一种微米级粉尘淋撒均匀度测量方法和装置

1.本技术涉及空间环境模拟技术领域，尤其涉及一种微米级粉尘淋撒均匀度测量方法和装置。


背景技术：

2.在对如月球、火星等深空探测任务的设计中，星体表面粉尘所带来的影响不可忽视。以月球探测为例，由于月球的微重力和真空环境，月尘颗粒非常容易因探测活动被扬起并悬浮空中。月尘颗粒通常带有电荷，易粘附于探测设备的表面，难以清理，同时还会干扰探测设备的正常工作，严重时可能导致任务终止。因此，建造能够有效模拟粉尘空间分布的地面模拟试验环境是深空探测任务中十分重要的一项工作。
3.目前，已有的研究大多注重于创造粉尘环境，而对粉尘淋撒的均匀度关注度少，并且缺少高分辨率的空间内粉尘质量分布测量方法，故对于粉尘均匀分布的定量控制有难度，进一步地，可能影响到后续试验结果不准确，对装备或仪器在粉尘环境中工作状况的检测不完备，最终影响到设备整体的可靠性、稳定性和工作性能。所以，涉及粉尘环境的空间环境模拟实验需要一种高精度的测量方法来判断淋撒装置的有效性，同时测量方法也作为改进淋撒装置精度和评估所建立的月尘模拟实验环境合理性的一个参考。基于以上原因，为更准确地获取粉尘在空间分布的信息，有必要基于称重法设计一种高分辨率的粉尘淋撒均匀度测量方法。
4.粉尘浓度测量方法分为采样法和非采样法。相较于非采样法，采样法的优点在于可测得粉尘的绝对质量浓度，数据可靠，原理简单，且不受电气、光学等性能的变化影响。采样法中的称重法是粉尘浓度测量的一种基本方法，常用作非采样法测量系统的标定和校准依据。目前已有研究对粉尘淋撒的均匀度关注度少，多为测量粉尘浓度的研究而少有针对粉尘分布均匀度的研究，缺少高分辨率的空间内粉尘质量分布测量方法。
5.而涉及粉尘环境的空间环境模拟实验需要这样的测量方法来判断淋撒装置的有效性，并且有助于改进实验装置的精度。因此亟需一种能准确地获取粉尘在空间分布的信息的粉尘淋撒均匀度测量方法。


技术实现要素：

6.本发明目的是为了解决现有缺少能够准确获取高分辨率的粉尘淋撒均匀度的测量方法的问题，提供了一种微米级粉尘淋撒均匀度测量方法和装置。
7.本发明是通过以下技术方案实现的，本发明一方面，提供一种微米级粉尘淋撒均匀度测量方法，所述方法包括：
8.步骤1、选取若干个相同的量杯；
9.步骤2、将全部量杯放置于待测淋撒均匀度区域下方，并按照矩阵的形式进行排列，并为所述量杯编号；
10.步骤3、将全部的量杯放置于待测区域的下方，所述待测区域为淋撒区域；
11.步骤4、设置预设数量，当预设数量的量杯中的粉尘盖住杯底时，停止采样；
12.步骤5、设置量杯的采样方式，根据所述采样方式对量杯进行采样，将被采样的量杯进行称重，获取所述被采样的量杯采样后质量；
13.步骤6、根据每个所述被采样的量杯的采样前质量和采样后质量的差值，获取每个量杯所在区域粉尘淋撒质量，并按照每个所述被采样的量杯在矩阵中相应的位置进行记录，获取粉尘淋撒质量矩阵；
14.步骤7、重复步骤1-6若干次，获取若干个所述粉尘淋撒质量矩阵，将所述若干个所述粉尘淋撒质量矩阵相加并取平均值，得到粉尘淋撒平均质量矩阵；
15.步骤8、将所述粉尘淋撒平均质量矩阵中所有元素相加求和，获得粉尘总质量；
16.计算所述粉尘淋撒平均质量矩阵中所有元素的均方差，根据所述粉尘淋撒平均质量矩阵中所有元素的均方差和所述粉尘总质量的比值，判断所述待测区域的粉尘淋撒均匀度。
17.进一步地，所述若干个相同的量杯的个数为平方数。
18.进一步地，所述步骤1之前还包括：清洗后晾干所述量杯。
19.进一步地，步骤7中的所述若干次，具体为：10～15次。
20.进一步地，所述步骤8之后还包括：根据所述若干个所述粉尘淋撒矩阵，获取局部待测区域的若干个局部粉尘淋撒质量矩阵；
