一種大氣顆粒濃度的檢測裝置及檢測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種大氣顆粒濃度的檢測裝置及檢測方法，尤其涉及一種PM2. 5質量 濃度檢測裝置和檢測方法。
【背景技術】
[0002] 是衡量大氣污染程度的主要指標之一。目前PM2. 5的檢測方法主要由濾膜稱重 法、微振蕩天平法、0射線法和光散射法。濾膜稱重法測量時間長，不能實現在線自動測量。 微振蕩天平法和0射線法可以實現在線自動測量，但是，儀器結構復雜，體積比較大，不便 于攜帶，只適合于實驗室、監測站等固定場所的檢測。光散射法測量方便，體積小，但是測量 誤差比較大。
【發明內容】
[0003] 本發明所要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種小型化的大氣顆粒 濃度的檢測裝置及檢測方法。
[0004] 為解決以上技術問題，本發明采取如下技術方案： 一種大氣顆粒濃度的檢測裝置，所述的檢測裝置包括基板、用于收集大氣顆粒物諧振 板、設置在所述的基板上的第一反射鏡、設置在所述的諧振板上的第二反射鏡、用于連接所 述的基板與諧振板的支撐梁，所述的第一反射鏡和第二反射鏡之間形成光束干涉腔，所述 的支撐梁用于在交流驅動電壓的驅動下發生形變以使所述的諧振板震動，入射光依次通過 第一反射鏡和第二反射鏡，在第二反射鏡表面發生反射，形成反射光。
[0005] 優選地，所述的第一反射鏡和第二反射鏡相互平行設置。
[0006] 優選地，所述的干涉腔的初始光程差為入射光的波長一半的整數倍。
[0007] 優選地，所述的檢測裝置還包括分光棱鏡、用于產生入射光的光源、用于接收反射 光的光電探測器，所述的光源發出的入射光通過所述的分光棱鏡之后入射到第一反射鏡和 第二反射將之間的干涉腔內，反射光透過分光棱鏡后傳輸到所述的光電探測器的表面，測 得反射光的干涉光強。
[0008] 優選地，所述的第一反射鏡和第二反射鏡均為多層介質反射膜，由氮化硅薄膜、二 氧化硅薄膜和多晶硅薄膜組成。
[0009] 優選地，所述的諧振板為二氧化硅矩形板，所述的檢測裝置包括4個支撐梁，所述 的支撐梁一端通過一支撐柱固定在所述的基板上，另一端分別與所述的諧振板的四個頂點 相連接。
[0010] 優選地，所述的支撐梁包括二氧化硅支撐層、用于連接交流驅動電源的第一電極 層和第二電機層、設置在所述的第一電極層和第二電極層之間的形變層，所述的形變層用 于在交流驅動電壓的驅動下發生形變，以帶動所述的諧振板發生振動。
[0011] 優選地，所述的形變層為壓電陶瓷材料制成。
[0012] 本發明還涉及一種大氣顆粒濃度的檢測方法，所述的檢測方法采用上述大氣顆粒 濃度的檢測裝置，所述的檢測方法包括以下步驟：使用交流驅動電壓使所述的支撐梁發生 形變，從而帶動的諧振板發生震動，當檢測到的反射光的干涉光強的變化幅度最大時，所述 的驅動電壓的驅動頻率為諧振板的諧振頻率，根據諧振頻率的變化求出聚集在諧振板上的 大氣顆粒的質量，從而求出大氣中大氣顆粒的質量濃度。
[0013] 優選地，所述的干涉腔的初始光程差為入射光的波長一半的整數倍， 當入射光從基板進入干涉腔后，發射光的發生多光束干涉，反射光的干涉光強為： 其中，T0為入射光強，A為鏡面的反射率，J干涉腔的光程差，i為入射光源的波長，當 J干涉腔的光程差為入射光的波長一半的整數倍時，所述的反射光的干涉光強為〇， 當支撐梁在電壓驅動下發生形變，使得整個支撐梁向上彎曲，從而將諧振器抬高，改變 干涉腔的光程差，由公式（1)可求得此時反射光的干涉光強為： 其中，A為由于支撐梁的彎曲導致諧振器發生的位移，當檢測到的干涉光強變化幅度 最大時，諧振器的諧振頻率為驅動電壓的驅動頻率，諧振器的諧振頻率用公式表示為： 其中，K為有效勁度系數，m為諧振板的有效質量，當諧振板的有效質量發生變化的時 候，諧振板的諧振振動頻率也發生變化，對公式（3 )求一階導數可得到諧振頻率變化與有效 質量變化之間的關系： 因此得出聚集在諧振板上的大氣顆粒物的質量為： 從大氣顆粒物的質量求出大氣顆粒濃度。
