘底面贴有的一圈黑色胶带，在转盘的吸气位置贴有一段白色的纸片。黑色的胶带不能使光电传感器发出的红外线反射回光电传感器，而白色的纸片可以使光电传感器发出的红外线反射回光电传感器从而触发单片机的中断。当转盘转动到吸气位置时光电传感器检测到白色的纸片而触发中断立即停下转动的转盘从而进行转盘的定位校准。 

显微摄像机是由500万像素的CMOS摄像头和透镜组成的，其放大倍数为500倍。 

风力洗盘器在图1中没有标出，其安装位置与转盘上的陶瓷片或通孔的位置相对应。其由尖嘴式高压气筒和相应的高压电场正负极转换开关组成。尖嘴式高压气筒对准陶瓷片，当转盘转动到洗尘位置时，陶瓷片下面的铁皮板加上和颗粒收集时方向相反的电场，这时荷电颗粒带电的极性和下面的铁皮板极性相同，以排斥荷电颗粒，利于颗粒物的清除。此时尖嘴式高压气筒对准陶瓷片喷射高压空气，将陶瓷片上吸附的尘土颗粒清除。 

图像处理器包括ARM9嵌入式处理器和显示器。空气检测结果直接在显示器上显示。所显示的结果包括了空气颗粒的含量。如果在收集器上相应增加10um和5um的空气过滤膜，还可以得到PM10以下和PM2.5以下的颗粒数量。 

工作原理： 

包括收集颗粒，显微拍摄，图像处理三个环节。收集颗粒部分利用尖端高压放电，使空气样本分子电离，产生大量电子和离子，在电场作用下向两极移动，在移动过程中碰到气体中粉尘颗粒使其带荷电，荷电颗粒在电场作用下向与气流方向相反的极板运动，带负电的颗粒运动到正极板，最终空气中大部分颗粒打在陶瓷片上。然后用能够放大500倍的CMOS显微摄像头拍摄，采集颗 粒图像样本，再对获取的颗粒图像进行图像处理。具体步骤如下：进行两次拍照，陶瓷片进行颗粒物收集之前拍摄一张照片作为参考，随后进行空气颗粒物收集，对收集空气颗粒物后的陶瓷片再次拍摄，获取两张图像灰度直方图，得到阈值，图像二值化，图像连通域分割，获取颗粒物数量及各个黑点的像素个数，最终颗粒物数量为第二次结果减去第一次结果，最后进行空气污染等级的判定。处理结果在图像处理器上显示。 

工作过程： 

在图2中，可旋转的托盘上有对称的两个圆形通孔及同样对称摆放的陶瓷片，圆形通孔用于待检测气体的吸入和排出，陶瓷片用于颗粒的收集。启动装置后，空气颗粒收集器的活塞上升吸入气体并放电收集颗粒，其中一个陶瓷片正好转到活塞的下方。在陶瓷片下方，设有用于转盘定位的红外光电开关。当陶瓷片转到空气颗粒收集器的活塞下方时，红外光电开关对转盘进行校准定位，并执行放电加电场收集被测气体中的颗粒，当完成收集后，托盘旋转90°，这时载有尘土颗粒的陶瓷片转到显微摄像机的下方，这时显微摄像机进行拍照处理，同时空气颗粒收集器的活塞下降将内存并检测过的气体从托盘上的另外一个通孔排出。这里另一个已经检测过的陶瓷片转到了风力洗盘器的位置，风力洗盘器采用高压风力对刚才检测过的陶瓷片上的尘土颗粒进行清洗，如此循环，可以不断进行气体的采集和处理。 

显微摄像机通过信号线与图像处理器连接。图像处理器内设基于Linux系统的嵌入式开发板，其脱离了电脑终端，便捷准确显示结果并反馈。图像处理器上显示处理结果，能够表明所检测的大气质量。 

以上所述的本实用新型实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限定。任何在本实用新型的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的权利要求保护范围之内。 

Claims (8)

1.基于显微图像处理的大气颗粒检测装置，其特征在于：包括机架、空气颗粒收集器、转盘、显微摄像机、图像处理器和高压放电装置；所述空气颗粒收集器、转盘、显微摄像机、图像处理器和高压放电装置安装在机架上； 

所述显微摄像机与空气颗粒收集器设置在机架上部； 

所述空气颗粒收集器包括外筒、活塞和电机；所述活塞装在外筒内，所述活塞和外筒分别由电机驱动可上下运动，活塞底面设有用于收集空气颗粒物且向下凸起的放电尖端； 

所述显微摄像机的镜头向下，显微摄像机的信号线与图像处理器连接； 

所述转盘为圆形，中心设有转轴并由电动驱动，转盘设在活塞下方，转盘正面分别设有通孔和金属板，所述通孔和金属板位于转盘正面的同一圆周上，金属板上铺设陶瓷片； 

所述金属板分别与活塞底面的放电尖端与高压放电装置的正负极连接； 

所述活塞与显微摄像机镜头与转盘上通孔和金属板的位置相对应。 

2.根据权利要求1所述的大气颗粒检测装置，其特征在于：所述外筒为亚克力板制成的圆筒；所述圆筒由电机驱动可升降。 

3.根据权利要求1所述的大气颗粒检测装置，其特征在于：所述转盘还包括用于转盘定位的红外光电开关；所述红外光电开关安装在转盘底面。 

4.根据权利要求1所述的大气颗粒检测装置，其特征在于：所述显微摄像机包括CMOS摄像头，其放大倍数为500倍。 

5.根据权利要求1所述的大气颗粒检测装置，其特征在于：还包括风力洗盘器；所述风力洗盘器包括尖嘴式高压气筒。 

6.根据权利要求1所述的大气颗粒检测装置，其特征在于：所述显微摄像机包括摄像头和放大透镜组；所述摄像头置于放大透镜组后方。 

7.根据权利要求1所述的大气颗粒检测装置，其特征在于：所述图像处理器包括ARM系列嵌入式处理器和显示器。 

8.根据权利要求1所述的大气颗粒检测装置，其特征在于：所述高压放电装置设有正负极输出转换开关。 

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