測量煙顆粒的粒徑的方法及裝置的製作方法

2023-12-10 00:41:26

專利名稱：測量煙顆粒的粒徑的方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及電子應用技術領域，尤其涉及一種測量煙顆粒的粒徑的方法及裝置。
技術背景
火災探測是防止火災發生的重要手段，火災發生時一般都釋放大量煙顆粒，因此， 通過對煙霧的感知與識別可以實現早期火災探測。粒徑是火災煙顆粒的重要物理參數，深入研究火災煙顆粒的粒徑特性，對發展光電感煙火災探測技術，降低光電感煙探測器誤報率具有重要的理論意義和實用價值。
現有技術中的一種測量煙顆粒的粒徑的方法為，基於光學Mie散射理論的角散射法。在顆粒對入射光散射過程中，散射光的角分布隨顆粒粒徑分布變化而改變。該方法通過檢測煙顆粒的散射光信號的分布並進行反演，獲取散射光信號中包含的煙顆粒的粒徑分布信息。
上述現有技術中的測量煙顆粒的粒徑的方法的缺點為該方法僅利用散射光信號的散射光強或是偏振度的角分布測量數據進行反演，並未完全利用散射光信號的全部性質，對於複雜結構的煙顆粒群不能得出符合實際情況的粒徑分布結果。發明內容
本發明的實施例提供了一種測量煙顆粒的粒徑的方法和裝置，以實現有效地測量火災等煙顆粒的粒徑分布。
一種測量煙顆粒的粒徑的方法，包括
根據煙顆粒的散射光的直流分量和諧波分量建立煙顆粒的散射光的散射矩陣；
根據所述散射矩陣建立煙顆粒的粒徑參數的目標函數，利用所述散射矩陣和目標函數通過反演算法，獲取所述目標函數的最優值，根據所述最優值得到所述煙顆粒的粒徑分布。
一種測量煙顆粒的粒徑的裝置，包括
散射矩陣建立模塊，用於根據煙顆粒的散射光的直流分量和諧波分量建立煙顆粒的散射光的散射矩陣；
目標函數建立模塊，用於根據所述散射矩陣建立模塊所建立的散射矩陣建立煙顆粒的粒徑參數的目標函數；
煙顆粒粒徑分布計算模塊，用於利用所述散射矩陣建立模塊所建立的散射矩陣和所述目標函數建立模塊所建立的目標函數通過反演算法，獲取所述目標函數的最優值，根據所述最優值得到所述煙顆粒的粒徑分布。
由上述本發明的實施例提供的技術方案可以看出，本發明實施例從完全反映顆粒的光散射特性的Mueller矩陣出發，結合全局搜索能力很強的模擬退火算法，實現了對火災等煙顆粒的光散射球形模型下的粒徑反演，從而可以有效地測量火災等煙顆粒的粒徑分布。


為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發明實施例一提供的一種測量煙顆粒的粒徑的方法的原理示意圖2為本發明實施例一提供的一種測量煙顆粒的粒徑的方法的具體處理流程圖3為本發明實施例一提供的一種煙顆粒的粒徑的參數σ與參數 之間的關係曲線圖4為本發明實施例二提供了一種測量煙顆粒的粒徑的裝置的具體實現結構圖。
具體實施方式
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
為便於對本發明實施例的理解，下面將結合附圖以幾個具體實施例為例做進一步的解釋說明，且各個實施例並不構成對本發明實施例的限定。
實施例一
該實施例提供的一種測量煙顆粒的粒徑的方法的原理示意圖如圖1所示，煙霧從產生裝置中用管道從噴嘴噴出，經過調製的入射光被煙顆粒散射，光電倍增管隨著旋轉臂的旋轉，在不同角度上接收散射光。散射光信號經過鎖相放大器和濾波器，採集存入計算機。在計算機中進行煙顆粒的粒徑分別的計算處理，具體處理流程如圖2所示，包括如下的處理步驟
步驟21、根據煙顆粒的散射光的直流分量和諧波分量建立煙顆粒的散射光的 Mueller (米勒)散射矩陣。
光源產生的雷射先經過起偏器和電光調製器進行調製，再將雷射發射到煙顆粒所在的區域，上述雷射將被煙顆粒散射產生散射光。上述散射光經過一個四分之一波片和驗偏器後被探測器接收，探測器測量接收到的上述散射光的光強信號。
上述探測器測得的光強信號分為兩路，一路經過低通濾波後輸出直流分量，另一路輸入到可以同時檢測兩階諧波的鎖相放大器，由鎖相放大器輸出光強信號的一階與二階諧波分量。根據上述直流分量和諧波分量的線性方程組建立煙顆粒的散射光的散射矩陣， 該散射矩陣可以為Mueller散射矩陣。
如圖1所示，可以在一個固定散射角位置放置一探測器，作為監視器，用來監視測量過程中樣本散射的變化，對探測器測量的結果進行修正。計算機通過步進電機控制導軌轉動，從而可以控制散射測量角，探測器在導軌上可以移動，使探測器接近或遠離位於中心的測量樣本。
