煙霧總量分析計算

1、Smoke Analysis To Calculate The Total凱凱光學凱凱光學激光與圖像相結(jié)合煙霧濃度檢測檢測方法總體設(shè)計檢測方法總體設(shè)計炮口煙霧總量計算炮口煙霧總量計算激光檢測激光檢測圖像檢測圖像檢測激光與圖像相結(jié)合激光與圖像相結(jié)合煙霧煙霧煙 霧煙霧（smoke fog）原意是空氣中的煙煤與自然霧相結(jié)合的混合體。而在膠體化學中，煙霧實際上是一種膠體，是由介質(zhì)及分散在介質(zhì)內(nèi)的微粒構(gòu)成，這些構(gòu)成成分又稱為分散相。氣溶膠是以空氣為介質(zhì)的自然膠體體系，其分散相為分散在空氣中的固、液態(tài)微粒。通常將煙、霧分別看作是分散相固態(tài)和液態(tài)的氣溶膠，而煙霧則是分散相為固液態(tài)微?；旌袭a(chǎn)生的一種復(fù)合式氣溶

2、膠。無論是可見光、紅外光還是微波，穿透煙霧時都會被煙霧遮蔽，對其傳輸產(chǎn)生干擾，則煙霧常常用顆粒尺寸分布、透過率、消光系數(shù)、煙幕濃度、粒度總遮蔽力、煙霧消散時間等來表征。 煙霧粒徑通常在0. l um到幾十um。煙霧產(chǎn)生后煙霧粒子之間會發(fā)生碰撞和凝聚，經(jīng)過一定時間，煙霧發(fā)生擴散、沉降等使得煙霧粒子濃度下降。煙霧從產(chǎn)生到擴散是一動態(tài)過程，煙霧的形成方法主要有以下三種:分散法、凝集法、綜合法。本文就燃燒產(chǎn)生的煙霧進行研究，為發(fā)射藥向常溫下完全燃燒產(chǎn)生氣體的方向提供依據(jù)。 煙霧是一種氣溶膠，光通過煙霧后能量會發(fā)生衰減，發(fā)生散射和透射現(xiàn)象，透射光的強度和散射光的強度都受煙霧膠體顆粒大小濃度影響所以我們可

3、以采用光學檢測的方法測量煙霧顆粒的濃度。炮口煙霧特性 炮口煙霧，在炮彈發(fā)射后炮口煙霧產(chǎn)生速度快，范圍大，擴散快。煙霧總量主要分析計算煙霧濃度，煙霧濃度分為質(zhì)量濃度和煙霧顆粒濃度，煙霧質(zhì)量濃度是計算單位體積內(nèi)煙霧顆粒的質(zhì)量，而煙霧顆粒濃度是計算單位體積內(nèi)煙霧顆粒的個數(shù)。煙霧的檢測方法煙霧檢測發(fā)展可以看出，煙霧濃度的檢測最主要的有兩種方法：一種是基于光電檢測方法，一種是基于圖像檢測方法。 單獨使用激光測量煙霧濃度我們會發(fā)現(xiàn)此方法無法測量整個煙霧區(qū)域的煙霧濃度，只能測量一條直線上的煙霧濃度，不能獲得整個煙霧區(qū)域煙霧濃度。 單獨使用圖像測量煙霧獲取煙霧的灰度值，無法測量煙霧濃度，測量時受到天氣情況的影

4、響比較嚴重，如陰霾，雨雪天氣等。當光通過大氣時強度和顏色會發(fā)生變化。對煙目前煙霧檢測技術(shù)的分析對煙目前煙霧檢測技術(shù)的分析激光與圖像相結(jié)合煙霧濃度檢測檢測系統(tǒng)詳細設(shè)計3 煙霧濃度激光檢測激光通過煙霧時產(chǎn)生透射光和散射光，煙霧膠體顆粒的理論模型如圖，Mie散射理論是光散射來測量顆粒的大小中起著極其重要的作用，是激光測粒儀的關(guān)鍵技術(shù)Mie散射理論是麥克斯韋方程對處于均勻介質(zhì)中的均勻顆粒在平面單色波下嚴格的數(shù)學解。Mie表示顆粒不只是激光傳播時的障礙物，對激光有透射與散射作用，適用于各種粒徑的顆粒。此理論模型中涉及了振幅函數(shù)，它是由兩個函數(shù)(Bessel,Legendre)組成的無窮級數(shù)。此中又有多層

5、嵌套函數(shù)較為復(fù)雜。朗伯一一比爾(Lambert-Beer)定律是光吸收的基本定律，其可表述為：單色光源照射一介質(zhì)層，通過一定厚度的介質(zhì)層后因介質(zhì)的吸收作用，光強將會衰減。介質(zhì)層的厚度越大，吸收介質(zhì)濃度越大，光強的衰減程度越明顯。其適用于任何的電磁輻射與吸光物質(zhì)(固體、氣體、液體、分子、原子、離子等)。Lambert-Beer定律的數(shù)學表達式為：煙霧濃度與透過率散射率的關(guān)系 其中A為吸光度，T為透過率。用朗伯一一比爾定律描述煙霧顆粒對波長為 的光波的光強衰減： 散射顆粒與觀察點的距離r，入射光振動面與散射面夾角為 時散射光強上式中 為入射光強； 為出射光強； 為消光系數(shù)；L為傳輸距離。用透過率T

