氣溶膠粒子濃度傳感器的制造方法
【專利摘要】一種氣溶膠粒子濃度傳感器，包括在一個(gè)腔體內(nèi)的光路模塊、氣路模塊和信號(hào)處理模塊組成，光路模塊包括：光源和光路通道，氣路模塊，包括風(fēng)機(jī)與氣路通道，氣路通道的氣流入口處和氣流出口處設(shè)有彎道結(jié)構(gòu)和擋板結(jié)構(gòu)，在風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下含有氣溶膠粒子的氣體經(jīng)氣流入口、氣路通道從氣流出口輸出，信號(hào)處理模塊包括光電探測(cè)器、信號(hào)處理電路和集成接口，光電探測(cè)器置于氣路通道中，光源發(fā)出的光照射在光電探測(cè)器的光敏面上方的氣路通道中，信號(hào)處理電路對(duì)光電探測(cè)器輸出的電脈沖信號(hào)進(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)換以及電壓放大后，從信號(hào)輸出端輸出。本實(shí)用新型體積小巧，重量輕，可同時(shí)測(cè)量氣溶膠粒子的數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度，充分滿足民用市場(chǎng)的需求。
【專利說(shuō)明】氣溶膠粒子濃度傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及粒子濃度傳感器，特別是一種氣溶膠粒子濃度傳感器及其檢測(cè)方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 氣溶膠是指大氣與懸浮于其中的固體和液體微粒所組成的多相體系，其中的粒子 為氣溶膠粒子。氣溶膠粒子濃度直接影響著環(huán)境空氣質(zhì)量。彈性光散射測(cè)量法具有速度快、 靈敏度高等特點(diǎn)，是監(jiān)測(cè)氣溶膠粒子濃度的主要方法之一。氣體中的粒子在光的照射下會(huì) 發(fā)生散射，散射光強(qiáng)度和粒子大小有一個(gè)基本規(guī)律，就是微粒散射光的強(qiáng)度隨微粒的表面 積的增加而增大。這樣只要測(cè)定散射光的強(qiáng)度就可推知粒子的大小。
[0003] 采用彈性光散射測(cè)量法的氣溶膠粒子濃度傳感器的基本工作過(guò)程如下：空氣中的 粒子在光束的照射下會(huì)產(chǎn)生與粒子大小成比例的散射光信號(hào)，該散射光信號(hào)通過(guò)光電探測(cè) 器和前置放大電路后轉(zhuǎn)換為適當(dāng)幅度的電壓脈沖信號(hào)，再經(jīng)過(guò)電子線路的甄別，從而完成 對(duì)電脈沖信號(hào)的分檔計(jì)數(shù)。此時(shí)，電壓脈沖數(shù)量對(duì)應(yīng)于微粒的個(gè)數(shù)，電壓脈沖的幅值對(duì)應(yīng)于 粒子的大小。
[0004] 在先技術(shù)的采用彈性光散射測(cè)量法的氣溶膠粒子濃度傳感器存在如下缺點(diǎn)：
[0005] (1)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大。現(xiàn)有的氣溶膠粒子濃度傳感器大多采用復(fù)雜的光學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí) 現(xiàn)散射光信號(hào)的收集，采用復(fù)雜的包含進(jìn)氣嘴與出氣嘴的氣路結(jié)構(gòu)把氣溶膠粒子引入傳感 器，氣路結(jié)構(gòu)中還有提供氣流的采樣泵。這些都使得氣溶膠粒子濃度傳感器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體 積大。
[0006] (2)成本高。現(xiàn)有的氣溶膠粒子濃度傳感器由于采用了復(fù)雜的光路結(jié)構(gòu)與氣路結(jié) 構(gòu)，所以對(duì)光學(xué)零件與機(jī)械零件的加工精度要求高，這些都大大增加了它的成本，限制了其 在民用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0007] 本實(shí)用新型的目的在于克服在先技術(shù)的不足，提供一種氣溶膠粒子濃度傳感器及 其檢測(cè)方法，該傳感器能滿足民用空氣質(zhì)量檢測(cè)要求，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、成本低的 特點(diǎn)。
