一种面向气溶胶粉尘粒径和浓度的自发生标定及检测系统

1.本发明涉及粉尘检测领域，尤其涉及一种面向气溶胶粉尘粒径和浓度的自发生标定及检测系统。


背景技术：

2.随着工业的高速发展，工业排放的废气、废物越来越多，对人类和环境的破坏日益严重。在众多污染物中，粉尘的危害正在慢慢加大，应引起大家越来越多的重视。粉尘就是指悬浮在空气中粒径小于75μm的固体微粒，看不到、摸不到，对环境、生产、经济效益、人体健康等都有较大危害，故为了消除安全隐患、保护环境和健康、提高生产效率和经济效益，需要对其粒径和浓度进行检测。目前已经涌现了众多检测粉尘浓度和粒径的装置和方法，但尚没有一款粒径和浓度的同步检测系统。同时，由于粉尘的理化特性和影响因素，尚无法有效的提供有效的标定系统，无法为光声光谱检测粉尘浓度装置提供标定数据，也无法为基于图像处理的粉尘浓度检测提供标定依据。此外，无法获取气溶胶粉尘粒径和浓度的空间和时间运移规律，这些都是困扰粉尘精密检测和技术推广应用面临的难题和瓶颈。


技术实现要素：

3.本发明的主要目的在于提供一种面向气溶胶粉尘粒径和浓度的自发生标定及检测系统，旨在解决以下技术问题：
4.1、没有发生标准气溶胶粉尘的装置，造成检测系统的标定难题；
5.2、气溶胶粉尘粒径和浓度无法同时测量；
6.3、无法获取气溶胶粉尘粒径和浓度的空间和时间运移规律；
7.4、无法为图像识别粉尘浓度提供标准样本进行标定。
8.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种面向气溶胶粉尘粒径和浓度的自发生标定及检测系统，包括气溶胶粉尘发生部分、标定部分和检测部分；利用氮气吹扫标准的已知粒径和浓度的气溶胶粉尘，同步稀释后形成模拟大气气溶胶粉尘的气态样本，为光声光谱浓度检测装置和图像识别粉尘装置提供标定标准源；在密封箱体里形成气溶胶粉尘粒径和浓度的空间和时间沉降状态，通过载玻片的布置采集获得运移规律；设计的三维移动平台，使浓度采集口无死角到达箱体，在完成浓度标定的同时，一个装置可以同步检测气溶胶粉尘粒径和浓度，该系统和方法结构简单、成本低。
9.进一步的，所述气溶胶粉尘发生部分包括发生器皿、发生器皿橡胶塞、连接玻璃弯管、雾化器皿橡胶塞、雾化器皿和发生气路，发生器皿通过发生器皿橡胶塞以嵌入方式密封连接于连接玻璃弯管，连接玻璃弯管通过雾化器皿橡胶塞以嵌入方式密封连接于雾化器皿，发生气路通过控制氮气对发生器皿和雾化器皿进行吹扫和雾化，最终输出已知浓度和粒径的气态气溶胶粉尘；
10.所述发生器皿包括气溶胶玻璃容器、气溶胶粉尘和吹风连接玻璃；
11.所述吹风连接玻璃插入气溶胶玻璃容器中，都是玻璃制品，熔融连接，插入高度高
于气溶胶粉尘的高度；
12.所述气溶胶粉尘可以为气溶胶标准发生液体，也可以为已知浓度和粒径的粉尘粉末；
13.所述雾化器皿包括环状玻璃气管、雾化器皿连接管和圆球状缓冲气管，都为玻璃气管，熔融连接；
14.所述环状玻璃气管位于雾化器皿的颈部，与雾化器皿连接管连通，雾化气体可通过雾化器皿连接管和环状玻璃气管后，进入雾化器皿完成立体吹扫雾化；
15.所述圆球状缓冲气管为雾化器皿的突起段，起到缓冲气流、充分稀释混合气溶胶粉尘的作用；
16.所述发生气路包括氮气、发生端流量计、发生端防静电软管、雾化端流量计、雾化端防静电软管和输出端防静电软管，氮气通过发生端流量计精确输出吹扫气体到发生端防静电软管，进而输出到吹风连接玻璃中，吹扫气溶胶粉尘，同时氮气通过雾化端流量计精确输出吹扫气体到雾化端防静电软管，进而输出到雾化器皿连接管中，雾化和稀释气溶胶粉尘；
17.所述输出端防静电软管输出雾化和稀释后的气溶胶粉尘，具体是已知粒径和浓度的气溶胶粉尘，经过发生端流量计和雾化端流量计的流量控制后，可得到新浓度的气溶胶粉尘，模拟大气粉尘浓度，用于精密粉尘检测仪器或方法的标定研究。
18.进一步的，所述标定部分包括密闭箱、空间采样控制装置、采集端、采样静电软管、浓度采样端、气溶胶粉尘发生端和相机探测口；
19.所述密闭箱为边长为50cm的透明亚克力正方体密闭箱，底面按3*3均匀分布设置9个沉降粉尘收集点，利用载玻片收集粉尘颗粒；
