(一)
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)境監(jiān)測
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，涉及基于撞擊原理的顆粒物濃度測量和基于顆粒物沉降的沉降通量測量。(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的關(guān)聯(lián)性，包括肺功能衰退、哮喘、心肌梗塞。同時，空氣中的顆粒污染物會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)空氣動力學(xué)原理設(shè)計，采樣氣流經(jīng)過撞擊盤時，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，到達下一級撞擊盤。不同空氣動力學(xué)粒徑的氣溶膠粒子根據(jù)空氣動力學(xué)原理被分離并采集到各級采樣膜上，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，通過對芯片成像的分析計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對一些材料造成損壞，比如一些電子元器件，特別是在半導(dǎo)體工業(yè)中。同時，顆粒物在環(huán)境中沉降和再懸浮也對人員的暴露及健康有重要的影響。對于顆粒物沉降通量的測量，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都比較復(fù)雜，比如熒光法需要首先對顆粒物進行熒光標(biāo)記，之后再萃取并進行熒光量的測量，而naa和pixe都對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，通過分析沉降顆粒物所遮擋的像素分布來計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量提供了一種簡單、快捷的方法。(三)技術(shù)實現(xiàn)要素：解決的技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種多功能顆粒物采樣器；其可以實現(xiàn)對于撞擊板上采集顆粒物的粒徑分布進行直接測量，也可以實現(xiàn)空氣中顆粒物沉降通量的測量。技術(shù)方案為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：(1).一種顆粒撞擊式單級采樣器，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，同時芯片上貼保護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).在進行撞擊采樣時，底座的出氣口處接上抽氣泵，載帶顆粒物的空氣流經(jīng)進氣口噴嘴射出后，由于受到碰撞板的阻擋將作曲線運動以繞開障礙物，當(dāng)氣流發(fā)生轉(zhuǎn)彎時，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動的趨勢；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，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，通過統(tǒng)計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)；而比較小的顆粒可以跟隨氣流從出氣口排出，進一步到達濾紙而被收集或進入其他檢測儀器；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)的值及其表達式可求出此撞擊采樣器的切割直徑。(6).在進行沉降采樣時，將噴嘴拆除，直接將安裝有ccd/cmos芯片的底座暴露于需要進行沉降通量采樣的環(huán)境之中；同樣，通過統(tǒng)計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，進一步根據(jù)沉降時間和芯片面積可以計算出沉降通量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，通過圖像識別技術(shù)可以直接計算出撞擊采樣儀所捕集的顆粒物粒徑分布，補充了一般撞擊采樣儀僅僅通過切割粒徑來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量方法，操作方便簡單。(四)附圖說明圖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膜，3為ccd/cmos芯片，4為撞擊板，5為底座。圖2為通過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)具體實施方式下面結(jié)合附圖和實例，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細描述，以下實例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(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)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(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，并附有保護膜和粘附性材料；芯片尺寸為3673.6μm×2738.4μm，像素為2592×1944，故每個像素的尺寸為1.4μm×1.4μm；通過在光照條件下觀察顆粒物覆蓋的像素點，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撞擊板時，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為空氣的動力粘度，dj為噴嘴直徑；捕集效率為50％時，對應(yīng)的顆粒物粒徑稱為等效切割直徑d(50)，可以認為大于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，對應(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軟件對圖像進行處理，分別進行圖像亮度調(diào)節(jié)、大津閾值分割、二值圖像填充，得到圖3。(9).對圖3做連通區(qū)域處理并對顆粒物編號，對不同編號顆粒所占像素點的個數(shù)進行統(tǒng)計，由于像素點面積已知，可以得到不同編號顆粒物的面積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)濃度(#/m3)3～5179596675～101214033310～25531766725～5093000＞5041333(10).本發(fā)明還可對顆粒物在環(huán)境中的沉降通量進行測量，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為顆粒物個數(shù)，t為暴露時間，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)沉降通量(#/m2·h)3～51791491675～1012110083310～25534416725～5097500＞5043333當(dāng)前第1頁12