[0008] 本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下：
[0009] -種氣溶膠粒子濃度傳感器，特點(diǎn)在于其構(gòu)成包括在一個(gè)腔體內(nèi)的光路模塊、氣 路模塊和信號(hào)處理模塊，所述的光路模塊包括：光源和光路通道，所述的氣路模塊，包括風(fēng) 機(jī)與氣路通道，所述氣路通道的氣流入口處和氣流出口處設(shè)有彎道結(jié)構(gòu)和擋板結(jié)構(gòu)，在所 述的風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下含有氣溶膠粒子的氣體經(jīng)氣流入口、氣路通道從氣流出口輸出，所述的信 號(hào)處理模塊包括光電探測(cè)器、信號(hào)處理電路和集成接口，所述集成接口包括第一電源接口 端、第二電源接口端和信號(hào)輸出端，所述的第一電源接口端、第二電源接口端分別與所述的 光源和風(fēng)機(jī)相連，所述的光電探測(cè)器置于所述的氣路通道中，所述的光源發(fā)出的光照射在 所述的光電探測(cè)器的光敏面上方的氣路通道中，所述的氣路通道的氣溶膠粒子產(chǎn)生散射 光，所述的光電探測(cè)器將所述的散射光轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，所述的信號(hào)處理電路對(duì)光電探 測(cè)器輸出的電脈沖信號(hào)進(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)換以及電壓放大后，從所述的信號(hào)輸出端輸出。 [0010] 所述光源為半導(dǎo)體激光器。
[0011] 所述的風(fēng)機(jī)用于使氣路模塊產(chǎn)生氣流。
[0012] 所述氣路通道在氣流入口處和出口處設(shè)有彎道結(jié)構(gòu)和擋板結(jié)構(gòu)，以防止外界雜光 進(jìn)入干擾粒子散射光的檢測(cè)。
[0013] 所述光電探測(cè)器用于將散射光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)。
[0014] 所述信號(hào)處理電路對(duì)光電探測(cè)器輸出的電脈沖信號(hào)進(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)換以及電 壓放大。
[0015] 所述氣路通道的橫截面面積大于光電探測(cè)器光敏面面積，使光電探測(cè)器的光敏面 能夠充分探測(cè)到粒子散射光。
[0016] 所述集成接口包括第一電源接口端、第二電源接口端和信號(hào)輸出端。
[0017] 所述的光路模塊、氣路模塊和信號(hào)處理模塊集成在一個(gè)腔體內(nèi)。
[0018] 一種氣溶膠粒子濃度檢測(cè)方法，該檢測(cè)方法包括以下步驟：
[0019] 1)確定0.3μπι粒徑檔的甄別電壓：在潔凈空氣中測(cè)量所述的氣溶膠粒子濃度傳 感器輸出的噪聲脈沖信號(hào)，待氣溶膠粒子濃度傳感器運(yùn)行穩(wěn)定后，取〇. 3 μ m粒徑檔的甄電 壓Vl略高于噪聲脈沖峰值的最大值；
[0020] 2)確定0. 5 μ m粒徑檔的甄別電壓：在0. 5 μ m標(biāo)準(zhǔn)粒子氣溶膠中測(cè)量所述的氣溶 膠粒子濃度傳感器輸出的脈沖信號(hào)，待氣溶膠粒子濃度傳感器運(yùn)行穩(wěn)定后，計(jì)算一定測(cè)量 時(shí)間周期內(nèi)峰值電壓大于等于〇. 3 μ m粒徑檔甄別電壓Vl的脈沖總數(shù)Nl、峰值電壓大于一 個(gè)高于Vl的電壓值V2的脈沖個(gè)數(shù)N2,當(dāng)N2/N1達(dá)到50%時(shí)，即把電壓值V2作為0. 5 μ m 粒徑檔的甄別電壓；
[0021] 3)按照步驟2)的方法確定其他粒徑檔的甄別電壓；
[0022] 4)測(cè)量dx粒徑檔的數(shù)量濃度校正因子：以標(biāo)準(zhǔn)的塵埃粒子計(jì)數(shù)器作為參照儀器， 在相同測(cè)量條件下，計(jì)算相同測(cè)量周期內(nèi)本實(shí)用新型的氣溶膠粒子濃度傳感器和參照儀器 的d x粒徑檔的氣溶膠粒子計(jì)數(shù)值的比值，測(cè)試多組比值，取平均值作為氣溶膠粒子濃度傳 感器dx粒徑檔的數(shù)量濃度校正因子a x ;
