悬浮颗粒实时在线检测装置的制作方法

本发明涉及光学系统设计、智能识别技术领域，尤其涉及一种悬浮颗粒实时在线检测装置。

背景技术：

在精密设备生产装配过程中，通常需要对环境要求达到一定的清洁度，万级、千级、百级等名称可以定量描述空间清洁度，表示单位立体空间中悬浮颗粒的个数。虽然已经有一些的设备用于测量空气中悬浮物的颗粒数目，但大多数设备采用的方法是样本测量，即先采样气体、后测量，当前这类方法对于抽样检验密闭空间内的清洁度是可行的，但要对开放的指定空间位置的悬浮物的实时检测，这种方法就有一定的局限性。

目前一些企业开发了用光学检测技术测量空气中悬浮颗粒的方法，但其检测过程仍然依赖于空气取样，通过样品盒或者样品流通区进行悬浮颗粒检测，因取样难以准确实时地反映指定空间的悬浮物颗粒的密度，当需要实时检测静态空间的悬浮物数目时，当前的检测方法就很难满足需求。另外在一些特殊的区域内，没有足够的空间放置现有的测量设备，以致用现有的设备无法直接测量狭窄空间的悬浮物的测量。此外，对于大型设备的生产装配环境，尤其是含有微小液体管路、气体管路的设备装配，特别需要注意管路出入口局部范围内微小颗粒的影响，针对这类测量需求，现有设备难以满足要求。

技术实现要素：

本发明提供了一种悬浮颗粒实时在线检测装置，能够解决现有技术中检测装置难以实时检测指定空间悬浮物的技术问题。

本发明提供了一种悬浮颗粒实时在线检测装置，悬浮颗粒实时在线检测装置包括：光源；光源整形组件，光源整形组件用于对光源发出的光束进行调整以输出线状平行光，线状平行光用于照亮待检测区域；光陷阱，光陷阱用于搜集线状平行光以防止光反射；镜头和相机，镜头设置在相机上，相机包括探测器，镜头用于将待检测区域的图像成像在相机的探测器上，相机用于将待检测区域的图像的光信号转换为电信号；图像采集处理单元，图像采集处理单元与相机连接，图像采集处理单元用于根据待检测区域的图像的电信号计算获取悬浮颗粒的尺寸和数量。

进一步地，光源包括激光器或发光二极管，悬浮颗粒实时在线检测装置可根据相机的动态范围调整光源的亮度以保证待检测区域内的悬浮颗粒在相机中成像的图像灰度值为像素饱和灰度值的中值。

进一步地，光源为激光器，光源整形组件包括扩束镜和狭缝光阑，扩束镜用于对激光器发出的激光进行扩束，扩束后的激光经过狭缝光阑后形成设定长度和宽度的线状平行光。

进一步地，光源为发光二极管，光源整形组件包括柱透镜和狭缝光阑，发光二极管位于柱透镜的焦平面上，发光二极管发出的光束经过柱透镜后形成平行光，平行光经过狭缝光阑后形成设定长度和宽度的线状平行光。

进一步地，线状平行光的光源长度与相机的探测器上的成像长度的比值等于镜头的放大倍率，线状平行光的光源宽度等于相机的景深。

进一步地，光陷阱分别与光源和光源整形组件平行设置且光陷阱的中心与光源中心正对设置，光陷阱包括金属基体和黑漆，金属基体具有黑体腔，黑漆涂覆在黑体腔的表面，黑漆的发射率大于0.95。

进一步地，黑体腔的横截面形状包括矩形，黑体腔的底部呈倒锥形结构，倒锥形结构的尖端朝向光源的方向设置。

进一步地，黑体腔的长度大于线状平行光的光源长度的10％，黑体腔的宽度大于线状平行光的光源宽度的10％，黑体腔的深度大于黑体腔的宽度的六倍。

进一步地，光陷阱和光源之间的距离与线状平行光的光源长度的比值等于相机的探测器的长度与宽度的比值。

进一步地，实时在线检测装置还包括基座，光源、光源整形组件、光陷阱、镜头和相机均设置在基座上。

应用本发明的技术方案，提供了一种悬浮颗粒实时在线检测装置，该装置通过光源整形组件将光源发出的光调整为线状平行光以照亮待检测区域，镜头将待检测区域的图像成像在相机的探测器上，并通过相机将待检测区域的图像的光信号转换为电信号，最后经图像采集处理单元对待检测区域的图像信息计算能够实时获取任一待检测区域的悬浮颗粒的尺寸和数量。本发明的实时在线检测装置与现有技术相比，结构简单，能够根据实际需要检测的区域，通过调整相机镜头和调整光源照射区域位置对需要检测的区域进行悬浮颗粒的在线实时检测以获取悬浮物颗粒的大小和数量，实现特殊工作环境条件下工作区域的空气质量检测。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明的具体实施例提供的悬浮颗粒实时在线检测装置的组成框图；

