(一)
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)境監(jiān)測(cè)
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及一種基于ccd/cmos芯片成像的多功能顆粒物采樣器，具體說(shuō)，涉及基于撞擊原理的顆粒物濃度測(cè)量和基于顆粒物沉降的沉降通量測(cè)量。(二)
背景技術(shù)：
：當(dāng)代流行病學(xué)研究表明，空氣污染物中顆粒物的暴露與多種呼吸道及心血管疾病有著很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，包括肺功能衰退、哮喘、心肌梗塞。同時(shí)，空氣中的顆粒污染物會(huì)吸附空氣中能損害神經(jīng)系統(tǒng)和致癌的有害物質(zhì)，在空氣中傳播。撞擊式采樣器是顆粒物采樣的常用儀器，根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理設(shè)計(jì)，采樣氣流經(jīng)過(guò)撞擊盤時(shí)，其中較大的顆粒由于慣性作用，直接撞擊并停留在撞擊盤的表面，而較小的顆粒則隨空氣流穿過(guò)，到達(dá)下一級(jí)撞擊盤。不同空氣動(dòng)力學(xué)粒徑的氣溶膠粒子根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理被分離并采集到各級(jí)采樣膜上，傳統(tǒng)的方法需要將膜片取出，用精密天平和顯微鏡進(jìn)行重量和顆粒物粒徑大小的分析。本發(fā)明將ccd/cmos芯片和撞擊盤相結(jié)合，直接在采樣的同時(shí)，通過(guò)對(duì)芯片成像的分析計(jì)算出捕獲顆粒物的粒徑分布及濃度。另外，空氣中的顆粒物沉降會(huì)對(duì)一些材料造成損壞，比如一些電子元器件，特別是在半導(dǎo)體工業(yè)中。同時(shí)，顆粒物在環(huán)境中沉降和再懸浮也對(duì)人員的暴露及健康有重要的影響。對(duì)于顆粒物沉降通量的測(cè)量，目前常用的方法有熒光法、中子活化分析(naa)以及質(zhì)子激發(fā)x熒光光譜分析法(pixe)。這幾種方法操作起來(lái)都比較復(fù)雜，比如熒光法需要首先對(duì)顆粒物進(jìn)行熒光標(biāo)記，之后再萃取并進(jìn)行熒光量的測(cè)量，而naa和pixe都對(duì)分析材料的要求很高且需要專用大型儀器。本發(fā)明將高分辨率的ccd/cmos芯片暴露于空氣中，通過(guò)分析沉降顆粒物所遮擋的像素分布來(lái)計(jì)算不同粒徑顆粒物的沉降通量，為空氣中顆粒物沉降通量的測(cè)量提供了一種簡(jiǎn)單、快捷的方法。(三)技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：解決的技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的是提供一種多功能顆粒物采樣器；其可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于撞擊板上采集顆粒物的粒徑分布進(jìn)行直接測(cè)量，也可以實(shí)現(xiàn)空氣中顆粒物沉降通量的測(cè)量。技術(shù)方案為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：(1).一種顆粒撞擊式單級(jí)采樣器，包括撞擊板、底座、噴嘴及ccd/cmos芯片。(2).底座為上端開口的筒狀結(jié)構(gòu)，在筒狀結(jié)構(gòu)底面或側(cè)壁上設(shè)置有出氣口；噴嘴設(shè)置于底座的上方，之間可拆卸，為兩端開口的筒狀結(jié)構(gòu)，下端出口處的內(nèi)部腔體的徑向尺寸大于上端的徑向尺寸。(3).撞擊板設(shè)置于噴嘴下方，安裝于底座之上，上表面安裝ccd/cmos芯片，同時(shí)芯片上貼保護(hù)膜并涂有粘附性材料。(4).噴嘴到撞擊板的距離與噴嘴直徑之比(s/d)為1～5；噴嘴長(zhǎng)度與噴嘴直徑之比(l/d)為0～1；噴嘴的雷諾數(shù)re在500～3000范圍內(nèi)。(5).在進(jìn)行撞擊采樣時(shí)，底座的出氣口處接上抽氣泵，載帶顆粒物的空氣流經(jīng)進(jìn)氣口噴嘴射出后，由于受到碰撞板的阻擋將作曲線運(yùn)動(dòng)以繞開障礙物，當(dāng)氣流發(fā)生轉(zhuǎn)彎時(shí)，氣流中所有大小的顆粒物因其慣性作用，都有在原有方向上保持直線運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)；顆粒物直徑越大，所具有的慣性也越大，顆粒物的截止距離越長(zhǎng)，截止距離大到一定程度的顆粒物，有可能沖到撞擊板上，從而被撞擊板捕集；由于撞擊板上裝有ccd/cmos芯片，像素尺寸已知，通過(guò)統(tǒng)計(jì)被遮擋的像素尺寸和數(shù)目即可得到被撞擊板捕集的顆粒物粒徑分布，進(jìn)一步根據(jù)采樣氣體的體積，求得被捕集顆粒物的濃度c(#/m3)；而比較小的顆?？梢愿S氣流從出氣口排出，進(jìn)一步到達(dá)濾紙而被收集或進(jìn)入其他檢測(cè)儀器；撞擊采樣器的采集效率與s/d、l/d、re以及斯托克斯數(shù)stk有關(guān)，在步驟(4)的設(shè)置下，撞擊采樣器的采集效率主要由stk決定，采樣效率為50％的stk(50)在0.2～0.3之間，根據(jù)stk(50)的值及其表達(dá)式可求出此撞擊采樣器的切割直徑。