一種基于微流控的便攜式PM2．5檢測裝置及方法與流程

本發明涉及微流控和空氣檢測技術領域，具體是基于微流控的PM2.5檢測技術。

背景技術：

細顆粒物PM2.5(空氣動力學直徑小于或等于2.5μm的大氣顆粒物)對人體健康和大氣環境質量的影響很大，目前家用PM2.5檢測儀大多數的檢測值存在10%-20%的誤差。 常用的最直接、最可靠的檢測PM2.5的方法是重量法，重量法對細小顆粒物截留效率高，測定結果準確。中國發明專利申請號為CN201410572838.8的文獻中提出了一種基于微量振蕩天平技術的PM2.5檢測裝置，空氣通過進氣道進入PM2.5切割頭內，空氣動力學直徑小于或等于2.5 μm的大氣顆粒物可以通過PM2.5切割頭內進入測試腔內，且位于石英微天平的正上方，由石英微天平測出PM2.5的質量；但是此裝置缺少濾膜來富集PM2.5顆粒，PM2.5顆粒難以全部被石英微天平的敏感表面吸收；此外，石英微天平價格高昂，不適宜家用，性價比不高。

技術實現要素：

本發明的目的是針對目前PM2.5檢測裝置所存在的缺陷，提出一種具有微量采樣、實時監測、操作簡單、自動化程度高、性價比高的基于微流控的便攜式PM2.5檢測裝置及方法。

本發明一種基于微流控的便攜式PM2.5檢測裝置采用的技術方案是：包括一個垂直向下的微型泵，微型泵正下方連接PM2.5切割器，PM2.5切割器正下方連接自動更換濾膜裝置；微型泵由桶身、第一線圈、推拉桿、把手和軟質活塞、硬質活塞組成，最外部是鐵質桶身，桶身的外壁表面上纏繞第一線圈，桶身外部上方是固定連接推拉桿上端的永磁把手，推拉桿下端向下伸入桶身內部且固定連接軟質活塞和硬質活塞，軟質活塞位于硬質活塞的側下方且兩者有局部上下緊密貼合在一起；自動更換濾膜裝置1的外部是鐵質桶身，上半部分的外壁表面纏繞第二線圈，下半部分內部設置水平的圓盤形載膜轉盤，載膜轉盤正中間通過十字型槽有間隙地套在垂直布置的十字架連接柱上，載膜轉盤盤面上沿圓周方向均勻布置n個導電濾膜，n≥2，待測的第一個導電濾膜能夠接觸導線的兩端，導線通過鐵片與自動更換濾膜裝置的桶身固定連接，導線從自動更換濾膜裝置的桶身內部向外伸出后連接阻抗測量電路；在自動更換濾膜裝置的桶身外部正下方設置步進電機，步進電機輸出軸向上伸入桶身內部固定連接所述十字架連接柱的下端；所述第一線圈、第二線圈、阻抗測量電路和步進電機分別連接控制器。

本發明一種基于微流控的便攜式PM2.5檢測裝置的檢測方法采用的技術方案是：包含以下步驟：

1）建立PM2.5質量和導電濾膜阻抗值的關系模型，將關系模型以及導電濾膜未吸附PM2.5顆粒時的阻抗值作為基準值預設于控制器中；

2）控制器控制第一線圈通交流電，把手進行周期性的上下運動，將空氣泵入PM2.5切割器中，第一線圈斷電；PM2.5從PM2.5切割器中分離出來進入自動更換濾膜裝置中，控制器給第二線圈通電，載膜轉盤向上運動至十字架連接柱上端；

3）PM2.5被半球形橡膠通道正下方的待測量的第一個導電濾膜吸附，阻抗測量電路測得導電濾膜的阻抗值并輸入控制器中，控制器將此阻抗值與基準值做比較，判斷該導電濾膜阻抗是否發生變化，若阻抗值發生改變，則根據所述PM2.5質量和導電濾膜阻抗值的關系模型得出導電濾膜上吸附的PM2.5的質量,計算出PM2.5濃度。

