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CN107238558A - 一种基于ccd／cmos芯片的多功能颗粒物采样装置 - Google Patents

一种基于ccd／cmos芯片的多功能颗粒物采样装置 Download PDF

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CN107238558A CN201710511572.XA CN201710511572A CN107238558A CN 107238558 A CN107238558 A CN 107238558A CN 201710511572 A CN201710511572 A CN 201710511572A CN 107238558 A CN107238558 A CN 107238558A
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周斌
张玉贵
钟希宝
王瑜
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Abstract

本发明公开了一种基于CCD/CMOS芯片的多功能颗粒物采样装置。其主要结构为：喷嘴(1)、保护膜(2)、CCD/CMOS芯片(3)、撞击板(4)、密封垫圈(6)以及底座(5)。进行撞击采样时，底座的出气口处接上抽气泵，载带颗粒物的空气流经喷嘴射出，受到碰撞板的阻挡将作曲线运动以绕开障碍物，气流中的颗粒物因其惯性作用，都有在原有方向上保持直线运动的趋势，颗粒物直径越大，所具有的惯性也越大，有可能冲到撞击板上而被撞击板捕集，由于撞击板上装有CCD/CMOS芯片，通过统计被遮挡的像素尺寸和数目即可得到被撞击板捕集的颗粒物粒径分布。进行沉降采样时，将安装有CCD/CMOS芯片的底座暴露于采样环境之中，同样通过分析CCD/CMOS芯片的成像得到不同粒径颗粒物的沉降量。本发明可以有效、方便的测量空气中气溶胶颗粒的浓度和沉降通量，具有稳定的采集效率。