图2示出了根据本发明的具体实施例提供的悬浮颗粒实时在线检测装置的结构示意图；

图3示出了根据本发明的具体实施例提供的线状平行光各尺寸的示意图；

图4示出了根据本发明的具体实施例提供的光陷阱的结构示意图；

图5示出了图4中提供的光陷阱的正视图；

图6示出了图4中提供的光陷阱的剖视图；

图7示出了根据本发明的又一实施例提供的悬浮颗粒实时在线检测装置的结构示意图；

图8示出了根据本发明的悬浮颗粒实时在线检测装置进行悬浮颗粒检测的结果图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、光源；20、光源整形组件；30、光陷阱；30a、黑体腔；40、镜头；50、相机；60、图像采集处理单元。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

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申请的示例性实施方式。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。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1至图7所示，根据本发明的一个具体实施例提供了一种悬浮颗粒实时在线检测装置，该悬浮颗粒实时在线检测装置包括光源10、光源整形组件20、光陷阱30、镜头40、相机50和图像采集处理单元60，光源整形组件20用于对光源10发出的光束进行调整以输出线状平行光，线状平行光用于照亮待检测区域，光陷阱30用于搜集线状平行光以防止光反射，镜头40设置在相机50上，相机50包括探测器，镜头40用于将待检测区域的图像成像在相机50的探测器上，相机50用于将待检测区域的图像的光信号转换为电信号，图像采集处理单元60与相机50连接，图像采集处理单元60用于根据待检测区域的图像的电信号计算获取悬浮颗粒的尺寸和数量。

应用此种配置方式，提供了一种悬浮颗粒实时在线检测装置，该装置通过光源整形组件将光源发出的光调整为线状平行光以照亮待检测区域，镜头将待检测区域的图像成像在相机的探测器上，并通过相机将待检测区域的图像的光信号转换为电信号，最后经图像采集处理单元对待检测区域的图像的电信号计算能够实时获取任一待检测区域的悬浮颗粒的尺寸和数量。本发明的实时在线检测装置与现有技术相比，结构简单，能够根据实际需要检测的区域，通过调整相机镜头和调整光源照射区域位置对需要检测的区域进行悬浮颗粒的在线实时检测以获取悬浮物颗粒的大小和数量，实现特殊工作环境条件下工作区域的空气质量检测。

此外，本发明的实时在线检测装置能够根据实时待检测的区域的空间大小进行同比例缩放，以适应于各种大小工作区域空气质量检测。对于现有技术中一些微小工作区域来说，只要能够保证本发明的在线检测装置的待检测区域与相机之间无遮挡，即可通过光源照亮待检测区域，通过图像传感的方式实时捕捉被测区域的悬浮物颗粒的大小和数量，实现特殊工作环境条件下，微小工作区域的空气质量检测，解决大型设备的生产装配环境微小液体管路、气体管路的设备装配中现场无法实时检测空气微小悬浮物的问题，为精密设备装配提供有效的保障。

进一步地，在本发明中，为了照亮待检测区域以及提高成像质量，可将光源10配置为包括激光器或发光二极管，悬浮颗粒实时在线检测装置可根据相机50的动态范围调整光源10的亮度以保证待检测区域内的悬浮颗粒在相机50中成像的图像灰度值为像素饱和灰度值的中值。作为本发明的其他实施例，光源10也可选用其他的高亮度光源。

在本发明中，当现场环境为暗环境时，激光的光亮度可以调整为较小值，当现场环境为为亮环境，则激光的亮度应调整为较大值。具体地，光源10的亮度可通过手动或者自动方式来进行调整。当采用手动方式调整光源亮度时，通过观测悬浮颗粒在相机中成像的图像灰度值，当悬浮颗粒在相机中成像的图像灰度值与像素饱和灰度值的中值偏差过大时，通过手动调整光源亮度，以使得悬浮颗粒在相机50中成像的图像灰度值为像素饱和灰度值的中值。

当采用自动方式调整光源亮度时，图像采集处理单元60可实时采集悬浮颗粒在相机中成像的图像灰度值，并使该图像灰度值与像素饱和灰度值的中值相比较，当悬浮颗粒在相机中成像的图像灰度值与像素饱和灰度值的中值的偏差值超过设定阈值时，图像采集处理单元60可控制光源10的控制器对光源10的亮度进行调制，以使得悬浮颗粒在相机中成像的图像灰度值与像素饱和灰度值的中值近似相等，由此提高操作效率。