20.所述空间采样控制装置包括x向电机、x向丝杠、x向平台、y向电机、y向丝杠、y向平台、z向电机、z向丝杠、z向平台，x向电机和x向丝杠通过丝杠螺母方式控制x向平台的横向移动，y向电机和y向丝杠通过丝杠螺母方式控制y向平台的纵向移动，z向电机和z向丝杠通过丝杠螺母方式控制z向平台的上下移动，y向电机、y向丝杠和y向平台固定在x向平台上，z向电机、z向丝杠和z向平台固定在y向平台上，整体呈现倒挂状态，实现采集端的空间无死角抵达；
21.所述采集端固定空间采样控制装置的z向平台上，连接有采样静电软管于浓度采样端；
22.所述采样静电软管的长度大于86.6cm，即可以随采集端到达密闭箱的任意位置；
23.所述气溶胶粉尘发生端设置于密闭箱正方形底面中心处，对接输出端防静电软管；
24.所述相机探测口采用橡胶密封，中间可穿入圆环型相机端进行图像采样分析。
25.进一步的，所述检测部分包括光声光谱检测仪、引出静电软管、载玻片和采集摄像机，气溶胶粉尘发生部分传输到标定部分的标准已知粒径和浓度的气溶胶粉尘为光声光谱检测仪和采集摄像机提供了标定样品；
26.所述载玻片尺寸为7.62cm*2.54cm，可完成标准气溶胶粉尘的粒径自校正实验，即可完成粉尘空间沉降试验和粉尘时间沉降试验，进而和已知粒径进行比对研究，同时也可为检测未知气溶胶粉尘空间和时间沉降的方法；
27.所述粉尘空间沉降试验是在边长为50cm的透明亚克力正方体密闭箱中进行，底面设置9个沉降粉尘收集点，利用载玻片收集粉尘颗粒，当待测粉尘置于通风口，自密闭箱底面正中心处从下往上由高压氮气通风，确保粉尘充分扬起后结束通风，使其自行沉降，当沉降结束后，同时取出9个载玻片，盖上盖玻片后，将其置于显微镜下得到粉尘颗粒沉降图，显微镜图经过软件算法粒径识别后，进行定量分析并计算粉尘分散度；
28.所述粉尘时间沉降试验是在空间沉降试验的基础上，根据不同沉降时间，将载玻片分为三组，每组共9个载玻片，当结束高压氮气通样本的同时放入第一组载玻片并开始计时，30s后取出并放入第二组载玻片，再次间隔30s后取出并放入第三组载玻片，即三组载玻片的试验沉降时间段分别为0-30s、30-60s、60-90s，沉降结束后对不同位置收集到的粉尘颗粒的处理及后续数据获取与上述空间沉降试验方案相同。
29.优选的，本发明的采集摄像机识别气溶胶粉尘浓度的方法包括以下步骤：
30.步骤1.气溶胶粉尘发生部分未作用时，密闭箱环境固定，作为起始图像，所述采样摄像机拍下第1帧图像s1作为目标模板；
31.步骤2.气溶胶粉尘发生部分发生标准气溶胶粉尘后，进入标定状态，所述采样摄像机拍下第二帧图像s2，在第二帧图像s2中心提取m*m的子集x2，将其叠放在第一帧图像s1上，则在s1上有一个与之对应的子集x1，把子集x2在平面上逐元平移，得到x2和x1的像素差；
32.步骤3.对于稳定环境下的、同一粒径和理化特性的气溶胶粉尘，浓度是影响像素差的唯一变量，计算像素差值，进而与已知浓度建立对应关系，完成标定；
33.步骤4.当单一理化特性和粒径的粉尘，进入密闭箱时，根据上述对应关系可完成浓度的图像检测；
34.步骤5.当具有不同理化特性和粒径的粉尘，进入密闭箱时，结束上述气溶胶粉尘空间和时间沉降方法辨识不同粒径后，调取不同粒径浓度的像素差进行数据库比对，获取对应粒径的分类数据。
35.本发明的有益效果体现在：利用氮气吹扫标准的已知粒径和浓度的气溶胶粉尘，同步稀释后形成模拟大气气溶胶粉尘的气态样本，为光声光谱浓度检测装置和图像识别粉尘装置提供标定标准源，解决了没有标准气溶胶粉尘发生装置的标定难题；在密封箱体里形成气溶胶粉尘粒径和浓度的空间和时间沉降状态，通过载玻片的布置采集获得运移规律，辅以设计的三维移动平台，使浓度采集口无死角到达箱体，在完成浓度标定的同时，一个装置可以同步检测气溶胶粉尘粒径和浓度，解决了气溶胶粉尘粒径的空间和时间运移规律获取，以及粒径和浓度同时测量的难题，该系统和方法结构简单、成本低，具有重要意义。
附图说明