21.将所述若干个局部粉尘淋撒质量矩阵相加并取平均值，得到局部粉尘淋撒平均质量矩阵；
22.将所述局部粉尘淋撒平均质量矩阵中所有元素相加求和，获得局部粉尘总质量；
23.计算所述局部粉尘淋撒平均质量矩阵中所有元素的均方差，根据所述局部粉尘淋撒平均质量矩阵中所有元素的均方差和所述局部粉尘总质量的比值，判断所述待测区域中局部区域的粉尘淋撒均匀度。
24.进一步地，所述采样方式为对全部的量杯进行采样。
25.进一步地，所述采样方式为在以矩阵形式排列的量杯中，间隔地对量杯进行采样。
26.另一方面，本发明提供一种微米级粉尘淋撒均匀度测量装置，所述装置包括：若干个量杯、淋撒装置、量杯定位把和挡板；
27.所述量杯规格相同；
28.所述淋撒装置放置于待测区域上方，用于淋撒粉尘；
29.所述量杯定位把放置于所述淋撒装置的正下方，用于限制所述量杯的位置；
30.所述挡板用于在采样结束时插入淋撒装置和量杯定位把之间，挡住全部的量杯的入口。
31.进一步地，所述量杯定位把内部被分隔出等大的网格，并以矩阵形式排布。
32.进一步地，所述量杯为正方形的桶状杯体，若干个量杯的质量误差小于1
‰
，杯口面积误差小于1
‰
，杯口截面为正方形，所述杯口处的杯壁向量杯内倾斜呈漏斗形，所述量杯与量杯定位把中的网格紧密配合，量杯表面光滑，采用硬质材料制作。本发明的有益效果：
33.1.本发明的装置和方法可以保证测量结果受粉尘的化学成分、形状、光学等因素影响小，数据可靠；
34.2.取样点多，可根据实验所需精度、对粉尘实际分布情况的需求等调整取样点的数目及分布区域，增加取样点可获取更高分辨率的数据，填补目前微纳粉尘方面的研究空白；
35.3.采用矩阵的形式对实验数据进行分析，可以实现对任意的淋撒区域的粉尘淋撒均匀度进行分析，满足分析需求并提升工作效率。
36.本发明提供一种粉尘淋撒均匀度测量的标定方法和校准依据，提供一种大面积微米级粉尘淋撒均匀度高分辨率测量方法，测量面积较大，测量精度可达毫克级，且分辨率高，具有较高的工程价值和实际意义。
37.本发明适用于对大面积微米级粉尘淋撒均匀度高分辨率的测量。
38.由于不能准确测量获得均匀度参数，导致无法对淋撒筛网的筛孔尺寸和阵列密度、振动频率、铺尘厚度等参数进行优化设计，从而无法实现星球自然环境粉尘均匀沉降场的模拟。例如单层月尘或火星尘微纳颗粒在均匀分布于星球车太阳能电池板上后，因粉尘的遮挡效应而导致太阳能光电转化效率下降，严重影响星球车的工作性能。在地面星球环境模拟舱内实现淋撒均匀的精准测量后，可以开展对星球车太阳能电池板覆盖均匀厚度微量粉尘后的标定及除尘技术研究。
附图说明
39.为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
40.图1为为本发明提供的量杯结构图；
41.图2为本发明提供的量杯定位把结构图；
42.图3为本发明提供的大面积微米级粉尘淋撒均匀度高分辨率测量装置组装示意图。
43.其中，1-淋撒装置；2-挡板，3-量杯定位把；4-量杯。
具体实施方式
44.下面结合实施例和附图，对本发明实施例作进一步的详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
45.实施方式一、一种微米级粉尘淋撒均匀度测量方法，所述方法包括：
46.步骤1、选取若干个相同的量杯；
47.步骤2、将全部量杯放置于待测淋撒均匀度区域下方，并按照矩阵的形式进行排列，并为所述量杯编号；
48.步骤3、将全部的量杯放置于待测区域的下方，所述待测区域为淋撒区域；
49.步骤4、设置预设数量，当预设数量的量杯中的粉尘盖住杯底时，停止采样；
50.步骤5、设置量杯的采样方式，根据所述采样方式对量杯进行采样，将被采样的量杯进行称重，获取所述被采样的量杯采样后质量；
