氣溶膠粒子濃度傳感器及其檢測方法
2023-07-25 06:32:51
氣溶膠粒子濃度傳感器及其檢測方法
【專利摘要】一種氣溶膠粒子濃度傳感器及檢測方法，包括在一個腔體內的光路模塊、氣路模塊和信號處理模塊組成，光路模塊包括：光源和光路通道，氣路模塊，包括風機與氣路通道，氣路通道的氣流入口處和氣流出口處設有彎道結構和擋板結構，在風機驅動下含有氣溶膠粒子的氣體經氣流入口、氣路通道從氣流出口輸出，信號處理模塊包括光電探測器、信號處理電路和集成接口，光電探測器置於氣路通道中，光源發出的光照射在光電探測器的光敏面上方的氣路通道中，信號處理電路對光電探測器輸出的電脈衝信號進行電流-電壓轉換以及電壓放大後，從信號輸出端輸出。本發明體積小巧，重量輕，可同時測量氣溶膠粒子的數量濃度和質量濃度，充分滿足民用市場的需求。
【專利說明】氣溶膠粒子濃度傳感器及其檢測方法
【技術領域】
[0001] 本發明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方法。
【背景技術】
[0002] 氣溶膠是指大氣與懸浮於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境空氣品質。彈性光散射測量法具有速度快、 靈敏度高等特點，是監測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 發生散射，散射光強度和粒子大小有一個基本規律，就是微粒散射光的強度隨微粒的表面 積的增加而增大。這樣只要測定散射光的強度就可推知粒子的大小。
[0003] 採用彈性光散射測量法的氣溶膠粒子濃度傳感器的基本工作過程如下：空氣中的 粒子在光束的照射下會產生與粒子大小成比例的散射光信號，該散射光信號通過光電探測 器和前置放大電路後轉換為適當幅度的電壓脈衝信號，再經過電子線路的甄別，從而完成 對電脈衝信號的分檔計數。此時，電壓脈衝數量對應於微粒的個數，電壓脈衝的幅值對應於 粒子的大小。
[0004] 在先技術的採用彈性光散射測量法的氣溶膠粒子濃度傳感器存在如下缺點：
[0005] (1)結構複雜，體積大。現有的氣溶膠粒子濃度傳感器大多採用複雜的光學結構實 現散射光信號的收集，採用複雜的包含進氣嘴與出氣嘴的氣路結構把氣溶膠粒子引入傳感 器，氣路結構中還有提供氣流的採樣泵。這些都使得氣溶膠粒子濃度傳感器的結構複雜、體 積大。
[0006] (2)成本高。現有的氣溶膠粒子濃度傳感器由於採用了複雜的光路結構與氣路結 構，所以對光學零件與機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 在民用領域的廣泛應用。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的在於克服在先技術的不足，提供一種氣溶膠粒子濃度傳感器及其檢 測方法，該傳感器能滿足民用空氣品質檢測要求，具有結構簡單、製造容易、成本低的特點。
[0008] 本發明的技術解決方案如下：
[0009] -種氣溶膠粒子濃度傳感器，特點在於其構成包括在一個腔體內的光路模塊、氣 路模塊和信號處理模塊，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 機與氣路通道，所述氣路通道的氣流入口處和氣流出口處設有彎道結構和擋板結構，在所 述的風機驅動下含有氣溶膠粒子的氣體經氣流入口、氣路通道從氣流出口輸出，所述的信 號處理模塊包括光電探測器、信號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 光源和風機相連，所述的光電探測器置於所述的氣路通道中，所述的光源發出的光照射在 所述的光電探測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生散射 光，所述的光電探測器將所述的散射光轉換為電脈衝信號，所述的信號處理電路對光電探 測器輸出的電脈衝信號進行電流-電壓轉換以及電壓放大後，從所述的信號輸出端輸出。 [0010] 所述光源為半導體雷射器。
[0011] 所述的風機用於使氣路模塊產生氣流。
[0012] 所述氣路通道在氣流入口處和出口處設有彎道結構和擋板結構，以防止外界雜光 進入幹擾粒子散射光的檢測。
[0013] 所述光電探測器用於將散射光信號轉換為電脈衝信號。