本發明與已有方法和技術相比，具有如下優點：

（1）本發明采用微型泵為電磁驅動方式，作為采樣器，所需樣品少，大大減少了檢測時間，減少了人工操作，與電機驅動方式相比，電磁驅動方式功耗小，節約能源。

（2）本發明采用導電濾膜來吸附PM2.5，對細小顆粒物截留效率高，在常規濾膜的基礎上加上一層不銹鋼絲網使得濾膜具有導電性能，并且根據導電濾膜阻抗性質的變化得到濾膜上吸附的PM2.5的質量，阻抗測量電路將數據傳送給計算機，由計算機得出導電濾膜的阻抗，測定結果高效準確。

（3）本發明采用自動更換濾膜裝置來實現濾膜的自動更換，濾膜在進行更換的過程中會通過十字架通道上下移動，十字架通道的設計限制了載膜轉盤的自由度，保證了載膜轉盤在上下移動的過程中保持水平狀態；自動更換濾膜是在步進電機的驅動下實現的，步進電機的運作是由控制器程序控制，可實現在指定時間運作和停止，可以長時間的進行監測，大大延長了裝置的使用時間，減少了人工操作，自動化程度高。

（4）本發明先通過不同時間和不同地點的實驗數據得到導電濾膜的阻抗與濾膜上吸附的PM2.5質量的關系模型，并將該模型應用于檢測，保證了測定結果的準確。

（5）為了使濾膜能夠更好的吸附PM2.5，在自動更換濾膜裝置與PM2.5切割器之間還增加了半球形的橡膠通道，能夠和導電濾膜更好地連接和貼合。

（6）本發明中的導電濾膜通過導線連接到阻抗測量電路中，導線與濾膜接觸的部分是由導電材料制成的網狀結構，大大加大了導電濾膜與導線的接觸面積，增強了導電性能。

附圖說明

圖1本發明一種基于微流控的便攜式PM2.5檢測裝置的總體結構示意圖；

圖2是圖1中微型泵與推拉桿等關聯部件的結構放大示意圖；

圖3是圖2中推拉桿向下運動原理示意圖；

圖4是圖2中推拉桿向上運動原理示意圖；

圖5是圖1中PM2.5切割器的內部結構放大示意圖；

圖6是圖1中載膜轉盤的上盤與下底盤的結構分解放大示意圖；

圖7是圖1中待檢測的導電濾膜的連接示意圖；

圖8是圖1中載膜轉盤的受控以及動作原理示意圖。

附圖中各部件的序號和名稱：1：微型泵，2：微型泵上纏繞的線圈，3：微型泵的推拉桿，4：微型泵的把手，5:推拉桿下端的軟質活塞,6:推拉桿下端的硬質活塞,7:微型泵內部的光滑材料涂層,8:微型泵與PM2.5切割器的連接部分, 11:PM2.5切割器,12:孔隙,13:涂有硅膠的沖擊板,14:切割板,15:PM2.5切割器和自動更換濾膜裝置的連接部分,16：半球形橡膠通道,17:自動更換濾膜裝置,18:自動更換濾膜裝置圓筒上纏繞的線圈,19:載膜轉盤,20:載膜轉盤的上盤，21：載膜轉盤上盤的濾膜口,22:載膜轉盤的下底盤，23：載膜轉盤下底盤的放置膜的凹槽，24：導電濾膜，25:導線，26：鐵片，27：阻抗測量電路，28：十字架連接柱，29：十字架通道與電機的連接處，30：步進電機，31：控制器。