Description

一种基于CCD/CMOS芯片的多功能颗粒物采样装置
(一)技术领域
本发明属于环境监测技术领域，涉及一种基于CCD/CMOS芯片成像的多功能颗粒物采样器，具体说，涉及基于撞击原理的颗粒物浓度测量和基于颗粒物沉降的沉降通量测量。
(二)背景技术
当代流行病学研究表明，空气污染物中颗粒物的暴露与多种呼吸道及心血管疾病有着很强的关联性，包括肺功能衰退、哮喘、心肌梗塞。同时，空气中的颗粒污染物会吸附空气中能损害神经系统和致癌的有害物质，在空气中传播。撞击式采样器是颗粒物采样的常用仪器，根据空气动力学原理设计，采样气流经过撞击盘时，其中较大的颗粒由于惯性作用，直接撞击并停留在撞击盘的表面，而较小的颗粒则随空气流穿过，到达下一级撞击盘。不同空气动力学粒径的气溶胶粒子根据空气动力学原理被分离并采集到各级采样膜上，传统的方法需要将膜片取出，用精密天平和显微镜进行重量和颗粒物粒径大小的分析。本发明将CCD/CMOS芯片和撞击盘相结合，直接在采样的同时，通过对芯片成像的分析计算出捕获颗粒物的粒径分布及浓度。
另外，空气中的颗粒物沉降会对一些材料造成损坏，比如一些电子元器件，特别是在半导体工业中。同时，颗粒物在环境中沉降和再悬浮也对人员的暴露及健康有重要的影响。对于颗粒物沉降通量的测量，目前常用的方法有荧光法、中子活化分析(NAA)以及质子激发X荧光光谱分析法(PIXE)。这几种方法操作起来都比较复杂，比如荧光法需要首先对颗粒物进行荧光标记，之后再萃取并进行荧光量的测量，而NAA和PIXE都对分析材料的要求很高且需要专用大型仪器。本发明将高分辨率的CCD/CMOS芯片暴露于空气中，通过分析沉降颗粒物所遮挡的像素分布来计算不同粒径颗粒物的沉降通量，为空气中颗粒物沉降通量的测量提供了一种简单、快捷的方法。
(三)发明内容
解决的技术问题
本发明的目的是提供一种多功能颗粒物采样器；其可以实现对于撞击板上采集颗粒物的粒径分布进行直接测量，也可以实现空气中颗粒物沉降通量的测量。
技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
(1).一种颗粒撞击式单级采样器，包括撞击板、底座、喷嘴及CCD/CMOS芯片。
(2).底座为上端开口的筒状结构，在筒状结构底面或侧壁上设置有出气口；喷嘴设置于底座的上方，之间可拆卸，为两端开口的筒状结构，下端出口处的内部腔体的径向尺寸大于上端的径向尺寸。
(3).撞击板设置于喷嘴下方，安装于底座之上，上表面安装CCD/CMOS芯片，同时芯片上贴保护膜并涂有粘附性材料。
(4).喷嘴到撞击板的距离与喷嘴直径之比(S/D)为1～5；喷嘴长度与喷嘴直径之比(L/D)为0～1；喷嘴的雷诺数Re在500～3000范围内。
(5).在进行撞击采样时，底座的出气口处接上抽气泵，载带颗粒物的空气流经进气口喷嘴射出后，由于受到碰撞板的阻挡将作曲线运动以绕开障碍物，当气流发生转弯时，气流中所有大小的颗粒物因其惯性作用，都有在原有方向上保持直线运动的趋势；颗粒物直径越大，所具有的惯性也越大，颗粒物的截止距离越长，截止距离大到一定程度的颗粒物，有可能冲到撞击板上，从而被撞击板捕集；由于撞击板上装有CCD/CMOS芯片，像素尺寸已知，通过统计被遮挡的像素尺寸和数目即可得到被撞击板捕集的颗粒物粒径分布，进一步根据采样气体的体积，求得被捕集颗粒物的浓度C(#/m3)；而比较小的颗粒可以跟随气流从出气口排出，进一步到达滤纸而被收集或进入其他检测仪器；撞击采样器的采集效率与S/D、L/D、Re以及斯托克斯数Stk有关，在步骤(4)的设置下，撞击采样器的采集效率主要由Stk决定，采样效率为50％的Stk(50)在0.2～0.3之间，根据Stk(50)的值及其表达式可求出此撞击采样器的切割直径。
(6).在进行沉降采样时，将喷嘴拆除，直接将安装有CCD/CMOS芯片的底座暴露于需要进行沉降通量采样的环境之中；同样，通过统计CCD/CMOS芯片上被遮挡的像素尺寸和数目得到颗粒物的粒径分布，进一步根据沉降时间和芯片面积可以计算出沉降通量J(#/m2·h)。
有益效果
本发明将CCD/CMOS芯片同撞击采样仪结合，通过图像识别技术可以直接计算出撞击采样仪所捕集的颗粒物粒径分布，补充了一般撞击采样仪仅仅通过切割粒径来分离颗粒物的单一功能；提供了一种新的颗粒物沉降通量的测量方法，操作方便简单。
(四)附图说明
图1为本发明结构示意图。图中1为喷嘴，2为涂有粘附性材料的保护膜，3为CCD/CMOS芯片，4为撞击板，5为底座。
图2为通过撞击采样的颗粒物在撞击板CMOS芯片上的成像图像。
图3为CMOS芯片上成像图像的二值图像。
(五)具体实施方式
