【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种粉尘浓度及分布测量装置，具体是一种基于双目散射图像的粉尘质量浓度及其分布测量装置，属于粉尘粒径分布与质量浓度测量。
技术介绍
1、目前检测粉尘浓度的方法主要包括滤膜称重法、β射线吸收法、微量振荡天平法和光散射法。滤膜称重法通过收集一定流量的粉尘并称量滤膜前后的重量差来计算质量浓度，这种方法虽准确但操作繁琐；β射线吸收法通过衡量β射线穿过粉尘颗粒后强度的衰减来计算颗粒质量，这个系统虽可靠但复杂，且容易受环境影响；微量振荡天平法利用捕获粉尘颗粒后引起的振荡频率变化来估算质量，它可以实时测量但设备成本高；光散射法通过测定一定波长的光在粉尘气体中散射的光强度来计算粉尘浓度，虽然该方法准确且能够避免破坏样本，但通常只能在有限空间内进行点抽样测量，不适合大范围浓度监测；而一般光散射法仅使用某一固定款式激光发生器对所有粉尘浓度情况下的粉尘进行照射，不能处理高粉尘浓度下激光发生群散射现象的情况，且只能测量一段范围内的粉尘浓度，不能对多个不同位置下的粉尘浓度进行测量。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种基于双目散射图像的粉尘质量浓度及其分布测量装置，该装置结构简单，能够实时测量不同位置待测气体中的粉尘质量浓度及其分布，同时能够解决高浓度粉尘环境会干扰激光射光信号，降低测量精度的问题。
2、为了实现上述目的，本专利技术提供一种基于双目散射图像的粉尘质量浓度及其分布测量装置，包括粉尘气体发生收集模块、粉尘散射图像采集模块、数据处理模块，所述粉尘气体发生收集模块包括
3、粉尘传感器可移动的设置在粉尘气体收集箱体壁面，且粉尘传感器通过信号线与mcu微处理器信号连接；
4、所述粉尘散射图像采集模块包括摄像头保护罩、两个工业摄像机、信号线、计算机、直线滑轨、激光固定三角架、一字线激光发生器；所述激光固定三角架固定在粉尘收集箱体一侧，直线滑轨固定在激光固定三脚架的顶端，一字线激光发生器设置为两个，两个一字线激光发生器分别固定在直线滑轨的两端，且安装角度可调，两个工业摄像机固定在直线滑轨的中间部分并对齐，激光固定三角架始终保持一字线激光发生器的激光与工业摄像机中心线在同一水平面上；所述摄像头保护罩凸出部分伸入粉尘气体收集箱体的侧壁凹槽内部，两个工业摄像机的摄像头置于摄像头保护罩的凹陷处并固定；两个工业摄像机、两个一字线激光发生器以及mcu微处理器均通过信号线连接计算机；所述两个一字线激光发生器功率不同，其中大功率一字线激光发生器针对粉尘浓度较小时的浓度测量，小功率一字线激光发生器针对粉尘浓度较大时的浓度测量；所述粉尘传感器均与两个一字线激光发生器处于同一水平线上；
5、数据处理模块为计算机内部程序，包括图像处理算法和基于随机森林的粉尘浓度预测算法，图像处理算法用于识别和提取粉尘颗粒并计算粉尘三维距离，粉尘浓度预测算法用于探究两个一字线激光发生器在不同激光强度下分别测得的粉尘图像特征值与粉尘浓度值的数学关系，从而在预知粉尘浓度大小的情况下选择功率合适的一字线激光发生器来发射激光，避免高浓度粉尘环境干扰激光射光信号，达到精准预测的目的。
6、所述图像处理算法的具体处理过程如下：
7、s1：实验前，先使用棋盘格图像，运用opencv算法库对两个工业摄像机拍摄的双目图像进行几何校正，确保两个视角的图像在同一平面上对齐；
8、s2：开启粉尘发生器，向粉尘气体收集箱体导入粉尘样品气体后关闭粉尘发生器，打开功率较小的一字线激光发生器发射激光，通过两个工业摄像机同时拍摄粉尘颗粒沉降过程中不同质量浓度粉尘的散射图像，获得第一组双目图像，再迅速切换功率较大的一字线激光发生器发射激光，两个工业摄像机拍摄并获得第二组双目图像；然后转变一字线激光发生器的角度，由两个工业摄像机拍摄并获得多组双目图像；
9、s3：对双目图像执行灰度化处理，应用双边滤波算法降噪以提高图像中粉尘线条的清晰度，并使用结构相似性指数ssim对图像质量进行评价，双边滤波算法的公式为：
10、
11、其中：i(x)是原始图像在位置x的强度值；
12、i′(x)是滤波后图像在位置x的强度值；
13、gσs(||x-xi||)是基于像素间的空间距离计算的空间高斯函数，用于减少距离中心像素x越远的像素的权重；
14、gσr(||i(x)-i(xi)||)是基于像素强度差异计算的强度高斯函数，用于减少强度差异大的像素的影响；
15、wp是归一化因子；
16、σs和σr分别是空间和强度高斯函数的标准差；
17、而结构相似性指数ssim是测量双目图像相似性的指标，通过亮度、对比度和结构三个方面的对比，评估图像去噪的效果，其公式为：
18、
19、其中：ux和uy分别是图像x和y的平均灰度；
20、和分别是图像x和y的方差；
21、σxy是协方差；