51.步骤6、根据每个所述被采样的量杯的采样前质量和采样后质量的差值，获取每个量杯所在区域粉尘淋撒质量，并按照每个所述被采样的量杯在矩阵中相应的位置进行记
录，获取粉尘淋撒质量矩阵；
52.步骤7、重复步骤1-6若干次，获取若干个所述粉尘淋撒质量矩阵，将所述若干个所述粉尘淋撒质量矩阵相加并取平均值，得到粉尘淋撒平均质量矩阵；
53.步骤8、将所述粉尘淋撒平均质量矩阵中所有元素相加求和，获得粉尘总质量；
54.计算所述粉尘淋撒平均质量矩阵中所有元素的均方差，根据所述粉尘淋撒平均质量矩阵中所有元素的均方差和所述粉尘总质量的比值，判断所述待测区域的粉尘淋撒均匀度。
55.可以根据本实施方式的根据均方差调整淋撒装置的可控参量，提高淋撒装置的淋撒均匀度，例如：基于淋撒装置淋撒效果的目标参数，设定一阈值dm，若实验测得的d《dm，则视淋撒装置淋撒均匀度整体达到目标。
56.本实施方式，1.可以测量待测区域的粉尘淋撒均匀度，受面积、化学成分、形状、光学等因素影响小；
57.2.采用矩阵的形式对实验数据进行分析，可以实现对任意的淋撒区域的粉尘淋撒均匀度进行分析，满足分析需求并提升工作效率。
58.3.还可根据实验所需精度、对粉尘实际分布情况的需求等调整取样点的数目及分布区域，增加取样点可获取更高分辨率的数据。
59.实施方式二，本实施方式是对实施方式一所述的一种微米级粉尘淋撒均匀度测量方法的进一步限定，本实施方式中，对所述量杯的数量，做了进一步限定，具体包括：
60.所述若干个相同的量杯的个数为平方数。
61.本实施方式可以采用矩阵的形式对待测区域进行矩阵形式的粉尘淋撒浓度测量，便于待测区域的设定和方法的计算，易于均分测量区域。
62.实施方式三，本实施方式是对实施方式一所述的一种微米级粉尘淋撒均匀度测量方法的进一步限定，本实施方式中，对所述步骤1之前的操作，做了进一步限定，具体包括：
63.清洗后晾干所述量杯。
64.本实施方式可以防止其他因素导致的测量误差，用于提升微米级粉尘淋撒均匀度的测量精度。
65.实施方式四，本实施方式是对实施方式一所述的一种微米级粉尘淋撒均匀度测量方法的进一步限定，本实施方式中，对步骤7中的所述若干次，做了进一步限定，具体包括：
66.步骤7中的所述若干次具体为：10～15次。
67.本实施方式设置的重复次数可以满足微米级粉尘淋撒均匀度的测量需求，还可以避免过多的操作导致的不必要浪费和低工作效率。
68.实施方式五，本实施方式是对实施方式一所述的一种微米级粉尘淋撒均匀度测量方法的进一步限定，本实施方式中，对所述步骤8之后的操作，做了进一步限定，具体包括：
69.所述步骤8之后还包括：根据所述若干个所述粉尘淋撒矩阵，获取局部待测区域的若干个局部粉尘淋撒质量矩阵；
70.将所述若干个局部粉尘淋撒质量矩阵相加并取平均值，得到局部粉尘淋撒平均质量矩阵；
71.将所述局部粉尘淋撒平均质量矩阵中所有元素相加求和，获得局部粉尘总质量；
72.计算所述局部粉尘淋撒平均质量矩阵中所有元素的均方差，根据所述局部粉尘淋
撒平均质量矩阵中所有元素的均方差和所述局部粉尘总质量的比值，判断所述待测区域中局部区域的粉尘淋撒均匀度。
73.本实施方式中，可以根据整体待测区域的粉尘淋撒平均质量矩阵，获取整体待测区域中局部区域的粉尘淋撒平均质量矩阵，进而当需要对淋撒装置进行调整时，可以根据局部区域的粉尘淋撒平均质量矩阵判断那个部位需要进行调整，进而调整可控参量，提高均匀度。
74.具体实施时，若需要检查淋撒装置某一局部的淋撒质量，则取局部区域的质量测量数据，计算均方差di；若di《dm，则对应区域的淋撒装置可控参量，直到满足均方差阈值要求。
75.实施方式六，本实施方式是对实施方式一所述的一种微米级粉尘淋撒均匀度测量方法的进一步限定，本实施方式中，对所述采样方式，做了进一步限定，具体包括：
