专利名称：测量烟颗粒的粒径的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子应用技术领域，尤其涉及一种测量烟颗粒的粒径的方法及装置。
技术背景
火灾探测是防止火灾发生的重要手段，火灾发生时一般都释放大量烟颗粒，因此， 通过对烟雾的感知与识别可以实现早期火灾探测。粒径是火灾烟颗粒的重要物理参数，深入研究火灾烟颗粒的粒径特性，对发展光电感烟火灾探测技术，降低光电感烟探测器误报率具有重要的理论意义和实用价值。
现有技术中的一种测量烟颗粒的粒径的方法为，基于光学Mie散射理论的角散射法。在颗粒对入射光散射过程中，散射光的角分布随颗粒粒径分布变化而改变。该方法通过检测烟颗粒的散射光信号的分布并进行反演，获取散射光信号中包含的烟颗粒的粒径分布信息。
上述现有技术中的测量烟颗粒的粒径的方法的缺点为该方法仅利用散射光信号的散射光强或是偏振度的角分布测量数据进行反演，并未完全利用散射光信号的全部性质，对于复杂结构的烟颗粒群不能得出符合实际情况的粒径分布结果。发明内容
本发明的实施例提供了一种测量烟颗粒的粒径的方法和装置，以实现有效地测量火灾等烟颗粒的粒径分布。
一种测量烟颗粒的粒径的方法，包括
根据烟颗粒的散射光的直流分量和谐波分量建立烟颗粒的散射光的散射矩阵；
根据所述散射矩阵建立烟颗粒的粒径参数的目标函数，利用所述散射矩阵和目标函数通过反演算法，获取所述目标函数的最优值，根据所述最优值得到所述烟颗粒的粒径分布。
一种测量烟颗粒的粒径的装置，包括
散射矩阵建立模块，用于根据烟颗粒的散射光的直流分量和谐波分量建立烟颗粒的散射光的散射矩阵；
目标函数建立�？椋糜诟菟錾⑸渚卣蠼⒛？樗⒌纳⑸渚卣蠼⒀炭帕５牧＞恫问哪勘旰�
烟颗粒粒径分布计算�？椋糜诶盟錾⑸渚卣蠼⒛？樗⒌纳⑸渚卣蠛退瞿勘旰⒛？樗⒌哪勘旰ü囱菟惴ǎ袢∷瞿勘旰淖钣胖担菟鲎钣胖档玫剿鲅炭帕５牧＞斗植�。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例从完全反映颗粒的光散射特性的Mueller矩阵出发，结合全局搜索能力很强的模拟退火算法，实现了对火灾等烟颗粒的光散射球形模型下的粒径反演，从而可以有效地测量火灾等烟颗粒的粒径分布。
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的一种测量烟颗粒的粒径的方法的原理示意图2为本发明实施例一提供的一种测量烟颗粒的粒径的方法的具体处理流程图3为本发明实施例一提供的一种烟颗粒的粒径的参数σ与参数 之间的关系曲线图4为本发明实施例二提供了一种测量烟颗粒的粒径的装置的具体实现结构图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
实施例一
该实施例提供的一种测量烟颗粒的粒径的方法的原理示意图如图1所示，烟雾从产生装置中用管道从喷嘴喷出，经过调制的入射光被烟颗粒散射，光电倍增管随着旋转臂的旋转，在不同角度上接收散射光。散射光信号经过锁相放大器和滤波器，采集存入计算机。在计算机中进行烟颗粒的粒径分别的计算处理，具体处理流程如图2所示，包括如下的处理步骤
步骤21、根据烟颗粒的散射光的直流分量和谐波分量建立烟颗粒的散射光的 Mueller (米勒)散射矩阵。
光源产生的激光先经过起偏器和电光调制器进行调制，再将激光发射到烟颗粒所在的区域，上述激光将被烟颗粒散射产生散射光。上述散射光经过一个四分之一波片和验偏器后被探测器接收，探测器测量接收到的上述散射光的光强信号。
上述探测器测得的光强信号分为两路，一路经过低通滤波后输出直流分量，另一路输入到可以同时检测两阶谐波的锁相放大器，由锁相放大器输出光强信号的一阶与二阶谐波分量。根据上述直流分量和谐波分量的线性方程组建立烟颗粒的散射光的散射矩阵， 该散射矩阵可以为Mueller散射矩阵。
如图1所示，可以在一个固定散射角位置放置一探测器，作为监视器，用来监视测量过程中样本散射的变化，对探测器测量的结果进行修正。计算机通过步进电机控制导轨转动，从而可以控制散射测量角，探测器在导轨上可以移动，使探测器接近或远离位于中心的测量样本。
