烟雾总量分析计算

烟雾总量分析计算SmokeAnalysisToCalculateTheTotal凯凯光学激光与图像相结合烟雾浓度检测检测方法总体设计2炮口烟雾总量计算6激光检测3图像检测4激光与图像相结合5烟雾1烟雾烟雾（smokefog）原意是空气中的烟煤与自然雾相结合的混合体。而在胶体化学中，烟雾实际上是一种胶体，是由介质及分散在介质内的微粒构成，这些构成成分又称为分散相。气溶胶是以空气为介质的自然胶体体系，其分散相为分散在空气中的固、液态微粒。通常将烟、雾分别看作是分散相固态和液态的气溶胶，而烟雾则是分散相为固液态微粒混合产生的一种复合式气溶胶。无论是可见光、红外光还是微波，穿透烟雾时都会被烟雾遮蔽，对其传输产生干扰，则烟雾常常用颗粒尺寸分布、透过率、消光系数、烟幕浓度、粒度总遮蔽力、烟雾消散时间等来表征。烟雾粒径通常在0.lum到几十um。烟雾产生后烟雾粒子之间会发生碰撞和凝聚，经过一定时间，烟雾发生扩散、沉降等使得烟雾粒子浓度下降。烟雾从产生到扩散是一动态过程，烟雾的形成方法主要有以下三种:分散法、凝集法、综合法。本文就燃烧产生的烟雾进行研究，为发射药向常温下完全燃烧产生气体的方向提供依据。目录烟雾是一种气溶胶，光通过烟雾后能量会发生衰减，发生散射和透射现象，透射光的强度和散射光的强度都受烟雾胶体颗粒大小浓度影响所以我们可以采用光学检测的方法测量烟雾颗粒的浓度。炮口烟雾特性炮口烟雾，在炮弹发射后炮口烟雾产生速度快，范围大，扩散快。烟雾总量主要分析计算烟雾浓度，烟雾浓度分为质量浓度和烟雾颗粒浓度，烟雾质量浓度是计算单位体积内烟雾颗粒的质量，而烟雾颗粒浓度是计算单位体积内烟雾颗粒的个数。烟雾的检测方法烟雾检测发展可以看出，烟雾浓度的检测最主要的有两种方法：一种是基于光电检测方法，一种是基于图像检测方法。烟雾浓度检测方法光电检测方法图像检测方法利用光透过量表征利用光偏振特性利用光散射、反射量表征基于烟雾本身特征检测利用多谱图像的烟雾检测单独使用激光测量烟雾浓度我们会发现此方法无法测量整个烟雾区域的烟雾浓度，只能测量一条直线上的烟雾浓度，不能获得整个烟雾区域烟雾浓度。单独使用图像测量烟雾获取烟雾的灰度值，无法测量烟雾浓度，测量时受到天气情况的影响比较严重，如阴霾，雨雪天气等。当光通过大气时强度和颜色会发生变化。对烟目前烟雾检测技术的分析激光与图像相结合烟雾浓度检测激光发射器高速摄像机尘埃粒子计数器图像采集器数据采集器计算机图像处理图像灰度和烟雾浓度的关系透过率和烟雾浓度关系灰度值和透过率关系在标准烟箱内燃烧黑火药产生烟雾检测系统详细设计3烟雾浓度激光检测激光通过烟雾时产生透射光和散射光，烟雾胶体颗粒的理论模型如图，Mie散射理论是光散射来测量颗粒的大小中起着极其重要的作用，是激光测粒仪的关键技术Mie散射理论是麦克斯韦方程对处于均匀介质中的均匀颗粒在平面单色波下严格的数学解。Mie表示颗粒不只是激光传播时的障碍物，对激光有透射与散射作用，适用于各种粒径的颗粒。此理论模型中涉及了振幅函数，它是由两个函数(Bessel,Legendre)组成的无穷级数。此中又有多层嵌套函数较为复杂。朗伯一一比尔(Lambert-Beer)定律是光吸收的基本定律，其可表述为：单色光源照射一介质层，通过一定厚度的介质层后因介质的吸收作用，光强将会衰减。介质层的厚度越大，吸收介质浓度越大，光强的衰减程度越明显。其适用于任何的电磁辐射与吸光物质(固体、气体、液体、分子、原子、离子等)。Lambert-Beer定律的数学表达式为：烟雾浓度与透过率散射率的关系其中A为吸光度，T为透过率。用朗伯一一比尔定律描述烟雾颗粒对波长为的光波的光强衰减：散射颗粒与观察点的距离r，入射光振动面与散射面夹角为时散射光强上式中为入射光强；为出射光强；为消光系数；L为传输距离。