一種基於CCD／CMOS晶片的多功能顆粒物採樣裝置的製作方法

2023-08-10 20:41:56 1

(一)
技術領域：
本發明屬於環境監測
技術領域：
，涉及一種基於ccd/cmos晶片成像的多功能顆粒物採樣器，具體說，涉及基於撞擊原理的顆粒物濃度測量和基於顆粒物沉降的沉降通量測量。(二)
背景技術：
：當代流行病學研究表明，空氣汙染物中顆粒物的暴露與多種呼吸道及心血管疾病有著很強的關聯性，包括肺功能衰退、哮喘、心肌梗塞。同時，空氣中的顆粒汙染物會吸附空氣中能損害神經系統和致癌的有害物質，在空氣中傳播。撞擊式採樣器是顆粒物採樣的常用儀器，根據空氣動力學原理設計，採樣氣流經過撞擊盤時，其中較大的顆粒由於慣性作用，直接撞擊並停留在撞擊盤的表面，而較小的顆粒則隨空氣流穿過，到達下一級撞擊盤。不同空氣動力學粒徑的氣溶膠粒子根據空氣動力學原理被分離並採集到各級採樣膜上，傳統的方法需要將膜片取出，用精密天平和顯微鏡進行重量和顆粒物粒徑大小的分析。本發明將ccd/cmos晶片和撞擊盤相結合，直接在採樣的同時，通過對晶片成像的分析計算出捕獲顆粒物的粒徑分布及濃度。另外，空氣中的顆粒物沉降會對一些材料造成損壞，比如一些電子元器件，特別是在半導體工業中。同時，顆粒物在環境中沉降和再懸浮也對人員的暴露及健康有重要的影響。對於顆粒物沉降通量的測量，目前常用的方法有螢光法、中子活化分析(naa)以及質子激發x螢光光譜分析法(pixe)。這幾種方法操作起來都比較複雜，比如螢光法需要首先對顆粒物進行螢光標記，之後再萃取並進行螢光量的測量，而naa和pixe都對分析材料的要求很高且需要專用大型儀器。本發明將高解析度的ccd/cmos晶片暴露於空氣中，通過分析沉降顆粒物所遮擋的像素分布來計算不同粒徑顆粒物的沉降通量，為空氣中顆粒物沉降通量的測量提供了一種簡單、快捷的方法。(三)技術實現要素：解決的技術問題本發明的目的是提供一種多功能顆粒物採樣器；其可以實現對於撞擊板上採集顆粒物的粒徑分布進行直接測量，也可以實現空氣中顆粒物沉降通量的測量。技術方案為實現以上目的，本發明通過以下技術方案予以實現：(1).一種顆粒撞擊式單級採樣器，包括撞擊板、底座、噴嘴及ccd/cmos晶片。(2).底座為上端開口的筒狀結構，在筒狀結構底面或側壁上設置有出氣口；噴嘴設置於底座的上方，之間可拆卸，為兩端開口的筒狀結構，下端出口處的內部腔體的徑向尺寸大於上端的徑向尺寸。(3).撞擊板設置於噴嘴下方，安裝於底座之上，上表面安裝ccd/cmos晶片，同時晶片上貼保護膜並塗有粘附性材料。(4).噴嘴到撞擊板的距離與噴嘴直徑之比(s/d)為1～5；噴嘴長度與噴嘴直徑之比(l/d)為0～1；噴嘴的雷諾數re在500～3000範圍內。(5).在進行撞擊採樣時，底座的出氣口處接上抽氣泵，載帶顆粒物的空氣流經進氣口噴嘴射出後，由於受到碰撞板的阻擋將作曲線運動以繞開障礙物，當氣流發生轉彎時，氣流中所有大小的顆粒物因其慣性作用，都有在原有方向上保持直線運動的趨勢；顆粒物直徑越大，所具有的慣性也越大，顆粒物的截止距離越長，截止距離大到一定程度的顆粒物，有可能衝到撞擊板上，從而被撞擊板捕集；由於撞擊板上裝有ccd/cmos晶片，像素尺寸已知，通過統計被遮擋的像素尺寸和數目即可得到被撞擊板捕集的顆粒物粒徑分布，進一步根據採樣氣體的體積，求得被捕集顆粒物的濃度c(#/m3)；而比較小的顆粒可以跟隨氣流從出氣口排出，進一步到達濾紙而被收集或進入其他檢測儀器；撞擊採樣器的採集效率與s/d、l/d、re以及斯託克斯數stk有關，在步驟(4)的設置下，撞擊採樣器的採集效率主要由stk決定，採樣效率為50％的stk(50)在0.2～0.3之間，根據stk(50)的值及其表達式可求出此撞擊採樣器的切割直徑。(6).在進行沉降採樣時，將噴嘴拆除，直接將安裝有ccd/cmos晶片的底座暴露於需要進行沉降通量採樣的環境之中；同樣，通過統計ccd/cmos晶片上被遮擋的像素尺寸和數目得到顆粒物的粒徑分布，進一步根據沉降時間和晶片面積可以計算出沉降通量j(#/m2·h)。