对上述获取的直流分量和一阶二阶谐波分量进行低通滤波放大，然后进行数据公式采样。由直流分量与一阶二阶谐波分量的线性方程组可以得到Mueller矩阵元素，将除 F11(Q)以外的矩阵元素分别除以Fn( θ )，并且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° )，对Mueller矩阵进行归一化，获得归一化的 Mueller散射矩阵，该归一化的Mueller散射矩阵的形式为
权利要求
1.一种测量烟颗粒的粒径的方法，其特征在于，包括根据烟颗粒的散射光的直流分量和谐波分量建立烟颗粒的散射光的散射矩阵；根据所述散射矩阵建立烟颗粒的粒径参数的目标函数，利用所述散射矩阵和目标函数通过反演算法，获取所述目标函数的最优值，根据所述最优值得到所述烟颗粒的粒径分布。
2.根据权利要求1所述的测量烟颗粒的粒径的方法，其特征在于，所述的根据烟颗粒的散射光的直流分量和谐波分量建立烟颗粒的散射光的散射矩阵，包括获取激光通过烟颗粒所在的区域产生的散射光，对所述散射光进行低通滤波得到直流分量，通过锁相放大器检测得到所述散射光的一阶和二阶谐波分量；根据所述直流分量、一阶和二阶谐波分量的组成的线性方程组建立烟颗粒的散射光的米勒Mueller散射矩阵F ；
3.根据权利要求2所述的测量烟颗粒的粒径的方法，其特征在于，所述的根据所述散射矩阵建立烟颗粒的粒径参数的目标函数包括设待求解的烟颗粒的粒径分布函数为/,(O= ( σ, D 所述σ是烟颗粒的粒径的分布参数，所述 是所述烟颗粒的粒径的尺寸参数；ΘΜ烟颗粒的粒径参数的目标函数5= Σ (Eij(O)-Ε^θ))2 IM
4.根据权利要求3所述的测量烟颗粒的粒径的方法，其特征在于，所述的根据所述散射矩阵和目标函数通过反演算法，获取所述目标函数的最优值，根据所述最优值得到所述烟颗粒的粒径分布，包括根据所述参数σ、石的取值区间随机选取所述f ig(r)的初始值Χ0=( σ0, D0 )，将所述 forig(r)的取值次数设置为1，根据所述L计算出￡^) = ( ， 。)^(Do,^),并计算出所述)(。 对应的所述目标函数的初始值f (Xtl),将所述f (Xtl)作为所述f ig(r)的第一次的最优值；根据所述参数。、石的取值区间随机选取所述f ig(r)的取值X1= ( σ0, D0 )，将所述 forig(r)的取值次数加1，根据所述&计算出所述目标函数的取值f(X》；根据所述f (X1)和所述目标函数的上一次的最优值之间的大小关系确定所述目标函数的当前最优值，当所述f ig(r)的取值次数达到了设定的迭代次数，并且所述目标函数的当前最优值小于设定的门限值，则确定所述标函数的当前最优值为所述目标函数的最终值；获取所述目标函数的最终值对应的所述f ig(r)的取值，根据该f ig(r)的取值获取烟颗粒的粒径分布。
5.根据权利要求4所述的测量烟颗粒的粒径的方法，其特征在于，所述的根据所述 f(X)和所述目标函数的上一次的最优值之间的大小关系确定所述目标函数的当前最优值，当所述f ig(r)的取值次数达到了设定的迭代次数，并且所述目标函数的当前最优值小于设定的门限值，则确定所述目标函数的当前最优值为所述目标函数的最终值，包括计算目标函数值的增量Δ ·，Af = MX1Pf(Xtl),所述fog为所述目标函数的上一次的最优值，若Af <0，则f(X》为所述目标函数的当前最优解；若Af >0，判断ρ = exp(-Af/T0)是否大于0到1之间的一个随机数，所述Ttl为设定的整数，如果是，则MX1) 为所述目标函数的当前最优解；否则，所述目标函数的当前最优解仍然为f (Xtl)；判断所述f ig(r)的取值次数是否达到了设定的迭代次数，如果不是，继续根据所述参数σ、己的取值区间随机选取所述f。Hg(r)的取值X1= ( σ0, D0 ),开根据所述&计算出所述目标函数的取值f (X1),执行所述目标函数的当前最优解的判断过程；否则，当所述目标函数的当前最优值小于设定的门限值时，则确定所述目标函数的当前最优值为所述目标函数的最终值；当所述目标函数的当前最优值不小于设定的门限值时，将所述f ig(r)的取值次数重新设置为1，继续根据所述参数ο、 的取值区间随机选取所述f ig(r)的取值 Xi= ( σ0 , D0 ),并根据所述&计算出所述目标函数的取值f(Xi)，执行所述目标函数的当前最优解的判断过程。