用透过率T表示上式如下：lgTAKbc100exp()LIIdl100exp()LITdlI0I1I()22212022sincos4rIiiI由式（3.4）通过Lambert-Beer定律将透过率T与烟雾的质量浓度联系起来上式中的L为测量光程，是某燃料在某特定燃烧条件下对某个波长光的消光系数。的值是通过透过率推导质量浓度的关键。所以由上式可知烟雾透过率和烟雾浓度的关系：透过率越大烟雾浓度越小。SM10/expsSTIIMLSSSM0(t)ISI012IIII式中为光强损失量，在理想状态下可为0。透射率T与烟雾浓度C的关系式和式烟雾浓度C(t1)越大散射光强越大散射率越大，透射率越小。2I运用粒子计数器烟雾浓度检测粒子计数器由显微镜发展而来，经历了显微镜、沉降管、沉降仪、离心沉降仪、颗粒计数器、激光空气粒子计数器、PCS纳米激光空气粒子计数器的过程，其中因激光空气粒子计数器测试速度快、动态分布宽、不受人为影响等各方面的优势，而成为很多行业的主流产品。空气中的微粒在光的照射下会发生散射，这种现象叫光散射。光散射和微粒大小、光波波长、微粒折射率及微粒对光的吸收特性等因素有关。但是就散射光强度和微粒大小而言，有一个基本规律，就是微粒散射光的强度随微粒的表面积增加而增大。这样只要测定散射光的强度就可推知微粒的大小，就是光散射式粒子计数器的基本原理。实际上，每个粒子产生的散射光强度很弱，是一个很小的光脉冲，需要通过光电转换器的放大作用，把光脉冲转化为信号幅度较大的电脉冲，然后再经过电子线路的进一步放大和甄别，从而完成对大量电脉冲的计数工作。此时，电脉冲数量对应于微粒的个数，电脉冲的幅度对应于微粒的大小。尘埃粒子计数器图3.5的具体工作原理：来自光源的光线被透镜组聚焦于测量腔内，当空气中的每一个粒子快速地通过测量腔时，便把入射光散射一次，形成一个光脉冲信号。这一光信号经过透镜组2被送到光检测器，正比地转换成电脉冲信号，再经过仪器电子线路的放大、甄别，拣出需要的信号，通过计数系统显示出来。尘埃粒子计数器学传感器结构示意图。1：半导体激光器组件；2：柱面聚焦镜；3：球面反射镜；4：光陷阱；5：光敏感区；6：视场光阑；7：PIN型光电二极管；8：前置放大器；9：气溶胶入口；10：气溶胶出口11：PIN型光电二极管2。方案实验条件无风室内环境避免杂光的干扰，采用单一光源，照射到有聚乙烯制成的白板上反射率可达95%创造特定的光环境，保证烟雾自由扩散。激光器选择当我们分析光在空气中的传播特性时背景辐射是研究选择激光器波长的重要因素，还有像实用性性价比啊等因素都应综合起来考虑选择。测量系统中采用的半导体激光器的波长为780nm。接收选择PIN型光电二极管因为我们选用的PIN型光电二极管光谱响应的峰值在近红外区，而光电倍增管的光谱响应的峰值在400nm左右。粒子计数器信号幅度与频率分析激光接收器输出为电流信号，经过电阻变化为电压信号，根据实际情况选择放大器放大信号。检测系统是在尘埃粒子计数器的基础上加入透射光强接收器，进行烟雾粒子与烟雾透射率同时检测。主要包括光源，两个光电探测器，输出信号可以用示波器观察后续电路设计可通过放大器模块，滤波器模块，以及模数转换器(ADC)与控制器模块(MCU)等四个部分。散射脉冲：通过示波器可以观测光学传感器输出的脉冲信号，因此我们利用高速采样示波器记录粒子散射光脉冲的形状，对光学传感器的性能进行直观地分析。脉冲宽度与光敏感区的宽度，粒子经过光敏感区的速度相关，并直接决定仪器的测量浓度上限。如图3.7所示0.54um粒子的脉冲形状脉冲高度为125mV，半峰全宽为10us。由此说明散射脉冲的带宽为100kHz，在采样速度一定的情况下，我们可以算出最大可测浓度极限。多粒散射脉冲信号如图激光尘埃粒子计数器光敏区参见图，是计数器聚光腔内气流（沿y轴正方向）与照明光束（沿z轴正方向）垂直相交区域。粒子随气流流经光敏区产生对应的光脉冲，示波器根据脉冲幅度大小判断粒径大小。