對上述獲取的直流分量和一階二階諧波分量進行低通濾波放大，然後進行數據公式採樣。由直流分量與一階二階諧波分量的線性方程組可以得到Mueller矩陣元素，將除 F11(Q)以外的矩陣元素分別除以Fn( θ )，並且F11(Q)其他角度的值除以Fn( θ)在0度角的值，即是F11(Q) =Fn(0 『 )/Fn(0° )，對Mueller矩陣進行歸一化，獲得歸一化的 Mueller散射矩陣，該歸一化的Mueller散射矩陣的形式為
權利要求
1.一種測量煙顆粒的粒徑的方法，其特徵在於，包括根據煙顆粒的散射光的直流分量和諧波分量建立煙顆粒的散射光的散射矩陣；根據所述散射矩陣建立煙顆粒的粒徑參數的目標函數，利用所述散射矩陣和目標函數通過反演算法，獲取所述目標函數的最優值，根據所述最優值得到所述煙顆粒的粒徑分布。
2.根據權利要求1所述的測量煙顆粒的粒徑的方法，其特徵在於，所述的根據煙顆粒的散射光的直流分量和諧波分量建立煙顆粒的散射光的散射矩陣，包括獲取雷射通過煙顆粒所在的區域產生的散射光，對所述散射光進行低通濾波得到直流分量，通過鎖相放大器檢測得到所述散射光的一階和二階諧波分量；根據所述直流分量、一階和二階諧波分量的組成的線性方程組建立煙顆粒的散射光的米勒Mueller散射矩陣F ；
3.根據權利要求2所述的測量煙顆粒的粒徑的方法，其特徵在於，所述的根據所述散射矩陣建立煙顆粒的粒徑參數的目標函數包括設待求解的煙顆粒的粒徑分布函數為/,(O= ( σ, D 所述σ是煙顆粒的粒徑的分布參數，所述 是所述煙顆粒的粒徑的尺寸參數；ΘΜ煙顆粒的粒徑參數的目標函數5= Σ (Eij(O)-Ε^θ))2 IM
4.根據權利要求3所述的測量煙顆粒的粒徑的方法，其特徵在於，所述的根據所述散射矩陣和目標函數通過反演算法，獲取所述目標函數的最優值，根據所述最優值得到所述煙顆粒的粒徑分布，包括根據所述參數σ、石的取值區間隨機選取所述f ig(r)的初始值Χ0=( σ0, D0 )，將所述 forig(r)的取值次數設置為1，根據所述L計算出￡^) = ( ， 。)^(Do,^),並計算出所述)(。 對應的所述目標函數的初始值f (Xtl),將所述f (Xtl)作為所述f ig(r)的第一次的最優值；根據所述參數。、石的取值區間隨機選取所述f ig(r)的取值X1= ( σ0, D0 )，將所述 forig(r)的取值次數加1，根據所述&計算出所述目標函數的取值f(X》；根據所述f (X1)和所述目標函數的上一次的最優值之間的大小關係確定所述目標函數的當前最優值，當所述f ig(r)的取值次數達到了設定的迭代次數，並且所述目標函數的當前最優值小於設定的門限值，則確定所述標函數的當前最優值為所述目標函數的最終值；獲取所述目標函數的最終值對應的所述f ig(r)的取值，根據該f ig(r)的取值獲取煙顆粒的粒徑分布。
5.根據權利要求4所述的測量煙顆粒的粒徑的方法，其特徵在於，所述的根據所述 f(X)和所述目標函數的上一次的最優值之間的大小關係確定所述目標函數的當前最優值，當所述f ig(r)的取值次數達到了設定的迭代次數，並且所述目標函數的當前最優值小於設定的門限值，則確定所述目標函數的當前最優值為所述目標函數的最終值，包括計算目標函數值的增量Δ ·，Af = MX1Pf(Xtl),所述fog為所述目標函數的上一次的最優值，若Af 0，判斷ρ = exp(-Af/T0)是否大於0到1之間的一個隨機數，所述Ttl為設定的整數，如果是，則MX1) 為所述目標函數的當前最優解；否則，所述目標函數的當前最優解仍然為f (Xtl)；判斷所述f ig(r)的取值次數是否達到了設定的迭代次數，如果不是，繼續根據所述參數σ、己的取值區間隨機選取所述f。Hg(r)的取值X1= ( σ0, D0 ),開根據所述&計算出所述目標函數的取值f (X1),執行所述目標函數的當前最優解的判斷過程；否則，當所述目標函數的當前最優值小於設定的門限值時，則確定所述目標函數的當前最優值為所述目標函數的最終值；當所述目標函數的當前最優值不小於設定的門限值時，將所述f ig(r)的取值次數重新設置為1，繼續根據所述參數ο、 的取值區間隨機選取所述f ig(r)的取值 Xi= ( σ0 , D0 ),並根據所述&計算出所述目標函數的取值f(Xi)，執行所述目標函數的當前最優解的判斷過程。