[0023] 5)確定被測(cè)粒子的質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)根據(jù)步驟4)中的方法測(cè)量得到的4粒 徑檔粒子數(shù)量濃度為N，按下列公式計(jì)算D粒徑以下的氣溶膠粒子質(zhì)量濃度m :
[0024] m = 1.324x10 llDossi/;
[0025] 以標(biāo)準(zhǔn)的顆粒物質(zhì)量濃度檢測(cè)儀作為參照儀器，在相同條件下測(cè)量多組N和多組 m，經(jīng)過(guò)多次測(cè)量，算出密度P的平均值，作為質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換系數(shù);^
[0026] 6)測(cè)量dx粒徑檔的粒子數(shù)量濃度：在一定測(cè)量時(shí)間周期內(nèi)測(cè)量超過(guò)由步驟2)確 定的d x檔位甄別電壓的脈沖數(shù)Nx，并將Nx與dx檔位對(duì)應(yīng)的校正因子a x的乘積做為dx粒徑 檔的氣溶膠粒子的數(shù)量濃度Ndx ;
[0027] 7)測(cè)量D粒徑以下的粒子質(zhì)量濃度：由dx粒徑檔的粒子數(shù)量濃度Ndx和步驟5)確 定的粒子質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)i，按下列公式計(jì)算D粒徑以下的氣溶膠質(zhì)量濃度m :
[0028] /? = 1.324x10 NdJy
[0029] 與在先技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0030] (1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小巧，可任意集成到其他設(shè)備上。由于不需要復(fù)雜的光學(xué)元件 和機(jī)械零件，傳感器的體積小巧，重量輕，便于儀器的集成。
[0031] (2)成本低，便于加工。由于對(duì)零件的精度要求不高，光學(xué)元器件的減少都降低了 傳感器的制造成本，便于集成到民用產(chǎn)品；該結(jié)構(gòu)便于開(kāi)模加工，因此在大批量生產(chǎn)的情況 下可顯著降低生產(chǎn)成本。
[0032] (3)可同時(shí)測(cè)量氣溶膠粒子的數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度，充分滿足民用市場(chǎng)的需求。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0033] 圖1是本實(shí)用新型的氣溶膠粒子濃度傳感器示意圖；
[0034] 圖2是本實(shí)用新型的氣溶膠粒子濃度傳感器集成接口的示意圖；
[0035] 圖3是本實(shí)用新型的氣溶膠粒子濃度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036] 圖4是本實(shí)用新型的氣溶膠粒子濃度傳感器的上腔體的結(jié)構(gòu)圖；
[0037] 圖5是本實(shí)用新型的氣溶膠粒子濃度傳感器的上腔體光路通道示意圖；
[0038] 圖6是本實(shí)用新型的氣溶膠粒子濃度傳感器的上腔體氣路通道示意圖；
[0039] 圖7是本實(shí)用新型的氣溶膠粒子濃度傳感器的氣路通道遮擋外界光線的示意圖；
[0040] 圖8是本實(shí)用新型氣溶膠粒子濃度傳感器的光束、氣路通道與光電探測(cè)器示意 圖；
[0041] 圖9是本實(shí)用新型中氣溶膠粒子濃度傳感器的檢測(cè)方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042] 如圖1、2、3、4所示，氣溶膠粒子濃度傳感器包括用于提供光束的光路模塊，用于 引入被檢空氣的氣路模塊，用于分析和處理信號(hào)的信號(hào)處理模塊，光路模塊、氣路模塊和信 號(hào)處理模塊集成在一腔體內(nèi)。光路模塊包括光源1和光路通道41 ;氣路模塊包括氣路通道 42和風(fēng)機(jī)2 ;信號(hào)處理模塊包括光電探測(cè)器32、信號(hào)處理電路板33和集成接口 5。所述的 集成接口 5包括用于外接直流5V電源的第一電源接口端35和第二電源接口端36以及信 號(hào)輸出端37,信號(hào)輸出端37為本實(shí)用新型的總輸出端。第一電源接口端35和第二電源接 口端36接通電源后，信號(hào)輸出端37即有信號(hào)輸出。信號(hào)輸出端37將檢測(cè)結(jié)果通過(guò)電壓脈 沖信號(hào)的方式傳遞給所集成的裝置（如空氣凈化儀器或設(shè)備）。
