一种微粒物可视化装置和便携式微粒物检测系统的制作方法

本发明涉及微粒物检测技术领域，具体涉及一种微粒物可视化装置和便携式微粒物检测系统。

背景技术：

社会经济的不断发展给环境保护带来了巨大的挑战，大气和水体的微粒物污染在近年来不断恶化，尤其是人类活动高度发达的聚集地区，汽车燃烧尾气的排放微粒物、工业生产过程中产生的烟尘微粒物、城市建设中产生的建筑废弃物堆放扬尘微粒物、生活垃圾堆放地扬尘微粒物、城市地表扬尘微粒物，这些微粒物混合在一起，积累形成复杂的微粒物污染，不仅会给人们的生活带来不便，更严重的是会给人们的身体造成损害。与此同时，随着生活水准的不断提高，当前社会公众对生态环境的关注热度日益提升，尤其关注大气和水体中的微粒物污染，力求对当前的微粒物污染现状做出改善。

然而现有技术中，对大气和水体中的微粒物进行检测的装置大多配置复杂，成本高、体积大、重量大，不适于应用在日常的生产生活场所，无法全面、有效在社会公众范围普及和发展微粒物检测，不利于对微粒物污染的治理。

技术实现要素：

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的微粒物可视化装置和便携式微粒物检测系统。

依据本发明的一个方面，提供了一种微粒物可视化装置，该装置包括：流体通道和激光模组；

所述流体通道供流体流过；

所述激光模组用于产生激光光束，使得所述激光光束入射在所述流体通道中指定区域的流体上，形成流体中的微粒物的散射光，以反映流体中的微 粒物的特性。

可选地，所述激光模组产生的激光光束垂直入射在所述流体通道中指定区域的流体上，所述激光模组产生的激光光束的传播方向与所述流体通道中的流体的流动方向相互垂直。

可选地，该装置进一步包括：放大透镜组；

所述放大透镜组包括一个或多个透镜，用于对流体中微粒物的散射光进行会聚。

可选地，所述放大透镜组的主光轴通过所述指定区域的中心，所述放大透镜组的光学中心与所述指定区域的中心之间的距离不大于所述放大透镜组的焦距。

可选地，所述放大透镜组的主光轴与所述流体通道中的流体的流动方向相互垂直，所述放大透镜组的主光轴与所述激光模组产生的激光光束的传播方向相互垂直。

可选地，该装置进一步包括：流体致动器；

所述流体致动器用于维持所述流体通道中的流体的稳定流速。

可选地，所述流体致动器包括：排风扇或流体泵。

可选地，所述激光模组产生的激光光束的波长在可见光至近可见光的波长范围内。

依据本发明的另一个方面，提供了一种便携式微粒物检测系统，该系统包括：如上任一项所述的微粒物可视化装置，以及，图像获取及处理装置；

所述微粒物可视化装置输出的光进入到图像获取及处理装置中进行处理。

可选地，所述图像获取及处理装置包括：成像透镜组、图像传感器、图像处理模块和显示器；

所述成像透镜组包括一个或多个透镜，用于将所述微粒物可视化装置的流体中发出散射光的微粒物成像到所述图像传感器上；

所述图像传感器具有像素阵列，用于将接收到的光信号转换成电信号，形成流体中的微粒物的图像；

所述图像处理模块用于对流体中的微粒物的图像进行分析处理，得到流 体中的微粒物的特性；

所述显示器用于显示所述图像传感器形成的流体中的微粒物的图像以及所述图像处理模块分析得到的流体中的微粒物的特性。

可选地，所述流体中的微粒物的特性包括如下一种或多种：流体中的微粒物的大小、流体中的微粒物的发光特性、流体中的微粒物的密度。

可选地，所述微粒物可视化装置与所述图像获取及处理装置安装在两个独立可分离的外壳中，或者，所述微粒物可视化装置与所述图像获取及处理装置安装在一个外壳中；

所述微粒物可视化装置与所述图像获取及处理装置之间存在有线或无线方式的通信渠道，或者，所述微粒物可视化装置与所述图像获取及处理装置之间不存在有线或无线方式的通信渠道。