6.一種測量煙顆粒的粒徑的裝置，其特徵在於，包括。散射矩陣建立模塊，用於根據煙顆粒的散射光的直流分量和諧波分量建立煙顆粒的散射光的散射矩陣；目標函數建立模塊，用於根據所述散射矩陣建立模塊所建立的散射矩陣建立煙顆粒的粒徑參數的目標函數；煙顆粒粒徑分布計算模塊，用於利用所述散射矩陣建立模塊所建立的散射矩陣和所述目標函數建立模塊所建立的目標函數通過反演算法，獲取所述目標函數的最優值，根據所述最優值得到所述煙顆粒的粒徑分布。
7.根據權利要求6所述的測量煙顆粒的粒徑的裝置，其特徵在於所述的散射矩陣建立模塊，還用於獲取雷射通過煙顆粒所在的區域產生的散射光，對所述散射光進行低通濾波得到直流分量，通過鎖相放大器檢測得到所述散射光的一階和二階諧波分量；根據所述直流分量、一階和二階諧波分量的組成的線性方程組建立煙顆粒的散射光的米勒Mueller散射矩陣F ；
8.根據權利要求7所述的測量煙顆粒的粒徑的裝置，其特徵在於所述的目標函數建立模塊，還用於設待求解的煙顆粒的粒徑分布函數為 fonA^= (σ, D 所述σ是煙顆粒的粒徑的分布參數，所述己是所述煙顆粒的粒徑的尺寸參數；煙顆粒的粒徑參數的目標函數
9.根據權利要求8所述的測量煙顆粒的粒徑的裝置，其特徵在於所述的煙顆粒粒徑分布計算模塊，還用於根據所述參數ο、5的取值區間隨機選取所述f ig(r)的初始值Χ0=( σ0, D0 ),將所述f ig(r)的取值次數設置為1，根據所述\計算出；汐)= (σ0, ο) ^(D0,φ，並計算出所述\對應的所述目標函數的初始值MXci)，將所述 f(X0)作為所述f ig(r)的第一次的最優值；根據所述參數。、石的取值區間隨機選取所述f ig(r)的取值X1= ( σ0, D0 )，將所述 forig(r)的取值次數加1，根據所述&計算出所述目標函數的取值f(X》；根據所述f (X1)和所述目標函數的上一次的最優值之間的大小關係確定所述目標函數的當前最優值，當所述f ig(r)的取值次數達到了設定的迭代次數，並且所述目標函數的當前最優值小於設定的門限值，則確定所述目標函數的當前最優值為所述目標函數的最終值；獲取所述目標函數的最終值對應的所述f ig(r)的取值，根據該f ig(r)的取值獲取煙顆粒的粒徑分布。
10.根據權利要求9所述的測量煙顆粒的粒徑的裝置，其特徵在於 所述的煙顆粒粒徑分布計算模塊，還用於計算目標函數值的增量Δι，Af = f (X1Pf (X。)，所述f (X0)為所述目標函數的上一次的最優值，若AfSO^lJf(X1)為所述目標函數的當前最優解；若八€>0，判斷？ = ^ (-八€/%)是否大於0到1之間的一個隨機數，所述Ttl為設定的整數，如果是，則f (X1)為所述目標函數的當前最優解；否則，所述目標函數的當前最優解仍然為f (Xtl)；判斷所述f ig(r)的取值次數是否達到了設定的迭代次數，如果不是，繼續根據所述參數σ、萬的取值區間隨機選取所述f。Hg(r)的取值X1= ( σ0, D0 ),開根據所述&計算出所述目標函數的取值f (X1),執行所述目標函數的當前最優解的判斷過程；否則，當所述目標函數的當前最優值小於設定的門限值時，則確定所述目標函數的當前最優值為所述目標函數的最終值；當所述目標函數的當前最優值不小於設定的門限值時，將所述f ig(r)的取值次數重新設置為1，繼續根據所述參數ο、 的取值區間隨機選取所述f ig(r)的取值 Xi= ( σ0 , D0 ),並根據所述&計算出所述目標函數的取值f(Xi)，執行所述目標函數的當前最優解的判斷過程。
全文摘要
本發明實施例提供了一種測量煙顆粒的粒徑的方法和裝置。該方法主要包括根據煙顆粒的散射光的直流分量和諧波分量建立煙顆粒的散射光的散射矩陣；根據所述散射矩陣建立煙顆粒的粒徑參數的目標函數，利用所述散射矩陣和目標函數通過反演算法，獲取所述目標函數的最優值，根據所述最優值得到所述煙顆粒的粒徑分布。本發明實施例從完全反映顆粒的光散射特性的Mueller矩陣出發，結合全局搜索能力很強的模擬退火算法，實現了對火災等煙顆粒的光散射球形模型下的粒徑反演，從而可以有效地測量火災等煙顆粒的粒徑分布。
文檔編號G01N15/02GK102507399SQ20111033027
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月26日 優先權日2011年10月26日
發明者張永明, 方俊, 李耀東, 王進軍 申請人:中國科學技術大學