[0043] 光源1米用體積小巧、功耗低、成本低的半導(dǎo)體激光器。風(fēng)機(jī)2米用葉片抽風(fēng)風(fēng)扇， 提供負(fù)壓使氣體流過(guò)檢測(cè)區(qū)域的裝置。
[0044] 信號(hào)處理電路板33上安裝了光源固定板31、光電探測(cè)器32。光源固定板31用 于固定光源1，并且設(shè)有光闌孔，以消除光束中的雜散光；光電探測(cè)器32采用響應(yīng)速度較高 的PIN型光電二極管，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)；信號(hào)處理電路板33上含有供電模塊和 散射光信號(hào)處理模塊，供電模塊為光源1和風(fēng)機(jī)2供電，散射光信號(hào)處理模塊對(duì)光電探測(cè)器 32輸出的電脈沖信號(hào)進(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)換以及電壓放大，從而形成適當(dāng)幅度的電壓脈沖信 號(hào)，用于后續(xù)分析和處理。
[0045] 圖5為光路通道41示意圖，其中箭頭表示光束的照射方向；激光光束經(jīng)過(guò)光路通 道41之后，進(jìn)入特定的光陷阱結(jié)構(gòu)而被吸收，以有效消除反射光干擾粒子散射光的檢測(cè)； 光陷阱可采用與光束方向成一定角度的空腔結(jié)構(gòu)，光束進(jìn)入該空腔后經(jīng)多次反射被完全吸 收。圖6為氣路通道42示意圖，其中箭頭表示氣體流動(dòng)方向；被測(cè)粒子從氣流入口進(jìn)入所 述的氣路通道42,經(jīng)過(guò)光束的照射之后，在風(fēng)機(jī)2的驅(qū)動(dòng)下從排氣口流出。所述的氣路通道 42在氣流入口和風(fēng)機(jī)2的出口處使用彎道結(jié)構(gòu)和擋板結(jié)構(gòu)，以防止外界光進(jìn)入傳感器內(nèi)部 而干擾粒子散射光的檢測(cè)，圖7所示為氣路通道42遮擋外界光線的示意圖，其中陰影部分 是外界光線能夠直接照射的區(qū)域，光電探測(cè)器32不在該區(qū)域內(nèi)。
[0046] 光源1發(fā)出的光束以貼近光電探測(cè)器32光敏面的形式經(jīng)過(guò)光敏面正上方，且保證 光束的焦面位于光敏面上方的中心位置；圖8為光束、氣路通道42與光電探測(cè)器32示意 圖，其中箭頭表示氣體流動(dòng)方向。氣路通道42保證含有被測(cè)粒子的氣體從光電探測(cè)器32 的上方流過(guò)，氣路通道尺寸大于光電探測(cè)器32光敏感區(qū)尺寸，使光電探測(cè)器32的光敏面能 夠充分探測(cè)到粒子散射光。
[0047] 本實(shí)用新型的氣溶膠粒子濃度傳感器的工作過(guò)程是：通電后，光源1發(fā)出激光束， 在光電探測(cè)器32的正上方形成照射區(qū)域，激光束通過(guò)光電探測(cè)器32上方之后進(jìn)入光陷阱； 含被測(cè)粒子的氣體在所述的風(fēng)機(jī)2驅(qū)動(dòng)下勻速地通過(guò)光電探測(cè)器32上方時(shí)被激光束照射 后發(fā)出散射光脈沖，該散射光脈沖被光電探測(cè)器32接收并轉(zhuǎn)化為電脈沖信號(hào)，信號(hào)處理模 塊將這個(gè)電脈沖信號(hào)進(jìn)行放大，從而形成具有適當(dāng)幅度的電壓脈沖信號(hào)。
[0048] 本實(shí)用新型氣溶膠粒子濃度檢測(cè)方法，通過(guò)對(duì)所述的氣溶膠粒子濃度傳感器輸出 的電壓脈沖信號(hào)進(jìn)行比較、計(jì)算、分析后，將分析結(jié)果輸出。該檢測(cè)方法包括以下步驟：
[0049] (1)確定0· 3 μ m粒徑檔的甄別電壓91 :
[0050] 在潔凈空氣中測(cè)量所述的氣溶膠粒子濃度傳感器輸出的噪聲脈沖信號(hào)。待氣溶膠 粒子濃度傳感器運(yùn)行穩(wěn)定后，取高于噪聲脈沖峰值的最大值為〇. 3 μ m粒徑檔的甄別電壓 為Vl ;