具體實施方式

參見圖1，本發明一種基于微流控的便攜式PM2.5檢測裝置包括上方的微型泵1、中間的PM2.5切割器11和下方的自動更換濾膜裝置17三個部分。微型泵1垂直向下，PM2.5切割器11置于微型泵1的正下方，微型泵1的出口和PM2.5切割器11進口之間通過連接部分8連接。自動更換濾膜裝置17置于PM2.5切割器11的正下方，PM2.5切割器11的出口和自動更換濾膜裝置17進口之間通過連接部分15連接。微型泵1由桶身、線圈2、推拉桿3、把手4和軟質活塞5、硬質活塞6組成；微型泵1的外部是桶身，桶身為鐵質材料，在桶身的外壁表面上纏繞線圈2，線圈2通過控制線連接控制器31，由控制器31控制線圈2通電或斷電。桶外部上方是把手4，把手4固定連接推拉桿3上端，推拉桿3下端向下從微型泵1頂端垂直伸入桶內部。把手4是由永磁性質的材料制成的，下端為N極，上端為S極。當控制器31給線圈2通上周期性變化的交流電時，在交流電的正半周期，桶身頂端能感應出N極，與把手4的下端N極相斥，使推拉桿3向上運動到最高點，在交流電的負半周期，桶身頂端感應出S極，與把手4的下端N極相吸，使推拉桿3向下運動到最低點。通過推拉桿3的周期性上下運動，將空氣泵入正下方的PM2.5切割器11中，PM2.5切割器11使得只有空氣動力學直徑小于或等于2.5μm的大氣顆粒物才能到達出口，達到分離出PM2.5的目的。

自動更換濾膜裝置17的外部是桶身，桶身的上半部分為鐵質材料，在桶身的上半部分的外壁表面纏繞線圈18，線圈18通過控制線連接控制器31，由控制器31控制線圈18通電或斷電。在桶身的內部下半部分設置水平的載膜轉盤19，載膜轉盤19是圓盤形，由鋁制材料制成，在載膜轉盤19的盤面上，沿圓周方向有間隔地均勻布置n個導電濾膜24，n≥2。其中，待測的第一個導電濾膜24能夠接觸連接導線25的兩端，導線25通過鐵片26與自動更換濾膜裝置17固定，并且導線25從自動更換濾膜裝置17的桶身內部向外伸出，導線25伸出后連接位于自動更換濾膜裝置17外部的阻抗測量電路27，阻抗測量電路27通過信號線控制器31。在桶身外部的正下方設置步進電機30，步進電機30通過控制線連接控制器31，由控制器31帶動轉動。步進電機30的輸出軸向上伸入桶身內部固定連接垂直布置的十字架連接柱28的下端，載膜轉盤19的正中間通過十字型槽有間隙地套在十字架連接柱28上，載膜轉盤19能沿十字架連接柱28同軸上下滑動，同時當步進電機30旋轉，通過十字架連接柱28帶動載膜轉盤19旋轉。

檢測開始時，控制器31給線圈18通上電，線圈18通電后，載膜轉盤19被吸引至一定高度。一次檢測結束，給線圈18斷電，載膜轉盤19由于重力作用，通過十字架連接柱28向下滑至底端，由控制器31控制步進電機30啟動，十字架連接柱28帶動載膜轉盤19轉動，將下一片待測導電濾膜24旋轉至指定位置后，步進電機30停止轉動。

PM2.5從PM2.5切割器11的出口進入自動更換濾膜裝置17中，由第一個待測導電濾膜24吸附，通過阻抗測量電路27測量該測導電濾膜24，阻抗測量電路27將測量數據傳送給計算機，計算機得出濾膜阻抗，并應用導電濾膜24的阻抗與濾膜上所吸附的PM2.5質量的關系模型得到所吸附的PM2.5的質量。