进一步地，作为本发明的一个具体实施例，当采用激光器作为光源10时，光源整形组件20包括扩束镜和狭缝光阑，由于激光器发出的光为平行光，因此，需要扩束镜对激光器发出的激光进行扩束，扩束后的激光经过狭缝光阑后形成设定长度和宽度的线状平行光。具体地，在本实施例中，激光器的亮度调整原则可确定为当激光器输出的激光能够将直径为10μm的悬浮颗粒照亮，且该颗粒的散射光使得相机的探测器明显探测到，此时激光器的亮度即为适合的亮度。此外，在本发明中，光源10的供电方法不受限制，允许使用现有技术中任意一种供电方法，例如220v交流电源或者直流电源等。

作为本发明的又一实施例，当采用发光二极管作为光源10时，光源整形组件20包括柱透镜和狭缝光阑，由于发光二级管发出的光为可见光，为了实现对待检测区域的有效照明，需要将可见光转换为平行光。通过将发光二极管设置在柱透镜的焦平面上，发光二极管发出的光束经过柱透镜后形成平行光，平行光经过狭缝光阑后形成设定长度和宽度的线状平行光。具体地，在本实施例中，发光二极管的亮度调整原则可确定为当激光器输出的激光能够将直径为10μm的悬浮颗粒照亮，且该颗粒的散射光使得相机的探测器明显探测到，此时发光二极管的亮度即为适合的亮度。此外，在本发明中，光源10的供电方法不受限制，允许使用现有技术中任意一种供电方法，例如稳压直流电源等。

进一步地，在本发明中，光源10发出的光束经过光源整形组件20后被整形为线状平行光，为了保证拍摄有效以及能够在相机的探测器中清晰成像，如图3所示，可将线状平行光的光源长度l1与相机50的探测器上的成像长度的比值配置为等于镜头40的放大倍率，线状平行光的光源宽度w1等于相机50的景深。

应用此种配置方式，通过将线状平行光的光源长度l1与相机50的探测器上的成像长度的比值配置为等于镜头40的放大倍率，也就是说线状平行光的光源长度l1与相机的探测器的长度关于镜头40对应，即线状平行光的光源长度l1经过镜头40后成像在相机的探测器上的长度等于探测器的长度，此种方式能够避免线状平行光的光源长度l1过大导致将其他物体拍进去以使得图像处理失败以及线状平行光的光源长度l1过小导致未将待检测区域全部拍摄完全所导致的拍摄无效。此外，通过将线状平行光的光源宽度w1设置为等于相机50的景深，能够使得在被照亮区域的厚度范围内的悬浮颗粒物均能够被相机所捕捉到，且能够对被照射物体清晰成像，提高悬浮颗粒物的计算精确度。作为本发明的一个具体实施例，狭缝光阑的宽度为5mm。长度为30mm。

进一步地，在本发明中，为了能够有效避免光反射，提高成像清晰度，可将光陷阱30配置为分别与光源10和光源整形组件20平行设置且光陷阱30的中心与光源10中心正对设置，光陷阱30包括金属基体和黑漆，金属基体具有黑体腔30a，黑漆涂覆在黑体腔30a的表面，黑漆的发射率大于0.95。应用此种配置方式，通过在光源10的正对面设置光陷阱30，能够使得光源10输出光全部入射到光陷阱内，防止光束反射影响成像质量。

作为本发明的一个具体实施例，如图4至图6所示，黑体腔30a的横截面形状包括矩形，黑体腔30a的底部呈倒锥形结构，倒锥形结构的尖端朝向光源10的方向设置。应用此种配置方式，通过将黑体腔30a的底部设置为倒锥形结构，能够有效对进入黑体腔中的光束进行吸收，提高光束吸收效率。

进一步地，在本发明中，为了能够进一步地提高对光束的吸收效率，可将黑体腔30a的长度l2配置为大于线状平行光的光源长度l1的10％，黑体腔30a的宽度w2大于线状平行光的光源宽度w2的10％，黑体腔30a的深度h2大于黑体腔30a的宽度w2的六倍。应用此种配置方式，通过将黑体腔30a的长度l2和宽度w2均设置为大于线状平行光的长度l1和宽度w1，能够有效防止光束在行进过程中的衍射，以实现对光束的有效吸收。其中，在本发明中，光陷阱30的深度h2不小于10mm。