有益效果本發明將ccd/cmos晶片同撞擊採樣儀結合，通過圖像識別技術可以直接計算出撞擊採樣儀所捕集的顆粒物粒徑分布，補充了一般撞擊採樣儀僅僅通過切割粒徑來分離顆粒物的單一功能；提供了一種新的顆粒物沉降通量的測量方法，操作方便簡單。(四)附圖說明圖1為本發明結構示意圖。圖中1為噴嘴，2為塗有粘附性材料的保護膜，3為ccd/cmos晶片，4為撞擊板，5為底座。圖2為通過撞擊採樣的顆粒物在撞擊板cmos晶片上的成像圖像。圖3為cmos晶片上成像圖像的二值圖像。(五)具體實施方式下面結合附圖和實例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述，以下實例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。在閱讀了本發明講授的內容之後，本領域的技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落於本申請所附權利要求書所限定的範圍。(1).參閱圖1所示，本發明為一種基於ccd/cmos晶片的多功能顆粒物採樣裝置，其主要結構從上到下依次為：噴嘴、保護膜、ccd/cmos晶片、撞擊板、密封墊圈以及底座構成。(2).噴嘴1為兩端開口的筒狀結構，上端入口為圓柱形，下端出口處的徑向尺寸大於上端並和底座5通過螺栓連接，用密封墊圈6密封。(3).底座5同樣為兩端開口的筒狀結構，上端開口為圓柱形，和噴嘴1連接，下端設置出氣口。(4).撞擊板4通過鏤空支架安裝於底座之上，噴嘴之下；成像晶片採用cmos晶片，安裝於撞擊板之上，並附有保護膜和粘附性材料；晶片尺寸為3673.6μm×2738.4μm，像素為2592×1944，故每個像素的尺寸為1.4μm×1.4μm；通過在光照條件下觀察顆粒物覆蓋的像素點，即可得到顆粒物的尺寸，最小可以分辨到粒徑為1.4μm的顆粒。(5).噴嘴到撞擊板的距離與噴嘴直徑之比(s/d)為1，噴嘴長度與噴嘴直徑之比(l/d)為1；噴嘴流量q為3l/min，噴嘴直徑d為2.22mm，雷諾數re為1914。(6).載帶顆粒物的空氣通過撞擊板時，粒子是跟隨流體的流線還是與流線分離被撞擊板捕集，在本發明中主要由斯託克斯數stk決定，其中，ρp是氣溶膠顆粒物密度，dp是粒子直徑，u為噴嘴內的氣流速度，η為空氣的動力粘度，dj為噴嘴直徑；捕集效率為50％時，對應的顆粒物粒徑稱為等效切割直徑d(50)，可以認為大於d(50)的粒子全部被撞擊板捕集，而小於d(50)的粒子跟隨流體的流線從出氣口排出；捕集效率為50％時，對應的stk(50)＝0.23，根據公式即可求出等效切割直徑，在本發明中d(50)＝2.5μm。(7).將cmos傳感器表面保護膜擦淨，滴上粘附性油脂；將底座出口連接採樣泵，採樣流量為3l/min，採樣1min，得到cmos晶片表面成像，如圖2。(8).利用matlab軟體對圖像進行處理，分別進行圖像亮度調節、大津閾值分割、二值圖像填充，得到圖3。(9).對圖3做連通區域處理並對顆粒物編號，對不同編號顆粒所佔像素點的個數進行統計，由於像素點面積已知，可以得到不同編號顆粒物的面積a；根據公式可以得到相同投影面積的等效圓形顆粒的直徑de，進而得到不同粒徑顆粒物頻數及濃度分布，如表1所示。表1不同粒徑顆粒物頻數及濃度分布粒徑(μm)頻數(個)濃度(#/m3)3～5179596675～101214033310～25531766725～5093000＞5041333(10).本發明還可對顆粒物在環境中的沉降通量進行測量，將裝置的噴嘴拆除，直接將cmos晶片暴露於環境當中，讓顆粒物在其上沉降；以圖1為例，假設圖1為潔淨的cmos晶片在空氣中暴露120h之後的圖像，同樣根據步驟(8)、(9)可以得到不同粒徑顆粒物頻數分布，由公式n為顆粒物個數，t為暴露時間，s為cmos晶片面積，即可求出不同粒徑顆粒物的沉降通量分布，如表2所示。表2不同粒徑顆粒物頻數及沉降通量分布粒徑(μm)頻數(個)沉降通量(#/m2·h)3～51791491675～1012110083310～25534416725～5097500＞5043333當前第1頁12