一般半导体激光器光斑呈长条形，可以近似看作椭圆形设入射激光光束为准直光束则光敏区的光强空间分布为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强值，a，b为描述激光光强分布的参量。由于光电传感器信号输出电路采用的是积分形式，设对于半径为d折射率为n的粒子沿不同的流线（x，z）进入光敏区，电路输出对应信号电压：0I(x)(x)(x,y)(n,d)(x,y)dyyyVHIvH为传感器的光电转换特性参量；光学系统对粒子的收集效率一般情况下为常数；代表粒子散射光的收集立体角内总的有效散射截面，n为粒子等效折射率。根据流体力学取光敏区内采样气流流速分布公式为220(r)(rr)4gJuv式中，是物性参量；J是比降；g是重力加速度；采样气流等效层流半径，在实际测试中，粒径的，粒子穿越光敏区的轨迹线近似与照明光束垂直，C粒子密度所以单位时间内在通过采样气流截面元的颗粒数为v0drsxz(x,z)(r)NCSCxz(n,d)0r22rxy2220(,z)(r)4CgJNxxzxzv粒子计数器信号频率与颗粒浓度的关系通过调节脉冲信号幅度，在测量脉冲数的同时测量电压，得到粒径档d与对应信号幅度即电压之间的关系，做出各粒径档d对应于电压的曲线。如图(x,y)V(x,y)V粒子计数器信号频率与颗粒浓度的关系式110fCQ式中：C最大饱和粒子浓度（粒子个数/m³）；Q采样空气流量（m³/s）；f信号发生器频率（Hz）；4烟雾浓度图像检测MATLAB图像处理界面烟雾的图像检测我们主要是得到烟雾浓度和透过率的关系方法是运用780nm激光穿过烟雾运用PIN型光电二极管，运用高速照相机拍摄带有光斑的图片进行图形处理获得光斑烟雾浓度和透过率的关系由于激光穿透烟雾图片边缘模糊所以采用阀值分割未能实现，运用二维OTSU方法分割也未能实现所以先采用photoshop进行去背景处理。去背景得到光斑图光斑图灰度变换光斑的平均灰度在matlab了里计算光斑直方图的平均灰度，得到烟雾光斑平均值average1=127平均灰度与透过率由于我们运用的激光器和PIN型光电二极管都是和激光测量中运用的是同一种，其透射率为10(t)ITI所以我们可以计算不同浓度下的烟雾光斑平均灰度值和透过率T的关系()2~Ttaveragex（0≤x≤255）我们可以将烟雾灰度直方图变为下图激光与图像相结合烟雾总量计算烟雾总量计算方法我们得到颗粒浓度和透过率的关系，透过率与灰度值得关系可以得到烟雾浓度和灰度值之间的关系：1~1~2()~CtTtTtaveragex通过分析我们可以得到烟雾浓度越高，灰度值越小，透过率越小。由于T(t1)、和T(t2)为两种不同测量方法的透射率将透射率所以我们可以的到()1~Ctaveragex其函数关系表示为其中x：灰度级；C：烟雾浓度(x)fC计算完成256个灰度级所对应的烟雾的不同浓度，假设每个像素点代表一个单位面积可得到烟雾总量图即得到图对于一张烟雾图片可将烟雾总量A表示为25500112552550iiiAnCnCnCnC式中表示第i个灰度级所对应的烟雾浓度，表示i个灰度级所对应的像素点个数iCin炮口烟雾总量计算原图去背景烟雾图绘制上图灰度直方图由matlab获得每个灰度值(x)对应像素点的个数（n）序号灰度级（x）像素点个数(n)08711885289639034918592176931179416895229962410973511983412994713100561410152151025816103661710494181051181910613420107147211082172210928723110362部分灰度级对应像素点个数由灰度级（x）和浓度（C）的关系式可知浓度与灰度级关系。由式烟雾总量公式可求出烟雾总量。感谢观赏Tankyouforwatch