(6).在進(jìn)行沉降采樣時(shí)，將噴嘴拆除，直接將安裝有ccd/cmos芯片的底座暴露于需要進(jìn)行沉降通量采樣的環(huán)境之中；同樣，通過(guò)統(tǒng)計(jì)ccd/cmos芯片上被遮擋的像素尺寸和數(shù)目得到顆粒物的粒徑分布，進(jìn)一步根據(jù)沉降時(shí)間和芯片面積可以計(jì)算出沉降通量j(#/m2·h)。有益效果本發(fā)明將ccd/cmos芯片同撞擊采樣儀結(jié)合，通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)可以直接計(jì)算出撞擊采樣儀所捕集的顆粒物粒徑分布，補(bǔ)充了一般撞擊采樣儀僅僅通過(guò)切割粒徑來(lái)分離顆粒物的單一功能；提供了一種新的顆粒物沉降通量的測(cè)量方法，操作方便簡(jiǎn)單。(四)附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1為噴嘴，2為涂有粘附性材料的保護(hù)膜，3為ccd/cmos芯片，4為撞擊板，5為底座。圖2為通過(guò)撞擊采樣的顆粒物在撞擊板cmos芯片上的成像圖像。圖3為cmos芯片上成像圖像的二值圖像。(五)具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述，以下實(shí)例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定的范圍。(1).參閱圖1所示，本發(fā)明為一種基于ccd/cmos芯片的多功能顆粒物采樣裝置，其主要結(jié)構(gòu)從上到下依次為：噴嘴、保護(hù)膜、ccd/cmos芯片、撞擊板、密封墊圈以及底座構(gòu)成。(2).噴嘴1為兩端開口的筒狀結(jié)構(gòu)，上端入口為圓柱形，下端出口處的徑向尺寸大于上端并和底座5通過(guò)螺栓連接，用密封墊圈6密封。(3).底座5同樣為兩端開口的筒狀結(jié)構(gòu)，上端開口為圓柱形，和噴嘴1連接，下端設(shè)置出氣口。(4).撞擊板4通過(guò)鏤空支架安裝于底座之上，噴嘴之下；成像芯片采用cmos芯片，安裝于撞擊板之上，并附有保護(hù)膜和粘附性材料；芯片尺寸為3673.6μm×2738.4μm，像素為2592×1944，故每個(gè)像素的尺寸為1.4μm×1.4μm；通過(guò)在光照條件下觀察顆粒物覆蓋的像素點(diǎn)，即可得到顆粒物的尺寸，最小可以分辨到粒徑為1.4μm的顆粒。(5).噴嘴到撞擊板的距離與噴嘴直徑之比(s/d)為1，噴嘴長(zhǎng)度與噴嘴直徑之比(l/d)為1；噴嘴流量q為3l/min，噴嘴直徑d為2.22mm，雷諾數(shù)re為1914。(6).載帶顆粒物的空氣通過(guò)撞擊板時(shí)，粒子是跟隨流體的流線還是與流線分離被撞擊板捕集，在本發(fā)明中主要由斯托克斯數(shù)stk決定，其中，ρp是氣溶膠顆粒物密度，dp是粒子直徑，u為噴嘴內(nèi)的氣流速度，η為空氣的動(dòng)力粘度，dj為噴嘴直徑；捕集效率為50％時(shí)，對(duì)應(yīng)的顆粒物粒徑稱為等效切割直徑d(50)，可以認(rèn)為大于d(50)的粒子全部被撞擊板捕集，而小于d(50)的粒子跟隨流體的流線從出氣口排出；捕集效率為50％時(shí)，對(duì)應(yīng)的stk(50)＝0.23，根據(jù)公式即可求出等效切割直徑，在本發(fā)明中d(50)＝2.5μm。(7).將cmos傳感器表面保護(hù)膜擦凈，滴上粘附性油脂；將底座出口連接采樣泵，采樣流量為3l/min，采樣1min，得到cmos芯片表面成像，如圖2。(8).利用matlab軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理，分別進(jìn)行圖像亮度調(diào)節(jié)、大津閾值分割、二值圖像填充，得到圖3。(9).對(duì)圖3做連通區(qū)域處理并對(duì)顆粒物編號(hào)，對(duì)不同編號(hào)顆粒所占像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，由于像素點(diǎn)面積已知，可以得到不同編號(hào)顆粒物的面積a；根據(jù)公式可以得到相同投影面積的等效圓形顆粒的直徑de，進(jìn)而得到不同粒徑顆粒物頻數(shù)及濃度分布，如表1所示。表1不同粒徑顆粒物頻數(shù)及濃度分布粒徑(μm)頻數(shù)(個(gè))濃度(#/m3)3～5179596675～101214033310～25531766725～5093000＞5041333(10).本發(fā)明還可對(duì)顆粒物在環(huán)境中的沉降通量進(jìn)行測(cè)量，將裝置的噴嘴拆除，直接將cmos芯片暴露于環(huán)境當(dāng)中，讓顆粒物在其上沉降；以圖1為例，假設(shè)圖1為潔凈的cmos芯片在空氣中暴露120h之后的圖像，同樣根據(jù)步驟(8)、(9)可以得到不同粒徑顆粒物頻數(shù)分布，由公式n為顆粒物個(gè)數(shù)，t為暴露時(shí)間，s為cmos芯片面積，即可求出不同粒徑顆粒物的沉降通量分布，如表2所示。表2不同粒徑顆粒物頻數(shù)及沉降通量分布粒徑(μm)頻數(shù)(個(gè))沉降通量(#/m2·h)3～51791491675～1012110083310～25534416725～5097500＞5043333當(dāng)前第1頁(yè)12