[0051] (2)確定0· 5 μ m粒徑檔的甄別電壓92 :
[0052] 在0.5μπι標(biāo)準(zhǔn)粒子氣溶膠中測(cè)量所述的氣溶膠粒子濃度傳感器輸出的脈沖信 號(hào)，待氣溶膠粒子濃度傳感器運(yùn)行穩(wěn)定后，計(jì)算一定測(cè)量時(shí)間周期內(nèi)峰值電壓大于等于 0. 3 μ m粒徑檔甄別電壓的脈沖總數(shù)Nl、峰值電壓大于一個(gè)高于Vl的電壓值V2的脈沖個(gè)數(shù) N2,當(dāng)N2/N1達(dá)到50%時(shí)，即把電壓值V2作為0. 5μπι粒徑檔的甄別電壓；
[0053] 。按照類似的方法確定其他粒徑檔的甄別電壓。
[0054] (3)測(cè)量dx粒徑檔的數(shù)量濃度校正因子93 :
[0055] 以標(biāo)準(zhǔn)的塵埃粒子計(jì)數(shù)器作為參照儀器，在相同條件下，計(jì)算相同測(cè)量周期內(nèi)本 實(shí)用新型的氣溶膠粒子濃度傳感器和參照儀器的d x粒徑檔的粒子計(jì)數(shù)值的比值，測(cè)試多組 比值，取其平均值作為氣溶膠粒子濃度傳感器dx粒徑檔的數(shù)量濃度校正因子a x。
[0056] (4)確定被測(cè)粒子的質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)94 :
[0057] 根據(jù)（3)中的方法測(cè)量得到的dx粒徑檔粒子數(shù)量濃度為N，按下列公式計(jì)算D粒 徑以下的氣溶膠粒子質(zhì)量濃度m :
【權(quán)利要求】
1. 一種氣溶膠粒子濃度傳感器，特征在于其構(gòu)成包括在一個(gè)腔體內(nèi)的光路模塊、氣路 模塊和信號(hào)處理模塊，所述的光路模塊包括：光源（1)和光路通道（41)，所述的氣路模塊， 包括風(fēng)機(jī)（2)與氣路通道（42)，所述氣路通道（42)的氣流入口處和氣流出口處設(shè)有彎道 結(jié)構(gòu)和擋板結(jié)構(gòu)，在所述的風(fēng)機(jī)（2)驅(qū)動(dòng)下含有氣溶膠粒子的氣體經(jīng)氣流入口、氣路通道 (42)從氣流出口輸出，所述的信號(hào)處理模塊包括光電探測(cè)器（32)、信號(hào)處理電路和集成接 口，所述集成接口包括第一電源接口端（35)、第二電源接口端（36)和信號(hào)輸出端（37)，所 述的第一電源接口端（35)、第二電源接口端（36)分別與所述的光源（1)和風(fēng)機(jī)（2)相連， 所述的光電探測(cè)器置于所述的氣路通道（42)中，所述的光源（1)發(fā)出的光照射在所述的光 電探測(cè)器（32)的光敏面上方的氣路通道（42)中，所述的氣路通道（42)的氣溶膠粒子產(chǎn)生 散射光，所述的光電探測(cè)器（32)將所述的散射光轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，所述的信號(hào)處理電路 對(duì)光電探測(cè)器輸出的電脈沖信號(hào)進(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)換以及電壓放大后，從所述的信號(hào)輸出 端（37)輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣溶膠粒子濃度傳感器，其特征在于所述氣路通道的橫截面 面積大于光電探測(cè)器的光敏面面積，使光電探測(cè)器的光敏面能夠充分探測(cè)到粒子散射光。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣溶膠粒子濃度傳感器，其特征在于所述的光源（1)為半導(dǎo) 體激光器。
【文檔編號(hào)】G01N15/06GK204165870SQ201420528761
【公開(kāi)日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年9月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月15日
【發(fā)明者】楊巍, 朱永康, 胡卓非, 王光輝, 張佩, 黃惠杰 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所