76.所述采样方式为对全部的量杯进行采样。
77.本实施方式可以针对对微米级粉尘淋撒均匀度的测量精度要求高且不考虑由于量杯数量导致的工作量的测量方法。
78.实施方式七，本实施方式是对实施方式一所述的一种微米级粉尘淋撒均匀度测量方法的进一步限定，本实施方式中，对所述采样方式，做了进一步限定，具体包括：
79.所述采样方式为在以矩阵形式排列的量杯中，间隔地对量杯进行采样。
80.需要说明的是，本实施方式中，所述间隔距离可以根据实际需要设定。
81.本实施方式中，针对量杯数量过多的情况，采集数据的工作较为繁琐，可以间隔选取量杯作为特征点进行测量及求取均方差。
82.实施方式八，本实施方式是对上文所述的一种微米级粉尘淋撒均匀度测量方法的装置，具体包括：
83.所述装置包括：若干个量杯、淋撒装置、量杯定位把和挡板；
84.所述量杯规格相同；
85.所述淋撒装置放置于待测区域上方，用于淋撒粉尘；
86.所述量杯定位把放置于所述淋撒装置的正下方，用于限制所述量杯的位置；
87.所述挡板用于在采样结束时插入淋撒装置和量杯定位把之间，挡住全部的量杯的入口。
88.本实施方式为一种微米级粉尘淋撒均匀度测量方法提供了测量装置，该装置可以测量待测区域的粉尘淋撒均匀度，受面积、化学成分、形状、光学等因素影响小；
89.该装置可以使得全部量杯以矩阵的形式进行排列，从而可以采用矩阵数据对实验数据进行分析，进而实现对任意的淋撒区域的粉尘淋撒均匀度进行分析，满足分析需求并提升工作效率。
90.本实施方式的装置还可根据实验所需精度、对粉尘实际分布情况的需求等调整取样点的数目及分布区域相应的装置，增加取样点可获取更高分辨率的数据。
91.需要说明的是，所述量杯的规格可以包括：形状、大小和材质。通过设置形状、大小和材质等参数相同的量杯，提升微米级粉尘淋撒均匀度测量精度。
92.实施方式九，本实施方式是对实施方式八所述的一种微米级粉尘淋撒均匀度测量装置的进一步限定，本实施方式中，对所述量杯定位把，做了进一步限定，具体包括：
93.所述量杯定位把内部被分隔出等大的网格，并以矩阵形式排布。
94.本实施方式中的网格用于承载量杯，该网格以矩阵形式进行排布，可以实现待测区域的有效布局，进而便于微米级粉尘淋撒均匀度的测量。
95.实施方式十，本实施方式是对实施方式八所述的一种微米级粉尘淋撒均匀度测量装置的进一步限定，本实施方式中，对所述量杯，做了进一步限定，具体包括：
96.所述量杯为正方形的桶状杯体，若干个量杯的质量误差小于1
‰
，杯口面积误差小于1
‰
，杯口截面为正方形，所述杯口处的杯壁向量杯内倾斜呈漏斗形，所述量杯与量杯定位把中的网格紧密配合，量杯表面光滑，采用硬质材料制作。
97.本实施方式是对量杯的设置，设定好量杯规格后，量杯的质量误差小于1
‰
，杯口面积误差小于1
‰
，以确保微米级粉尘淋撒均匀度的测量精度；
98.杯口截面为正方形，矩形截面使杯子的排布形式简单，使用于固定量杯的量杯定位把的结构简单，易于均分测量区域；
99.便于对待测区域的划分和测量；量杯上端杯壁向量杯内倾斜呈漏斗形，与量杯定位把中的网格契合，量杯表面光滑，采用硬质材料制作，便于使粉尘落入量杯中，减少杯壁面积对测量结果的影响。
100.综上，该设置方式可以减少测量误差，提升微米级粉尘淋撒均匀度的测量精度。
101.实施方式十一，本实施方式是针对上文所述的一种微米级粉尘淋撒均匀度测量装置和方法的具体实施例，具体为：
102.本实施例中，进行测量时所需装置具体设置为：
103.淋撒装置1固定在待测区域上方，用于淋撒粉尘；可移动的带把手的量杯定位把3，进行采样时置于淋撒装置1正下方与之相对，用于整体搬运量杯；400个形状、大小、材质相同的量杯4；挡板2在采样结束时置于简化表示的淋撒装置1和量杯定位把3之间，相互对齐，用于停止采样。