6、表示上式如下： lgTAK b c 100ex p()LIId l100exp( )LITdlI 0I1I( ) 2221202 2sincos4 rIiiI由式（3.4）通過Lambert-Beer定律將透過率T與煙霧的質(zhì)量濃度 聯(lián)系起來 上式中的L為測量光程， 是某燃料在某特定燃燒條件下對某個波長光的消光系數(shù)。 的值是通過透過率推導(dǎo)質(zhì)量濃度 的關(guān)鍵。所以由上式可知煙霧透過率和煙霧濃度的關(guān)系：透過率越大煙霧濃度越小。SM10/expsST I IMLSSSM0(t)ISI012II I I 式中 為光強損失量，在理想狀態(tài)下可為0。透射率T與煙霧濃度C的關(guān)系式和式煙霧濃度C(t1)越大散射光強

7、越大散射率越大，透射率越小。2I運用粒子計數(shù)器煙霧濃度檢測 粒子計數(shù)器由顯微鏡發(fā)展而來，經(jīng)歷了顯微鏡、沉降管、沉降儀、離心沉降儀、顆粒計數(shù)器、激光空氣粒子計數(shù)器、PCS納米激光空氣粒子計數(shù)器的過程，其中因激光空氣粒子計數(shù)器測試速度快、動態(tài)分布寬、不受人為影響等各方面的優(yōu)勢，而成為很多行業(yè)的主流產(chǎn)品。 空氣中的微粒在光的照射下會發(fā)生散射，這種現(xiàn)象叫光散射。光散射和微粒大小、光波波長、微粒折射率及微粒對光的吸收特性等因素有關(guān)。但是就散射光強度和微粒大小而言，有一個基本規(guī)律，就是微粒散射光的強度隨微粒的表面積增加而增大。這樣只要測定散射光的強度就可推知微粒的大小，就是光散射式粒子計數(shù)器的基本原理。實

8、際上，每個粒子產(chǎn)生的散射光強度很弱，是一個很小的光脈沖，需要通過光電轉(zhuǎn)換器的放大作用，把光脈沖轉(zhuǎn)化為信號幅度較大的電脈沖，然后再經(jīng)過電子線路的進一步放大和甄別，從而完成對大量電脈沖的計數(shù)工作。此時，電脈沖數(shù)量對應(yīng)于微粒的個數(shù)，電脈沖的幅度對應(yīng)于微粒的大小。塵埃粒子計數(shù)器圖3.5的具體工作原理：來自光源的光線被透鏡組聚焦于測量腔內(nèi)，當空氣中的每一個粒子快速地通過測量腔時，便把入射光散射一次，形成一個光脈沖信號。這一光信號經(jīng)過透鏡組2被送到光檢測器，正比地轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，再經(jīng)過儀器電子線路的放大、甄別，揀出需要的信號，通過計數(shù)系統(tǒng)顯示出來。塵埃粒子計數(shù)器學傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。1：半導(dǎo)體激光器組件；

9、2：柱面聚焦鏡；3：球面反射鏡；4：光陷阱；5：光敏感區(qū)；6：視場光闌；7：PIN型光電二極管；8：前置放大器；9：氣溶膠入口；10： 氣溶膠出口11：PIN型光電二極管2。方案實驗條件 無風室內(nèi)環(huán)境避免雜光的干擾，采用單一光源，照射到有聚乙烯制成的白板上反射率可達95%創(chuàng)造特定的光環(huán)境，保證煙霧自由擴散。激光器選擇 當我們分析光在空氣中的傳播特性時背景輻射是研究選擇激光器波長的重要因素，還有像實用性性價比啊等因素都應(yīng)綜合起來考慮選擇。測量系統(tǒng)中采用的半導(dǎo)體激光器的波長為780nm。接收選擇PIN型光電二極管因為我們選用的PIN型光電二極管光譜響應(yīng)的峰值在近紅外區(qū)，而光電倍增管的光譜響應(yīng)的峰值

10、在400nm左右。粒子計數(shù)器信號幅度與頻率分析 激光接收器輸出為電流信號，經(jīng)過電阻變化為電壓信號，根據(jù)實際情況選擇放大器放大信號。檢測系統(tǒng)是在塵埃粒子計數(shù)器的基礎(chǔ)上加入透射光強接收器，進行煙霧粒子與煙霧透射率同時檢測。主要包括光源，兩個光電探測器，輸出信號可以用示波器觀察后續(xù)電路設(shè)計可通過放大器模塊，濾波器模塊，以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)與控制器模塊(MCU)等四個部分。散射脈沖：通過示波器可以觀測光學傳感器輸出的脈沖信號，因此我們利用高速采樣示波器記錄粒子散射光脈沖的形狀，對光學傳感器的性能進行直觀地分析。脈沖寬度與光敏感區(qū)的寬度，粒子經(jīng)過光敏感區(qū)的速度相關(guān)，并直接決定儀器的測量濃度上限。如圖