下面结合附图和实例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述，以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域的技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
(1).参阅图1所示，本发明为一种基于CCD/CMOS芯片的多功能颗粒物采样装置，其主要结构从上到下依次为：喷嘴、保护膜、CCD/CMOS芯片、撞击板、密封垫圈以及底座构成。
(2).喷嘴1为两端开口的筒状结构，上端入口为圆柱形，下端出口处的径向尺寸大于上端并和底座5通过螺栓连接，用密封垫圈6密封。
(3).底座5同样为两端开口的筒状结构，上端开口为圆柱形，和喷嘴1连接，下端设置出气口。
(4).撞击板4通过镂空支架安装于底座之上，喷嘴之下；成像芯片采用CMOS芯片，安装于撞击板之上，并附有保护膜和粘附性材料；芯片尺寸为3673.6μm×2738.4μm，像素为2592×1944，故每个像素的尺寸为1.4μm×1.4μm；通过在光照条件下观察颗粒物覆盖的像素点，即可得到颗粒物的尺寸，最小可以分辨到粒径为1.4μm的颗粒。
(5).喷嘴到撞击板的距离与喷嘴直径之比(S/D)为1，喷嘴长度与喷嘴直径之比(L/D)为1；喷嘴流量Q为3L/min，喷嘴直径D为2.22mm，雷诺数Re为1914。
(6).载带颗粒物的空气通过撞击板时，粒子是跟随流体的流线还是与流线分离被撞击板捕集，在本发明中主要由斯托克斯数Stk决定，其中，ρp是气溶胶颗粒物密度，dp是粒子直径，U为喷嘴内的气流速度，η为空气的动力粘度，Dj为喷嘴直径；捕集效率为50％时，对应的颗粒物粒径称为等效切割直径d(50)，可以认为大于d(50)的粒子全部被撞击板捕集，而小于d(50)的粒子跟随流体的流线从出气口排出；捕集效率为50％时，对应的Stk(50)＝0.23，根据公式即可求出等效切割直径，在本发明中d(50)＝2.5μm。
(7).将CMOS传感器表面保护膜擦净，滴上粘附性油脂；将底座出口连接采样泵，采样流量为3L/min，采样1min，得到CMOS芯片表面成像，如图2。
(8).利用Matlab软件对图像进行处理，分别进行图像亮度调节、大津阈值分割、二值图像填充，得到图3。
(9).对图3做连通区域处理并对颗粒物编号，对不同编号颗粒所占像素点的个数进行统计，由于像素点面积已知，可以得到不同编号颗粒物的面积A；根据公式可以得到相同投影面积的等效圆形颗粒的直径de，进而得到不同粒径颗粒物频数及浓度分布，如表1所示。
表1 不同粒径颗粒物频数及浓度分布
粒径(μm) 频数(个) 浓度(#/m3)
3～5 179 59667
5～10 121 40333
10～25 53 17667
25～50 9 3000
＞50 4 1333
(10).本发明还可对颗粒物在环境中的沉降通量进行测量，将装置的喷嘴拆除，直接将CMOS芯片暴露于环境当中，让颗粒物在其上沉降；以图1为例，假设图1为洁净的CMOS芯片在空气中暴露120h之后的图像，同样根据步骤(8)、(9)可以得到不同粒径颗粒物频数分布，由公式N为颗粒物个数，T为暴露时间，S为CMOS芯片面积，即可求出不同粒径颗粒物的沉降通量分布，如表2所示。
表2 不同粒径颗粒物频数及沉降通量分布
粒径(μm) 频数(个) 沉降通量(#/m2·h)
3～5 179 149167
5～10 121 100833
10～25 53 44167
25～50 9 7500
＞50 4 3333

Claims (5)

1.一种基于CCD/CMOS芯片的多功能颗粒物采样器，其特征在于：
包括撞击板(4)、底座(5)、喷嘴(1)及CCD/CMOS芯片(3)；
底座(5)为上端开口的筒状结构，在筒状结构底面或侧壁上设置有出气口；喷嘴(1)设置于底座的上方，之间可拆卸，为两端开口的筒状结构，下端出口处的内部腔体的径向尺寸大于上端的径向尺寸；
撞击板(4)设置于喷嘴下方，安装于底座之上，上表面安装CCD/CMOS芯片(3)。
2.如权利要求1所述的采样器，其特征在于：喷嘴到撞击板的距离与喷嘴直径之比(S/D)为1～5。
3.如权利要求1所述的采样器，其特征在于：喷嘴长度与喷嘴直径之比(L/D)为0～1。
4.如权利要求1所述的采样器，其特征在于：喷嘴的雷诺数Re在500～3000范围内。
5.如权利要求1所述的采样器，其特征在于：CCD/CMOS芯片上贴保护膜并涂有粘附性材料。
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