參見圖2，有兩根平行的推拉桿3，兩根推拉桿3的上端固定連接把手4，兩根推拉桿3的下端在微型泵1的桶身內部，一根推拉桿3的下端固定連接軟質活塞5，另一根和硬質活塞6，軟質活塞5位于硬質活塞6的側下方，并且軟質活塞5和硬質活塞6有局部上下緊密貼合在一起，軟質活塞5和硬質活塞6的局部外壁與微型泵1的桶身內壁接觸處密封，軟質活塞5和硬質活塞6可沿接觸微型泵1的桶身內壁上下。微型泵1的桶身內壁還涂有一層光滑材料涂層7，減小活塞上下運動時的阻力。

參見圖3和圖1，推拉桿3向下運動時，軟質活塞5和硬質活塞6這兩個活塞下方的壓強遠遠大于活塞上方的壓強，軟質活塞5由于受到上下壓強差而向上緊緊貼合硬質活塞6，如圖3中的箭頭所示，而硬質活塞6則并沒有受到上下壓強差的影響，空氣由微型泵1出口被泵入PM.5切割器11中。

參見圖4和圖1，微型泵3向上運動時，軟質活塞5和硬質活塞6這兩個活塞下方的壓強遠遠小于活塞上方的壓強，軟質活塞5由于受到上下壓強差而向下脫離硬質活塞6，而硬質活塞6則并沒有受到上下壓強差的影響。空氣由微型泵1外部泵入微型泵1的桶身內部。

參見圖5，PM2.5切割器11的內部示意圖。PM2.5切割器11的外部是殼體，在殼體內部上段的內壁上固定有水平的切割板14，切割板14的板面上開有一個孔隙12，孔隙12不在切割板14正中間，偏向一側，在孔隙12的下方設有涂有硅膠的沖擊板13。從PM2.5切割器11進口向下進入的氣流，通過孔隙12后到達涂有硅膠的沖擊板13上，受到沖擊板13的阻擋呈曲線運動，由于各種顆粒的粒徑不同，所以顆粒慣性存在差異，粒徑較大的粒子動量大、慣性大，在曲線運動中有較大的概率被沖擊板13上的硅膠捕獲，粒徑小的粒子被捕獲的幾率小或者直接隨氣流流出PM2.5切割器11出口，從而達到分離空氣中PM2.5的目的。

參見圖6和圖1，載膜轉盤19由上盤20和下底盤22組成，上盤20和下底盤22通過螺絲組裝在一起。在上盤20的盤面上，沿圓周方向均勻開了n個上下貫通的圓形空心濾膜口21，濾膜口21的內徑大小略小于導電濾膜24的外徑。在下底盤22的盤面上，沿圓周方向均勻開了n個圓形凹槽23，這n個圓形凹槽23的位置與n個濾膜口21的位置上下一一對應，在每個圓形凹槽23上放置有一個圓形的導電濾膜24。導電濾膜24是在常規濾膜的基礎上加上一層不銹鋼絲網制成的，結合了常規濾膜吸附顆粒的功能和不銹鋼絲網導電的功能，待測量的第一個導電濾膜24通過有導電功能的不銹鋼絲網正好接觸上圖1中被鐵片26固定住的導線25，不銹鋼絲網加大了導線25與導電濾膜24的接觸面積。

參見圖7和圖1，自動更換濾膜裝置17的進口處通過半球形橡膠通道16連接導電濾膜24，半球形橡膠通道16的上端是管狀通道，與PM2.5切割器11的出口固定相連接并相通，半球形橡膠通道16的下端是半球形通道，半球形通道位于待測量的一個導電濾膜24的正上方，并且盡量貼在待測量的第一個導電濾膜24上表面但不固定。