11、3.7所示0.54um粒子的脈沖形狀脈沖高度為125mV，半峰全寬為10us。由此說明散射脈沖的帶寬為100kHz，在采樣速度一定的情況下，我們可以算出最大可測濃度極限。多粒散射脈沖信號如圖激光塵埃粒子計數(shù)器光敏區(qū)參見圖，是計數(shù)器聚光腔內(nèi)氣流（沿y軸正方向）與照明光束（沿z軸正方向）垂直相交區(qū)域。粒子隨氣流流經(jīng)光敏區(qū)產(chǎn)生對應(yīng)的光脈沖，示波器根據(jù)脈沖幅度大小判斷粒徑大小。一般半導(dǎo)體激光器光斑呈長條形，可以近似看作橢圓形設(shè)入射激光光束為準直光束則光敏區(qū)的光強空間分布為 可以用下面公式表示220(x,y)exp ()xyIIab式中 是入射激光光束截面中心的光強值，a，b為描述激光光強分布的參量。由

12、于光電傳感器信號輸出電路采用的是積分形式，設(shè)對于半徑為d折射率為n的粒子沿不同的流線（x，z）進入光敏區(qū)，電路輸出對應(yīng)信號電壓 ：0I(x)( x)(x,y)(n,d)(x,y)dyyyVHIvH為傳感器的光電轉(zhuǎn)換特性參量； 光學系統(tǒng)對粒子的收集效率一般情況下為常數(shù)； 代表粒子散射光的收集立體角內(nèi)總的有效散射截面，n為粒子等效折射率。根據(jù)流體力學取光敏區(qū)內(nèi)采樣氣流流速分布公式為220(r)(rr )4gJuv式中， 是物性參量；J是比降；g是重力加速度； 采樣氣流等效層流半徑，在實際測試中，粒徑的 ，粒子穿越光敏區(qū)的軌跡線近似與照明光束垂直，C粒子密度所以單位時間內(nèi)在通過采樣氣流截面元 的顆粒

13、數(shù)為v0drs x z (x,z)(r)NCSCx z (n,d)0r22rxy2220( ,z)(r)4CgJN xxzx zv 粒子計數(shù)器信號頻率與顆粒濃度的關(guān)系粒子計數(shù)器信號頻率與顆粒濃度的關(guān)系通過調(diào)節(jié)脈沖信號幅度，在測量脈沖數(shù)的同時測量電壓，得到粒徑檔d與對應(yīng)信號幅度即電壓 之間的關(guān)系，做出各粒徑檔d對應(yīng)于電壓 的曲線。如圖(x,y)V(x,y)V粒子計數(shù)器信號頻率與顆粒濃度的關(guān)系式110fC Q式中：C最大飽和粒子濃度（粒子個數(shù)/m）；Q采樣空氣流量（m/s）；f信號發(fā)生器頻率（Hz）；4 煙霧濃度圖像檢測MATLAB圖像處理界面煙霧的圖像檢測我們主要是得到煙霧濃度和透過率的關(guān)系方法

14、是運用780nm激光穿過煙霧運用PIN型光電二極管，運用高速照相機拍攝帶有光斑的圖片進行圖形處理獲得光斑煙霧濃度和透過率的關(guān)系由于激光穿透煙霧圖片邊緣模糊所以采用閥值分割未能實現(xiàn)，運用二維OTSU方法分割也未能實現(xiàn)所以先采用photoshop進行去背景處理。去背景得到光斑圖光斑圖灰度變換光斑的平均灰度在matlab了里計算光斑直方圖的平均灰度，得到煙霧光斑平均值average1=127平均灰度與透過率由于我們運用的激光器和PIN型光電二極管都是和激光測量中運用的是同一種，其透射率為10( t )ITI所以我們可以計算不同濃度下的煙霧光斑平均灰度值和透過率T的關(guān)系( )2Ttaverage x（0 x255）我們可以將煙霧灰度直方圖變?yōu)橄聢D激光與圖像相結(jié)合煙霧總量計算煙霧總量計算方法我們得到顆粒濃度和透過率的關(guān)系，透過率與灰度值得關(guān)系可以得到煙霧濃度和灰度值之間的關(guān)系：1 1 2( )C tT tT taverage x通過分析我們可以得到煙霧濃度越高，灰度值越小，透過率越小。由于T(t1)、和T(t2)為兩種不同測量方法的透射率將透射率所以我們可以的到 ( )1 C taverage x其函數(shù)關(guān)系表示為其中x：灰度級；C：煙霧濃度(x)fC計算完成256個灰度級所對應(yīng)的煙霧的不同濃度，假設(shè)每個像素點代表一個