可选地，所述微粒物可视化装置进一步包括：一个或多个中心校准标记；

所述微粒物可视化装置与所述图像获取及处理装置依据所述中心校准标记校准相对位置，使得所述成像透镜组的主光轴通过所述指定区域的中心。

可选地，所述中心校准标记为设置在所述微粒物可视化装置的外壳面板上的透光图案。

可选地，所述图像获取及处理装置为具有拍摄功能的移动终端。

根据本发明的技术方案，通过一个微粒物可视化装置对流体中的微粒物进行激光照射和光学放大，使得流体中的微粒物的相关信息以微粒物的散射光的形式输出，再通过一个图像获取及处理装置对微粒物的散射光进行获取、成像和分析，得到微粒物的散射光中所携带的微粒物的相关信息，得到微粒物的特性；依据本方案，可以随时随地实现对流体中的微粒物的检测，该方案原理清晰，配置合理，成本低，重量小，操作过程便捷，携带方便，尤其适合对家庭、学校、办公室、医院、车间、工地、交通工具内等场所的空气中的微粒物进行检测，也适合对各种其他气体或液体中的微粒物进行检测，在当前对环境关注度日益提高的社会趋势下，本发明提供的技术方案对于检测成本的降低、检测手段的全民普及化具有重要的意义。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它 目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了根据本发明一个实施例的一种微粒物可视化装置的结构透视示意图；

图2示出了根据本发明一个实施例的一种微粒物可视化装置的结构断面示意图；

图3示出了根据本发明一个实施例的一种图像获取及处理装置的结构断面示意图；

图4示出了根据本发明一个实施例的一种便携式微粒物检测系统的结构断面示意图；

图5示出了根据本发明的一个实施例的一种便携式微粒物检测系统的示意图；

图6示出了根据本发明一个实施例的一种利用便携式微粒物检测系统进行检测的方法的流程图；

100，微粒物可视化装置；110，流体通道；111，流体通道的入口；112，流体通道的出口；113，指定区域；120，激光模组；121，激光光束；130，放大透镜组；140，流体致动器；150，控制电路；160，微粒物可视化装置的外壳；161，图像获取开口；162，中心校准标记；170，电源接口；200，图像获取及处理装置；210，成像透镜组；220，图像传感器；230，图像处理模块；240，显示器；250，图像获取及处理装置的外壳。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不 应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

图1示出了根据本发明一个实施例的一种微粒物可视化装置的结构透视示意图，该微粒物可视化装置使用激光照射以及光学放大的方式，使得流体中的微粒物的特性相关信息可以被检测到。如图1所示，该微粒物可视化装置包括：流体通道110、激光模组120、放大透镜组130。

流体通道110供流体流过，图1中示出了流体通道的入口111和流体通道的出口112，在对流体中的微粒物进行检测时，如图1中箭头所示流体从流体通道的入口111流入，从流体通道的出口112流出，在流体通道110中形成具有稳定流速的流体流。其中，当流体是液体时，流体通道110是封闭的，当流体是气体时，流体通道110可以不是完全封闭的。

激光模组120用于产生激光光束121，激光光束121入射在流体通道110中指定区域的流体上，由于流体中包含微粒物，激光光束121入射在流体上与流体中的微粒物发生作用，微粒物在激光光束121的作用下对光的反射、折射、散射等效应，形成流体中的微粒物作为光源的流体中的微粒物的散射光，该流体中的微粒物的散射光携带了微粒物的大小、数量、发光特征等信息，反映流体中的微粒物的特性。本实施例中，激光模组120产生的激光光束121的波长在可见光至近可见光的波长范围内，常见的如红光波长或绿光波长。

放大透镜组130包括一个或多个透镜，本实施例中放大透镜组130为一个简单透镜，当然也可以使用如复合透镜或衍射透镜等其他种类的透镜，用于会聚流体中的微粒物的散射光，对流体中发出散射光的微粒物进行光学成像，为后续的成像及图像获取做准备。在其他实施例中，微粒物可视化装置中可以不设置放大透镜组130，流体中的微粒物发出的散射光在后续直接进行成像处理，可以视具体需求做选择。

如图1所示，微粒物可视化装置还包括流体致动器140，用于维持流体通道110中的流体的稳定流速，如排风扇或流体泵等；微粒物可视化装置还包括一个控制电路150，用于控制激光模组120和流体致动器140，控制电路150可以包括启动开关，也可以包括定时器电路，用于自动关闭激光模组120 和流体致动器140，也可以包括一个或多个发光二极管，用于显示微粒物可视化装置是否启动，以及定时电路状态等。本实施例中的微粒物可视化装置安装在一个外壳160内，流体通道的入口111和流体通道的出口112分别设置在外壳160的两个相对的侧面，外壳160上还设置有电源接口170，在其他实施例中，微粒物可视化装置可以使用内置电池，也可以使用外部电池或外部电源，也可以支持其他供电方式，在使用外部电池或外部电源的情况下，微粒物可视化装置具有一个或多个电源接口170。