參見圖8和圖1，連接于載膜轉盤19正中間的十字架連接柱28，其水平截面是十字型，其上端套在載膜轉盤19中間所開有的十字型槽中，其下端中心通過連接件29與步進電機30的輸出軸同軸固定相連。在控制器31控制線圈18通電時，載膜轉盤19在磁場的作用被吸附，向上作運動，直至運動到十字架連接柱28的上端，此時，步進電機30不工作。在線圈18斷電時，載膜轉盤19由于重力，順著十字架連接柱28向下滑至下端，此時，步進電機30在控制器31的控制下開始旋轉一次，使載膜轉盤19旋轉36°，將下一片待測導電濾膜24旋轉至第一片導電濾膜24的位置，此時，下一片待測導電濾膜24正好位于半球形橡膠通道16的正下方，并且下一片待測導電濾膜24與導線25相接觸導通。在線圈18再次通電時，載膜轉盤19被再次吸至十字架連接柱28的頂端，如此往復。

參見圖1至圖8，本發明基于微流控的便攜式PM2.5檢測裝置在檢測之前，利用阻抗測量電路27測得導電濾膜24未吸附PM2.5顆粒時的阻抗值，并將該阻抗值作為阻抗基準值A預設于控制器31中。

選擇合適的交流電頻率加在微型泵1上纏繞的線圈2上，控制器31控制線圈2通電，使得把手4進行周期性的上下運動，把手4向上運動時到達頂端，向下運動時到達底端，將空氣泵入PM2.5切割器11中，線圈2持續通電3min后先自動斷電停止，完成空氣泵入。把手4每上下運動一次泵入的空氣的體積為微型泵1的體積V，控制器31根據公式C=M/V和V=1/6πd3t可計算出當時當地空氣中PM2.5的含量，其中V是一次泵入微型泵1的空氣的體積，d是微型泵1的桶身內徑，t是泵入空氣的時長，C是空氣中PM2.5的濃度，M是泵入空氣中PM2.5的質量。導電濾膜24上所吸附的PM2.5質量與導電濾膜24的阻抗值存在一定的關系，在不同地點和不同時間段，通過阻抗測量電路27測量得到導電濾膜24所吸附的PM2.5質量，通過不同地點和不同時間的實驗，得到多組導電濾膜24上所吸附的PM2.5質量與導電濾膜24的阻抗值的數據，將這多組數據進行數據擬合，建立了PM2.5質量和阻抗值的關系模型，并將關系模型預設于控制器31中。

阻抗測量電路27測得導電濾膜24阻抗的通用計算公式是：，其中，是由四點測量電壓導出的四點阻抗，是由兩點測量電壓導出的兩點阻抗，Ri是測量電路的內阻抗。

檢測時，控制器31控制線圈2通電，把手4進行周期性的上下運動，將空氣泵入PM2.5切割器11中，經過PM2.5切割器11中的孔隙12和涂有硅膠的沖擊板13上，粒徑小的粒子直接隨氣流流出PM2.5切割器11出口，從PM2.5切割器11中分離出空氣中PM2.5，PM2.5向下進入自動更換濾膜裝置17中。

同時，控制器31給線圈18通電，載膜轉盤19向上作運動直至運動到十字架連接柱28的上端。同時，自動更換濾膜裝置17中的PM2.5，經過半球形橡膠通道16，被半球形橡膠通道16正下方的待測量的一個導電濾膜24吸附。導電濾膜24的阻抗發生變化，阻抗測量電路27相應的參數也發生改變，阻抗測量電路27將參數輸入控制器31中，得到此時該待測量的導電濾膜24的阻抗值。控制器31將此時待測量的導電濾膜24的阻抗值與阻抗基準值A做比較，判斷該導電濾膜24阻抗是否發生變化，若發生改變，則根據PM2.5質量和阻抗值的關系模型得出第一個導電濾膜24上吸附的PM2.5的質量M,再根據公式C=M/V計算出第一個PM2.5濃度C，V是一次泵入微型泵1的空氣的體積。

若沒有發生改變，控制器31給線圈18斷電，載膜轉盤19沿十字架通道28向下滑落，控制器31控制步進電機30啟動，旋轉360°/n后自動停止，下一片導電濾膜24轉至待測量位置，進行下次測量。然后控制器31重復又一次控制線圈2通電，進行下次測量。