36.图1为本发明一种面向气溶胶粉尘粒径和浓度的自发生标定及检测系统示意图。
37.附图标记说明：
38.101、发生器皿；102、发生器皿橡胶塞；103、连接玻璃弯管；104、雾化器皿橡胶塞；105、雾化器皿；106、发生气路；
39.1011、气溶胶玻璃容器；1012、气溶胶粉尘；1013、吹风连接玻璃；
40.1051、环状玻璃气管；1052、雾化器皿连接管；1053、圆球状缓冲气管；
41.1061、氮气；1062、发生端流量计；1063、发生端防静电软管；1064、雾化端流量计；1065、雾化端防静电软管；1066、输出端防静电软管；
42.201、密闭箱；202、x向电机；203、x向丝杠；204、x向平台；205、y向电机；206、y向丝杠；207、y向平台；208、z向电机；209、z向丝杠；2010、z向平台；2011、采集端；2012、采样静电软管；2013、浓度采样端；2014、气溶胶粉尘发生端；2015、相机探测口；
43.301、光声光谱检测仪；302、引出静电软管；303、载玻片；304、采集摄像机。
具体实施方式
44.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
45.需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
46.另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“a和/或b”为例，包括a方案、或b方案、或a和b同时满足的方案。另外，“多个”指两个以上。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在。
47.如图1所示，一种面向气溶胶粉尘粒径和浓度的自发生标定及检测系统包括气溶胶粉尘发生部分、标定部分和检测部分。
48.在一实施例中，所述气溶胶粉尘发生部分包括发生器皿101、发生器皿橡胶塞102、连接玻璃弯管103、雾化器皿橡胶塞104、雾化器皿105和发生气路106，发生器皿101通过发生器皿橡胶塞102以嵌入方式密封连接于连接玻璃弯管103，连接玻璃弯管103通过雾化器皿橡胶塞104以嵌入方式密封连接于雾化器皿105，发生气路106通过控制氮气对发生器皿101和雾化器皿105进行吹扫和雾化，最终输出已知浓度和粒径的气态气溶胶粉尘；所述发生器皿101包括气溶胶玻璃容器1011、气溶胶粉尘1012和吹风连接玻璃1013；所述吹风连接玻璃1013插入气溶胶玻璃容器1011中，都是玻璃制品，熔融连接，插入高度高于气溶胶粉尘1012的高度；所述气溶胶粉尘1012可以为气溶胶标准发生液体，也可以为已知浓度和粒径的粉尘粉末；所述雾化器皿105包括环状玻璃气管1051、雾化器皿连接管1052和圆球状缓冲气管1053，都为玻璃气管，熔融连接；所述环状玻璃气管1051位于雾化器皿105的颈部，与雾化器皿连接管1052连通，雾化气体可通过雾化器皿连接管1052和环状玻璃气管1051后，进入雾化器皿105完成立体吹扫雾化；所述圆球状缓冲气管1053为雾化器皿105的突起段，起到缓冲气流、充分稀释混合气溶胶粉尘的作用；所述发生气路106包括氮气1061、发生端流量计1062、发生端防静电软管1063、雾化端流量计1064、雾化端防静电软管1065和输出端防
静电软管1066，氮气1061通过发生端流量计1062精确输出吹扫气体到发生端防静电软管1063，进而输出到吹风连接玻璃1013中，吹扫气溶胶粉尘1012，同时氮气1061通过雾化端流量计1064精确输出吹扫气体到雾化端防静电软管1065，进而输出到雾化器皿连接管1052中，雾化和稀释气溶胶粉尘；所述输出端防静电软管1066输出雾化和稀释后的气溶胶粉尘，具体是已知粒径和浓度的气溶胶粉尘1012，经过发生端流量计1062和雾化端流量计1064的流量控制后，可得到新浓度的气溶胶粉尘，模拟大气粉尘浓度，用于精密粉尘检测仪器或方法的标定研究。