图2示出了根据本发明一个实施例的一种微粒物可视化装置的结构断面示意图，用于更准确说明微粒物可视化装置中各部件之间的位置关系。如图2所示，激光模组120产生的激光光束121垂直入射在流体通道110中指定区域113的流体上，流体的流动方向垂直于纸面，激光光束121的传播方向与流体的流动方向相互垂直，形成流体中的微粒物的散射光。放大透镜组130设置在流体通道110的上方，放大透镜组130的主光轴通过指定区域113的中心，放大透镜组130的光学中心与指定区域113的中心之间的距离不大于放大透镜组130的焦距，以实现光学成像放大功能；放大透镜组130的主光轴与激光光束121的传播方向相互垂直，放大透镜组130的主光轴与流体的流动方向相互垂直。

在本实施例中，微粒物可视化装置使用独立外壳160，在外壳160的靠近放大透镜组130且垂直于放大透镜组130的主光轴的面板上设置图像获取开口161，使得流体中的微粒物的散射光经放大透镜组130会聚后，所形成的流体中的微粒物的放大的虚像从该图像获取开口161输出；进一步地，在外壳160的远离放大透镜组130且垂直于放大透镜组130的主光轴的面板上设置中心校准标记162，如在该面板与放大透镜组130的主光轴交界处设置透光图案构成中心校准标记162。

图3示出了根据本发明一个实施例的一种图像获取及处理装置的结构断面示意图，该图像获取及处理装置用于获取输入光形成对应的图像，通过对所获取的图像进行分析处理计算出输入光所携带的信息。如图3所示，该图像获取及处理装置包括：成像透镜组210、图像传感器220、图像处理模块 230和显示器240。

成像透镜组210包括一个或多个透镜，通过调整成像透镜组210和图像传感器220之间的距离，使得输入光经过成像透镜组210后入射到图像传感器220上；图像传感器220具有二维像素阵列，用于将入射到其上的光信号转换成电信号，形成相应的二维图像；图像处理模块230可以包括专用集成电路、微处理器、运算软件等部分，用于处理图像传感器220形成的图像，计算该图像所反映出的相应信息；显示器240用于显示图像传感器220形成的图像和图像处理模块230计算出的结果，实现与用户的交互界面。本实施例中，该图像获取及处理装置安装在一个外壳250内。

图4示出了根据本发明一个实施例的一种便携式微粒物检测系统的结构断面示意图。如图4所示，该便携式微粒物检测系统包括：微粒物可视化装置100和图像获取及处理装置200，其检测原理为：

微粒物可视化装置100的具体实施例与上文中图1-图2所示的微粒物可视化装置的实施例相同，在流体致动器140的作用下，包含有微粒物的流体从流体通道110中流过，激光模组120产生的激光光束121垂直入射在流体通道110中指定区域113的流体上，形成流体中的微粒物的散射光，流体中的微粒物的散射光经过放大透镜组130会聚后，形成流体中的微粒物的放大的虚像，输出到图像获取及处理装置200中进行处理；图像获取及处理装置200的具体实施例与上文中图3所示的图像获取及处理装置的实施例相同，微粒物可视化装置100输出的光经过成像透镜组210后入射到图像传感器220上，使得成像透镜210将放大透镜组130形成的流体中的微粒物的放大的虚像进一步成像到图像传感器220上，图像传感器220经过光信号到电信号的转换获得流体中微粒物的图像，图像处理模块230对该流体中微粒物的图像进行分析计算，得到流体中的微粒物的特性；将所获得的微粒物的图像以及微粒物的特征显示在显示器240上以与用户进行交互，使得用户获知当前检测的流体中的微粒物的特性。其中，流体中的微粒物的特性包括如下一种或多种：流体中的微粒物的大小、流体中的微粒物的发光特性、流体中的微粒物的密度等；图像处理模块230可以具有网络功能，通过网络与外部服 务器连接，在服务器上进行部分数据运算和存储功能，通过网络还可以实现与其他微粒物检测装置进行数据共享的功能。

基于上述检测原理，在对流体中的微粒物进行检测的过程中，便携式微粒物检测系统中的微粒物可视化装置100和图像获取及处理装置200之间的相对位置是有要求的，具体地，为了使微粒物可视化装置100输出的光有效地进入图像获取及处理装置200中，需要保证成像透镜组210的主光轴通过指定区域113的中心附近，在本实施例中，成像透镜组210的主光轴与放大透镜组130的主光轴共线。