6.一种测量烟颗粒的粒径的装置，其特征在于，包括。散射矩阵建立�？椋糜诟菅炭帕５纳⑸涔獾闹绷鞣至亢托巢ǚ至拷⒀炭帕５纳⑸涔獾纳⑸渚卣螅荒勘旰⒛？椋糜诟菟錾⑸渚卣蠼⒛？樗⒌纳⑸渚卣蠼⒀炭帕５牧＞恫问哪勘旰谎炭帕Ａ＞斗植技扑隳？椋糜诶盟錾⑸渚卣蠼⒛？樗⒌纳⑸渚卣蠛退瞿勘旰⒛？樗⒌哪勘旰ü囱菟惴ǎ袢∷瞿勘旰淖钣胖担菟鲎钣胖档玫剿鲅炭帕５牧＞斗植肌�
7.根据权利要求6所述的测量烟颗粒的粒径的装置，其特征在于所述的散射矩阵建立�？椋褂糜诨袢〖す馔ü炭帕Ｋ诘那虿纳⑸涔猓运錾⑸涔饨械屯瞬ǖ玫街绷鞣至浚ü喾糯笃骷觳獾玫剿錾⑸涔獾囊唤缀投仔巢ǚ至浚桓菟鲋绷鞣至�、一阶和二阶谐波分量的组成的线性方程组建立烟颗粒的散射光的米勒Mueller散射矩阵F ；
8.根据权利要求7所述的测量烟颗粒的粒径的装置，其特征在于所述的目标函数建立�？椋褂糜谏璐蠼獾难炭帕５牧＞斗植己� fonA^= (σ, D 所述σ是烟颗粒的粒径的分布参数，所述己是所述烟颗粒的粒径的尺寸参数；烟颗粒的粒径参数的目标函数
9.根据权利要求8所述的测量烟颗粒的粒径的装置，其特征在于所述的烟颗粒粒径分布计算模块，还用于根据所述参数ο、5的取值区间随机选取所述f ig(r)的初始值Χ0=( σ0, D0 ),将所述f ig(r)的取值次数设置为1，根据所述\计算出；汐)= (σ0, ο) ^(D0,φ，并计算出所述\对应的所述目标函数的初始值MXci)，将所述 f(X0)作为所述f ig(r)的第一次的最优值；根据所述参数。、石的取值区间随机选取所述f ig(r)的取值X1= ( σ0, D0 )，将所述 forig(r)的取值次数加1，根据所述&计算出所述目标函数的取值f(X》；根据所述f (X1)和所述目标函数的上一次的最优值之间的大小关系确定所述目标函数的当前最优值，当所述f ig(r)的取值次数达到了设定的迭代次数，并且所述目标函数的当前最优值小于设定的门限值，则确定所述目标函数的当前最优值为所述目标函数的最终值；获取所述目标函数的最终值对应的所述f ig(r)的取值，根据该f ig(r)的取值获取烟颗粒的粒径分布。
10.根据权利要求9所述的测量烟颗粒的粒径的装置，其特征在于 所述的烟颗粒粒径分布计算�？椋褂糜诩扑隳勘旰档脑隽喀う桑珹f = f (X1Pf (X。)，所述f (X0)为所述目标函数的上一次的最优值，若AfSO^lJf(X1)为所述目标函数的当前最优解；若八�>0，判断？ = ^ (-八�/%)是否大于0到1之间的一个随机数，所述Ttl为设定的整数，如果是，则f (X1)为所述目标函数的当前最优解；否则，所述目标函数的当前最优解仍然为f (Xtl)；判断所述f ig(r)的取值次数是否达到了设定的迭代次数，如果不是，继续根据所述参数σ、万的取值区间随机选取所述f。Hg(r)的取值X1= ( σ0, D0 ),开根据所述&计算出所述目标函数的取值f (X1),执行所述目标函数的当前最优解的判断过程；否则，当所述目标函数的当前最优值小于设定的门限值时，则确定所述目标函数的当前最优值为所述目标函数的最终值；当所述目标函数的当前最优值不小于设定的门限值时，将所述f ig(r)的取值次数重新设置为1，继续根据所述参数ο、 的取值区间随机选取所述f ig(r)的取值 Xi= ( σ0 , D0 ),并根据所述&计算出所述目标函数的取值f(Xi)，执行所述目标函数的当前最优解的判断过程。
全文摘要
本发明实施例提供了一种测量烟颗粒的粒径的方法和装置。该方法主要包括根据烟颗粒的散射光的直流分量和谐波分量建立烟颗粒的散射光的散射矩阵；根据所述散射矩阵建立烟颗粒的粒径参数的目标函数，利用所述散射矩阵和目标函数通过反演算法，获取所述目标函数的最优值，根据所述最优值得到所述烟颗粒的粒径分布。本发明实施例从完全反映颗粒的光散射特性的Mueller矩阵出发，结合全局搜索能力很强的模拟退火算法，实现了对火灾等烟颗粒的光散射球形模型下的粒径反演，从而可以有效地测量火灾等烟颗粒的粒径分布。
文档编号G01N15/02GK102507399SQ20111033027
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月26日 优先权日2011年10月26日
发明者张永明, 方俊, 李耀东, 王进军 申请人:中国科学技术大学
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