104.量杯定位把3尺寸为1.1m
×
1.1m，内部被分隔出等大的20
×
20个网格，量杯定位把3的两侧对边处设有便于搬运的把手。
105.400个量杯4为质量小于1g的轻质小杯，所有量杯规格相同；量杯表面光滑，使用硬质材料制作，便于使用前后清理量杯内粉尘，减小后续测量误差，质量误差小于1
‰
，杯口面积误差小于1
‰
，杯口截面为正方形，量杯4上端杯壁向量杯内倾斜呈漏斗形，便于使粉尘落入量杯中，减少杯壁面积对测量结果的影响，矩形截面使杯子的排布形式简单，使用于固定量杯的量杯定位把的结构简单，易于均分测量区域。
106.利用上述装置进行微米级粉尘淋撒均匀度测量，具体为：
107.(1)将400个量杯编号，量杯为同一规格，质量均为m0，质量误差小于1
‰
，清洗量杯、量杯定位把、淋撒装置和挡板，放置晾干；
108.(2)安装淋撒装置于待测区域下方，将量杯放置在量杯定位把上，将量杯定位把固定于淋撒装置正下方与之相对；
109.(3)开始采样，令淋撒装置以0.25hz频率振动，淋撒粉尘，将量杯定位把放置一段时间，观察到量杯中粉尘恰好盖住杯底时，在淋撒装置和量杯定位把之间插入挡板，停止采样；
110.(4)握住量杯定位把，将量杯和量杯定位把从测试区域移出，分别对400个量杯进
行称重，并按序号记录其采样后质量为m
ti
(i＝1,2,3,
……
,400)；
111.(5)利用公式mi＝m
ti-m0计算每个量杯所在区域粉尘淋撒质量，将其记为一20
×
20的矩阵，mi在矩阵中的位置排布形式上与量杯在量杯定位把中的位置排布一致，利用此粉尘淋撒质量矩阵进一步分析粉尘淋撒均匀度；
112.(6)重复步骤(1)到(5)10～15次；
113.(7)将所测得的若干粉尘淋撒质量矩阵相加并取平均值，得到粉尘淋撒平均质量矩阵，将此矩阵中所有元素相加求和得粉尘的总质量m，并且计算粉尘淋撒平均质量矩阵中所有元素的均方差d，再计算以消除不同总质量的数量级对均方差的影响，这个值越小则说明粉尘淋撒均匀度越高。
114.在实施例中，进行了不同粉尘淋撒振动次数的粉尘淋撒质量实验，取13个均匀分布的特征采样点，用精度为1mg的电子秤称量这些位置处的粉尘淋撒质量，如表格1所示：
115.表1不同粉尘淋撒振动次数下均匀分布特征采样点的粉尘淋撒质量
[0116][0117]
计算上述实验中不同粉尘淋撒振动次数下装置整体粉尘淋撒质量的方差，结果如表格2：
[0118]
表格2不同粉尘淋撒振动次数下粉尘质量方差
[0119][0120]
方差越小，则代表粉尘淋撒均匀度越高。从数据中可以看出，随着淋撒装置振动次数增加，有增大的趋势，可以推断淋撒装置淋撒粉尘的均匀度不佳，与本实验所用淋撒装置的实际情况相符，证明本发明是可实施并且有效的。
[0121]
本发明提供一种大面积微米级粉尘淋撒均匀度高分辨率测量方法，包括以下步骤：(1)将量杯编号、洗净、晾干；(2)测量每个量杯的初始质量，并记录采样前质量；(3)安装淋撒装置、量杯和量杯固定把；(4)开始采样，将量杯定位把放置一段时间并计时，观察到量
杯中粉尘恰好盖住杯底时，插入挡板停止采样；(5)取下量杯固定把，分别对量杯进行称重，并记录其采样后质量；(6)利用公式计算每个量杯所在区域粉尘淋撒质量，记为粉尘淋撒质量矩阵；(6)重复步骤(1)到(5)10～15次；(7)处理实验数据，基于均方差分析粉尘淋撒均匀度。该方法基于采样法中称重法的思想，测量结果受粉尘的化学成分、形状、光学等因素影响小，数据可靠；测量精度可达毫克级，且具有高分辨率；因此具有较强的工程价值和实际意义。
[0122]
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。