此外，在本发明中，为了保证成像有效，可将光陷阱30和光源10之间的距离h1与线状平行光的光源长度l1的比值设置为等于相机50的探测器的长度与宽度的比值。应用此种配置方式，能够有效避免光陷阱30和光源10之间的距离h1与线状平行光的光源长度l1的比值设置不合理所导致被检测区域拍摄不全或者包括其他物体，从而降低计算结果的准确度。作为本发明的一个具体实施例，光陷阱30的宽度w2为5.5mm，长度l2为31mm，深度h2为35mm。光陷阱30到光源10的距离h1选择为40mm。

进一步地，在本发明中，为了提高检测装置的便携性，如图7所示，可将实时在线检测装置配置为还包括基座70，光源10、光源整形组件20、光陷阱30、镜头40和相机50均设置在基座70上。应用此种配置方式，光源整形组件20与光源10机械相连接，光陷阱30与光源10通过基座70连接在仪器以便于统一调整，当需要对狭小空间内的空气质量进行检测时，根据实际需要可将基座70同比例缩小，只要能过保证待检测区域与相机之间无遮挡即可。

此外，在本发明中，镜头40为成像系统，镜头40与相机50相匹配，镜头40的空间分辨率大于相机50的空间分辨率。镜头40的焦距一般为可变焦距但不局限于可变焦距。镜头40的景深与光源10的宽度w1相对应，镜头40的景深略大于或等于光源10的宽度w1，以保证光源照亮的空间均可以清晰成像在相机50的探测器上，镜头10的机械接口与相机50的机械接口一致。其中，在本发明中，镜头40的视场角fov可根据公式fov＝2×arctan(d/2l)来计算，d为待检测区域的对角线长度，l为相机50的探测器到待检测区域的距离。

进一步地，在本发明中，相机50为数码相机，相机50的探测器为高分辨面振探测器，相机50的探测器像素数不小于1024*768，相机的帧频不小于30fps，相机探测器到待检测区域的距离可依据工作现场需求确定。相机的探测器的长宽比为4:3，探测器应当使得被检测平面上的指定尺寸的物体清晰分辨出来。作为本发明的一个具体实施例，相机50的探测器类型为cmos，探测器的像素分辨率为4096*3072，相机的帧频为30fps。

此外，作为本发明的一个具体实施例，镜头40可选择固定焦距，镜头40的焦距为10mm，工作距离为100mm，镜头40的机械接口为c口。镜头40的工作距离可调，镜头40的f数可调。可选择地，作为本发明的其他实施例，镜头40选择可调焦距，工作距离为100mm，镜头40的机械接口为c口。镜头40的工作距离可调，镜头40的f数可调。

进一步地，在本发明中，当获取了待检测区域的图像之后，需要对悬浮颗粒的数量和大小进行计算。本发明采用计算机及应用软件作为图像采集处理单元60，该计算机及应用软件为一个具备数据接收、数据计算、数据输出、数据存储功能的计算机。控制器在应用软件的作用下实现对相机50进行数据实时采集和处理。控制器的数据采集速率大于相机50的数据输出速率。控制器上的应用软件对数据进行处理，处理过程是图像识别与处理过程，图像识别的过程依据匹配算法进行，首先通过图像直方图进行统计处理，查找图像分割阈值，然后采用阈值对图像中的特征边界进行提取，最后计算特征的区域面积以得出悬浮颗粒的尺寸和数量。

其中，在本发明中，待检测区域的长度l1、宽度w1以及距离相机50的深度h1的乘积代表了待检测区域的体积，当通过图像采集处理单元60获取了悬浮颗粒的总数目之后，通过该悬浮颗粒的总数与待检测区域的体积相比即可获得单位体积内悬浮颗粒的数目。

具体地，作为本发明的一个实施例，计算机与应用软件中的计算机为一般计算机，计算器的处理器主频不小于3ghz，计算机与应用软件中的应用软件为专用的图像处理软件，图像处理软件的关键内容为图像处理算法，其主要功能为捕捉图像数据并计算图像中被照亮的散射单元的位置和尺寸。图8示出了使用本发明的悬浮颗粒实时在线检测装置进行悬浮颗粒在线检测的结果，其中，圆形表示球形悬浮物，细线表示线状悬浮物。

综上所述，本发明提供了的一种悬浮颗粒实时在线检测装置，该装置与现有技术相比，其通过图像传感的方式能够实时捕捉被测区域的悬浮物颗粒的大小和数量，实现特殊工作环境条件下，微小工作区域的空气质量检测，解决大型设备的生产装配环境微小液体管路、气体管路的设备装配中现场无法实时检测空气微小悬浮物的问题，为精密设备装配提供有效的保障。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

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。