室内可吸入颗粒物浓度与粒径分布检测方法的研究

第３０卷第２期 ２００９年２月 仪器仪表学报Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｖ０１．３０ Ｎｏ．２ Ｆｅｂ．２００９ 室内可吸入颗粒物浓度与粒径分布检测方法的研究 刘红丽１，张伟２，李昌禧１ （１ 华巾科技大学控制科学与工程系武汉４３００７４； ２武汉理工大学自动化学院武汉４３００６３） 摘要：本文采用显微观测成像和数字图象处理技术，研究了一种室内町吸入颗粒物浓度与粒径分布的检测方法。基于数学 形态学对颗粒物图像进行图像处理，设计了检测颗粒物粒径，分形维数和形状肉子等蕈要形态学参数的识别算法，最后采用数 据融合的方法计算了可吸人颗粒物的浓度及其粒径分布。实验结果表明：这种检测方法可旧时得到可吸入颗粒物的数量浓度、 总表面积和质量浓度及其粒径分布，具有处理速度快、数据统计分析方便快捷、检测结果稳定等优点。 关键词：可吸入颗粒物；浓度与粒径分布；颗粒形态学；数据融合 中图分类号：ＴＰ２１６ 文献标识码：Ａ 国家标准学科分类代码：５１０．４０ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｉｚｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｄｏｏｒ ｉｎｈａｌｅｄ ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ｍａｔｔｅｒｓ Ｌｉｕ Ｈｏｎｇｌｉ １，Ｚｈａｎｇ Ｗｅｉ２，Ｌｉ Ｃｈａｎｇｘｉ １（Ｊ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆＣｏｎｔｒｏｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ私∞刀，Ｃｈｉｎａ ２Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００６３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｄｏｐｔｉｎｇ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｉｍａｇｉｎｇ ａｎｄ ｄｉｇｉｔａｌ ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ａｎｅｗ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｉｎｄｏｏｒ ｉｎｈａｌｅｄ ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ｍａｔｔｅｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｉｚｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ．Ａｔ ｆｉｒｓｔ，ｔｈｅ ｉｍａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ｍａｔｔｅｒｓ ｉｓ ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ；ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｒ－ ｐｈｏｌｏｇｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｌｕｄｅ ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ｍａｔｔｅｒ ｓｉｚｅ，ｆｒａｃｔａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ，ｓｈａｐｅ ｆａｃｔｏｒｓ ａｎｄ ８０ ｏｎ； ｆｉｎａｌｌｙ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｉｚｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ｍａｔｔｅｒｓ ａｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ｄａｔａ ｆｕｓｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ．Ｅｘ— ｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｄｅｔｅｃｔ ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，ｔｏｔａｌ ｓｕｒｆａｃｅ ａｒｅａ，ｗｅｉｇｈｔ ｃｏｎｃｅｎｔｒａ－ ｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｉｚｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｌｙ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｈａｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｉｎｔｕｉｔｉｖｅ，ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉ－ ｓｉｏｎ，ｆａｓｔ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｓｐｅｅｄ，ｅａｓｙ ｄａｔａ ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ，ａｎｄ ｓｔａｂｌｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｈａｌｅｄ ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ｍａｔｔｅｒ；ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｉｚｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ；ｐａｒｔｉｃｌｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ；ｄａｔａ ｆｕｓｉｏｎ １引 言据调查，现代人６０％一８０％以上的时间是在室内活 动，尤其是婴幼儿、老弱残疾者在室内的时间更长。因 此，室内悬浮颗粒物给人们的健康产生了相当不利的影 响。室内空气中的悬浮颗粒物能够长时间悬浮在空气 中。颗粒物的粒径携带颗粒物的重 要性质信息，空气动 收稿日期：２００８－０１ Ｒｅｃｅｉｖｅｄ Ｄａｔｅ：２００８－０１ ? 基金项目：湖北省自然科学基金（２００７ＡＢＡｌ９５）资助项目 力学当肇直径大于１０ Ｉ．Ｌｍ的悬浮颗粒物在静止空气中会 快速沉降，一般将小于或等于１０斗ｍ的悬浮颗粒物称为 可吸入颗粒物（ＰＭ。。），目前人们把目光主要集中在粒径 小于ｌＯ斗ｍ的可吸入颗粒物上，因为这些小粒径颗粒物 能够长时间飘浮于空气中，难以沉降到地面，易于被吸人 人体呼吸道，沉积于咽喉以下呼吸道部位，且粒径越小， 进入人体呼吸道的位置越深，因而对人体的危害越大。 悬浮颗粒物浓度和暴露时间决定了吸入剂量。浓度越
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