微粒物可视化装置100和图像获取及处理装置200可以分别安装在两个独立的外壳中，也可以共同安装在一个统一的外壳中，当微粒物可视化装置100和图像获取及处理装置200分别安装在两个独立的外壳中时，为了保证微粒物可视化装置100和图像获取及处理装置200之间的相对位置符合要求，在进行微粒物检测之前，需要通过设置在微粒物可视化装置100的外壳160上的中心校准标记162来对微粒物可视化装置100和图像获取及处理装置200之间的相对位置进行校准。在本实施例中，中心校准标记162是开设在外壳160的远离放大透镜组130且垂直于放大透镜组130的主光轴的面板上的多个小孔，外界环境中的光通过开设的小孔进入到微粒物可视化装置100中，经过放大透镜组130后入射到成像透镜组210上，成像透镜组210将入射到其上的光成像到图像传感器220上，图像传感器220获得中心校准标记162的图像并显示在显示器240上，调整图像获取及处理装置200的位置和方向直至符合上述要求。校准结束后，遮蔽中心校准标记162，阻断外界环境中的光对检测过程的干扰。

在本发明的一个实施例中，当微粒物可视化装置100和图像获取及处理装置200分别安装在分离的外壳中时，便携式微粒物检测系统中的微粒物可视化装置100和图像获取及处理装置200可以使用有线或无线方式连接通信，也可以不使用有线或无线方式连接通信。

在本发明的一个实施例中，当微粒物可视化装置100和图像获取及处理装置200分别安装在分离的外壳中时，图像获取及处理装置200可以是一个具有拍摄功能的移动终端。图5示出了根据本发明的一个实施例的一种便携 式微粒物检测系统的示意图，从图中可以看出，本实施例中，图像获取及处理装置200是一个智能手机。

图6示出了根据本发明一个实施例的一种利用便携式微粒物检测系统进行检测的方法的流程图，本实施例采用如图4所示的便携式微粒物检测系统，其结构在上文中已详细说明。如图6所示，该方法包括：

步骤s1，将图像获取及处理装置200放置在微粒物可视化装置100的上方；具体地，将图像获取及处理装置200的成像透镜组210朝向微粒物可视化装置100的放大透镜组130。

步骤s2，通过中心校准标记162对微粒物可视化装置100和图像获取及处理装置200的相对位置进行调整；具体地，让外部光线通过中心校准标记162进入微粒物可视化装置100中，从显示器240观察中心校准标记162，调整图像获取及处理装置200的位置和方向，使得成像透镜组210的主光轴对准放大透镜组130的主光轴，使得显示器240上显示的长方形图像的长边与激光光束121的传播方向平行。

步骤s3，校准完毕，将便携式微粒物检测系统放置在平台上，遮蔽中心校准标记162。

步骤s4，启动微粒物可视化装置100的激光模组120和流体致动器140，使得包含微粒物的流体从流体通道110中通过。

步骤s5，触发显示器上显示的用户控制界面以开始检测，获得检测结果；开始检测后，图像获取及处理装置200获取一张或多张微粒物的图像，并通过对获取的一张或多张微粒物的图像进行处理，计算出微粒物的特性，在显示器上显示计算结果。

如果需要再次测试，可以返回到上述步骤s4，如果不需要再次测试，可以手动关闭激光模组120和流体致动器140，也可以利用控制电路150中的延时控制电路自动关闭激光模组120和流体致动器140。

综上所述，本发明提供的技术方案通过一个微粒物可视化装置对流体中的微粒物进行激光照射和光学放大，使得流体中的微粒物的相关信息以微粒物的散射光的形式输出，再通过一个图像获取及处理装置对微粒物的散射光 进行获取、成像和分析，得到微粒物的散射光中所携带的微粒物的相关信息，得到微粒物的特性；依据本方案，可以随时随地实现对流体中的微粒物的检测，该方案原理清晰，配置合理，成本低，重量小，操作过程便捷，携带方便，尤其适合对家庭、学校、办公室、医院、车间、工地、交通工具内等场所的空气中的微粒物进行检测，也适合对各种其他气体或液体中的微粒物进行检测，在当前对环境关注度日益提高的社会趋势下，本发明提供的技术方案对于检测成本的降低、检测手段的全民普及化具有重要的意义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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，均包含在本发明的保护范围内。