49.在一实施例中，所述标定部分包括密闭箱201、空间采样控制装置、采集端2011、采样静电软管2012、浓度采样端2013、气溶胶粉尘发生端2014和相机探测口2015；所述密闭箱201为边长为50cm的透明亚克力正方体密闭箱，底面按3*3均匀分布设置9个沉降粉尘收集点，利用载玻片收集粉尘颗粒；所述空间采样控制装置包括x向电机202、x向丝杠203、x向平台204、y向电机205、y向丝杠206、y向平台207、z向电机208、z向丝杠209、z向平台2010，x向电机202和x向丝杠203通过丝杠螺母方式控制x向平台204的横向移动，y向电机205和y向丝杠206通过丝杠螺母方式控制y向平台207的纵向移动，z向电机208和z向丝杠209通过丝杠螺母方式控制z向平台2010的上下移动，y向电机205、y向丝杠206和y向平台207固定在x向平台204上，z向电机208、z向丝杠209和z向平台2010固定在y向平台207上，整体呈现倒挂状态，实现采集端2011的空间无死角抵达；所述采集端2011固定空间采样控制装置的z向平台2010上，连接有采样静电软管2012于浓度采样端2013；所述采样静电软管2012的长度大于86.6cm，即可以随采集端2011到达密闭箱201的任意位置；所述气溶胶粉尘发生端2014设置于密闭箱正方形底面中心处，对接输出端防静电软管1066；所述相机探测口2015采用橡胶密封，中间可穿入圆环型相机端进行图像采样分析。
50.在一实施例中，所述检测部分包括光声光谱检测仪301、引出静电软管302、载玻片303和采集摄像机304，气溶胶粉尘发生部分传输到标定部分的标准已知粒径和浓度的气溶胶粉尘为光声光谱检测仪301和采集摄像机304提供了标定样品；所述载玻片303尺寸为7.62cm*2.54cm，可完成标准气溶胶粉尘的粒径自校正实验，即可完成粉尘空间沉降试验和粉尘时间沉降试验，进而和已知粒径进行比对研究，同时也可为检测未知气溶胶粉尘空间和时间沉降的方法。
51.优选的，所述粉尘空间沉降试验是在边长为50cm的透明亚克力正方体密闭箱中进行，底面设置9个沉降粉尘收集点，利用载玻片收集粉尘颗粒，当待测粉尘置于通风口，自密闭箱底面正中心处从下往上由高压氮气通风，确保粉尘充分扬起后结束通风，使其自行沉降，当沉降结束后，同时取出9个载玻片，盖上盖玻片后，将其置于显微镜下得到粉尘颗粒沉降图，显微镜图经过软件算法粒径识别后，进行定量分析并计算粉尘分散度；
52.优选的，所述粉尘时间沉降试验是在空间沉降试验的基础上，根据不同沉降时间，将载玻片分为三组，每组共9个载玻片，当结束高压氮气通样本的同时放入第一组载玻片并开始计时，30s后取出并放入第二组载玻片，再次间隔30s后取出并放入第三组载玻片，即三组载玻片的试验沉降时间段分别为0-30s、30-60s、60-90s，沉降结束后对不同位置收集到的粉尘颗粒的处理及后续数据获取与上述空间沉降试验方案相同；
53.优选的，本发明的采集摄像机304识别气溶胶粉尘浓度的方法包括以下步骤：
54.步骤1.气溶胶粉尘发生部分未作用时，密闭箱201环境固定，作为起始图像，所述
采样摄像机304拍下第1帧图像s1作为目标模板；
55.步骤2.气溶胶粉尘发生部分发生标准气溶胶粉尘后，进入标定状态，所述采样摄像机304拍下第二帧图像s2，在第二帧图像s2中心提取m*m的子集x2，将其叠放在第一帧图像s1上，则在s1上有一个与之对应的子集x1，把子集x2在平面上逐元平移，得到x2和x1的像素差；
56.步骤3.对于稳定环境下的、同一粒径和理化特性的气溶胶粉尘，浓度是影响像素差的唯一变量，计算像素差值，进而与已知浓度建立对应关系，完成标定；
57.步骤4.当单一理化特性和粒径的粉尘，进入密闭箱201时，根据上述对应关系可完成浓度的图像检测；
58.步骤5.当具有不同理化特性和粒径的粉尘，进入密闭箱201时，结合上述气溶胶粉尘空间和时间沉降方法辨识不同粒径后，调取不同粒径浓度的像素差进行数据库比对，获取对应粒径的分类数据。
59.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。