[0014] 由于以上技術方案的采用，本發明與現有技術相比具有如下優點： 本發明利用諧振板的諧振頻率的變化求出聚集在諧振板上空氣顆粒質量的變化，從而 求出大氣顆粒濃度。本發明使用的裝置結構簡單，操作簡單，實現了PM2. 5檢測儀器的小型 化，同時克服了現有技術中光散射法測量誤差較大的缺點。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明所述的一種空氣顆粒檢測裝置的結構示意圖； 圖2為本發明所述的基板和第一反射鏡的結構示意圖； 圖3為本發明所述的諧振板和第二反射鏡的結構示意圖； 圖4為干涉腔的結構示意圖； 圖5 (a)為支撐梁的結構示意圖； 圖5 (b)為支撐梁的在震動時的結構示意圖； 圖6為所述的檢測裝置在震動時的結構示意圖； 圖7為所述的檢測裝置工作狀態的示意圖， 100、基板；101、第一反射鏡；101a，202a、氮化硅薄膜；101b，202b、二氧化硅薄膜； 101c，202c、多晶硅薄膜；200、諧振器；201、諧振板；202、第二反射鏡；300、支撐梁；301、支 撐柱；302、二氧化硅支撐層；303、第一電極層；304、形變層；305、第二電極層；401、入射光； 402、反射光；5、光源；6、分光棱鏡；7、光電探測器；8、光電檢測器。
【具體實施方式】
[0016] 以下結合具體實施例對本發明做進一步詳細說明。應理解，這些實施例是用于說 明本發明的基本原理、主要特征和優點，而本發明不受以下實施例的范圍限制。實施例中采 用的實施條件可以根據具體要求做進一步調整，未注明的實施條件通常為常規實驗中的條 件。
[0017] 如圖所示為本發明所述的一種空氣顆粒檢測裝置，所述的檢測裝置包括基板100、 設置在基板1〇〇的上側的用于收集大氣顆粒物諧振器200、設置在所述的基板100上的第一 反射鏡101，所述的諧振器200包括諧振板201、設置在所述的諧振板201上的第二反射鏡 202、用于連接所述的基板100與諧振板201的支撐梁300,所述的第一反射鏡101與第二反 射鏡202相互平行設置。所述的第一反射鏡101和第二反射鏡202均為多層介質反射膜， 由氮化硅薄膜l〇la，202a、二氧化硅薄膜101b，202b和多晶硅薄膜101c，202c組成，優選地， 諧振器200從上至下依次設置有多晶硅薄膜202c、二氧化硅薄膜202b、氮化硅薄膜202a、諧 振板201，所述的基板100上從上至下依次設置有多晶硅薄膜101c、二氧化硅薄膜202a、氮 化娃薄膜l〇la。所述的基板100為石英材料制成。
[0018] 所述的諧振板201為二氧化硅矩形板，所述的支撐梁300由4個，支撐梁300的一 端通過支撐柱301固定在所述的基板100上，另一端分別與所述的諧振板201的四個頂點 相連接，所述的支撐梁300分別設置在諧振板201的四邊周圍。優選地，諧振板201由長和 寬為50微米、厚度為1微米的二氧化硅矩形板。
[0019] 所述的支撐梁300包括二氧化硅支撐層302、用于連接交流驅動電源的第一電極 層303和第二電機層、設置在所述的第一電極層303和第二電極層305之間的形變層304， 優選地，所述的形變層304為PZT層，即所述的形變層304為壓電陶瓷材料制成。
[0020] 所述的第一反射鏡101和第二反射鏡202之間形成光束干涉腔，所述的支撐梁300 的第一電極層303和第二電極層305在連通交流驅動電壓時，所述的形變層304發生形變， 所述四個支撐梁300的形變層30