22、c1和c2是为避免分母为0引入的小常数，通常取c1＝(k1l)2和c2＝(k2l)2，其中l是像素值的动态范围(对于8位图像，l＝255)，k1＝0.01和k2＝0.03是默认值；
23、s4：使用sift特征匹配算法，调用opencv库对图像进行特征匹配；
24、s5：利用匹配点计算视差，生成深度图，并对生成的深度图进行视差校正和滤波，以提高其质量。深度图表征了每个像素点到相机的距离，深度图z的计算公式为：
25、
26、其中：f是相机的焦距；
27、b是两个相机镜头之间的基线距离；
28、d是视差；
29、s6：利用已知的相机参数和深度图计算粉尘的三维位置和相对距离，对于图像中的点(u，v)，其对应的三维位置即三维坐标(x，y，z)的计算公式(z为该点的深度图值)为：
30、
31、
32、其中：(cx，cy)是相机的主点坐标；
33、(fx，fy)是相机的焦距；
34、s7：对降噪后的灰度图像计算平均灰度值，对灰度图像进行线性或最大最小归一化处理；
35、s8：将步骤s6计算得到的图像各点的三维坐标信息与步骤s7得到的归一化的灰度图像进行汇总，得到显示距离信息的灰度图像，在该灰度图像上，随机选一个点即可得到该点的三维坐标，随机选两个点即可获得该两点的相对距离；
36、在指定图像任意两点后可计算该两点的相对距离，公式为：
37、
38、所述基于随本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于双目散射图像的粉尘质量浓度及其分布测量装置，包括粉尘气体发生收集模块、粉尘散射图像采集模块、数据处理模块，其特征在于，所述粉尘气体发生收集模块包括粉尘气体收集箱体(2)、吸光布(1)、涡轮风扇(3)、粉尘导流管道(4)、旋风除尘器(5)、粉尘传感器(8)、变径管道(10)、粉尘发生器(11)，粉尘导流管道(4)的一端与粉尘气体收集箱体(2)的顶部一侧连通，粉尘导流管道(4)的另一端连接涡轮风扇(3)，并在粉尘导流管道(4)上设置旋风除尘器(5)；所述粉尘气体收集箱体(2)内部壁面使用吸光布(1)进行覆盖；所述粉尘气体收集箱体(2)的底部右侧设置有进风口，进风口与变径管道(10)的一端连通，变径管道(10)的另一端连接粉尘发生器(11)；
2.根据权利要求1所述的一种基于双目散射图像的粉尘质量浓度及其分布测量装置，其特征在于，所述图像处理算法的具体处理过程如下：
3.根据权利要求2所述的一种基于双目散射图像的粉尘质量浓度及其分布测量装置，其特征在于，步骤S3中双边滤波算法的公式为：
4.根据权利要求2所述的一种基于双目散射图像的粉尘质
5.根据权利要求4所述的一种基于双目散射图像的粉尘质量浓度及其分布测量装置，其特征在于，所述粉尘传感器(8)有四个，分别等间距的设置在粉尘气体收集箱体壁面，且与一字线激光发生器(14)处于同一水平线上。
6.根据权利要求4所述的一种基于双目散射图像的粉尘质量浓度及其分布测量装置，激光固定三角架(13)的高度和角度均可调节。
7.根据权利要求4所述的一种基于双目散射图像的粉尘质量浓度及其分布测量装置，其特征在于，粉尘传感器(8)的不同粒径通道的粒子数目包括0.3、0.5、1.0、2.5、5.0、10微米的粒子粒径。
8.根据权利要求5所述的一种基于双目散射图像的粉尘质量浓度及其分布测量装置，其特征在于，四个粉尘传感器(8)的间距为30cm。
...【技术特征摘要】
1.一种基于双目散射图像的粉尘质量浓度及其分布测量装置，包括粉尘气体发生收集模块、粉尘散射图像采集模块、数据处理模块，其特征在于，所述粉尘气体发生收集模块包括粉尘气体收集箱体(2)、吸光布(1)、涡轮风扇(3)、粉尘导流管道(4)、旋风除尘器(5)、粉尘传感器(8)、变径管道(10)、粉尘发生器(11)，粉尘导流管道(4)的一端与粉尘气体收集箱体(2)的顶部一侧连通，粉尘导流管道(4)的另一端连接涡轮风扇(3)，并在粉尘导流管道(4)上设置旋风除尘器(5)；所述粉尘气体收集箱体(2)内部壁面使用吸光布(1)进行覆盖；所述粉尘气体收集箱体(2)的底部右侧设置有进风口，进风口与变径管道(10)的一端连通，变径管道(10)的另一端连接粉尘发生器(11)；
2.根据权利要求1所述的一种基于双目散射图像的粉尘质量浓度及其分布测量装置，其特征在于，所述图像处理算法的具体处理过程如下：
3.根据权利要求2所述的一种基于双目散射图像的粉尘质量浓度及其分布测量装置，其特征...
【专利技术属性】
技术研发人员：郑丽娜，刘旭彤，孔旭辉，周福宝，朱颖硕，邹亮，孙宇辰，叶子靖，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：
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