[0014] 所述信號處理電路對光電探測器輸出的電脈衝信號進行電流-電壓轉換以及電 壓放大。
[0015] 所述氣路通道的橫截面面積大於光電探測器光敏面面積，使光電探測器的光敏面 能夠充分探測到粒子散射光。
[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輸出端。
[0017] 所述的光路模塊、氣路模塊和信號處理模塊集成在一個腔體內。
[0018] 一種氣溶膠粒子濃度檢測方法，該檢測方法包括以下步驟：
[0019] 1)確定0.3μπι粒徑檔的甄別電壓：在潔淨空氣中測量所述的氣溶膠粒子濃度傳 感器輸出的噪聲脈衝信號，待氣溶膠粒子濃度傳感器運行穩定後，取〇. 3 μ m粒徑檔的甄電 壓VI略高於噪聲脈衝峰值的最大值；
[0020] 2)確定0. 5 μ m粒徑檔的甄別電壓：在0. 5 μ m標準粒子氣溶膠中測量所述的氣溶 膠粒子濃度傳感器輸出的脈衝信號，待氣溶膠粒子濃度傳感器運行穩定後，計算一定測量 時間周期內峰值電壓大於等於〇. 3 μ m粒徑檔甄別電壓VI的脈衝總數N1、峰值電壓大於一 個高於VI的電壓值V2的脈衝個數N2,當N2/N1達到50%時，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)測量dx粒徑檔的數量濃度校正因子：以標準的塵埃粒子計數器作為參照儀 器，在相同測量條件下，計算相同測量周期內本發明的氣溶膠粒子濃度傳感器和參照儀器 的4粒徑檔的氣溶膠粒子計數值的比值，測試多組比值，取平均值作為氣溶膠粒子濃度傳 感器d x粒徑檔的數量濃度校正因子ax ;
[0023] 5)確定被測粒子的質量濃度轉換係數^ :根據步驟4)中的方法測量得到 的dx粒徑檔粒子數量濃度為N，按下列公式計算D粒徑以下的氣溶膠粒子質量濃度m :
【權利要求】
1. 一種氣溶膠粒子濃度傳感器，特徵在於其構成包括在一個腔體內的光路模塊、氣路 模塊和信號處理模塊，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， 包括風機（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有彎道 結構和擋板結構，在所述的風機（2)驅動下含有氣溶膠粒子的氣體經氣流入口、氣路通道 (42)從氣流出口輸出，所述的信號處理模塊包括光電探測器（32)、信號處理電路和集成接 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)和風機（2)相連， 所述的光電探測器置於所述的氣路通道（42)中，所述的光源（1)發出的光照射在所述的光 電探測器（32)的光敏面上方的氣路通道（42)中，所述的氣路通道（42)的氣溶膠粒子產生 散射光，所述的光電探測器（32)將所述的散射光轉換為電脈衝信號，所述的信號處理電路 對光電探測器輸出的電脈衝信號進行電流-電壓轉換以及電壓放大後，從所述的信號輸出 端（37)輸出。
2. 根據權利要求1所述的氣溶膠粒子濃度傳感器，其特徵在於所述氣路通道的橫截面 面積大於光電探測器的光敏面面積，使光電探測器的光敏面能夠充分探測到粒子散射光。
3. 根據權利要求1所述的氣溶膠粒子濃度傳感器，其特徵在於所述的光源（1)為半導 體雷射器。
4. 利用權利要求1所述的氣溶膠粒子濃度傳感器進行氣溶膠粒子濃度的檢測方法，該 檢測方法包括以下步驟： 1) 確定0. 3ym粒徑檔的甄別電壓：在潔淨空氣中測量所述的氣溶膠粒子濃度傳感器 輸出的噪聲脈衝信號，待氣溶膠粒子濃度傳感器運行穩定後，取噪聲脈衝峰值的最大值為 0. 3iim粒徑檔的甄電壓Vl; 2) 確定0. 5ym粒徑檔的甄別電壓：在0. 5ym標準粒子氣溶膠中測量所述的氣溶膠粒 子濃度傳感器輸出的脈衝信號，待氣溶膠粒子濃度傳感器運行穩定後，計算一定測量時間 周期內峰值電壓大於等於〇. 3ym粒徑檔甄別電壓Vl的脈衝總數Nl、峰值電壓大於一個高 於￥1的電壓值￥2的脈衝個數吧，當吧/^1達到50%時，即把電壓值￥2作為0.511111粒徑 檔的甄別電壓； 3) 按照步驟2)的方法確定其他粒徑檔的甄別電壓； 4) 測量dx粒徑檔的數量濃度校正因子：以標準的塵埃粒子計數器作為參照儀器，在相 同測量條件下，計算相同測量周期內本發明的氣溶膠粒子濃度傳感器和參照儀器的dx粒徑 檔的氣溶膠粒子計數值的比值，測試多組比值，取平均值作為氣溶膠粒子濃度傳感器dx粒 徑檔的數量濃度校正因子ax; 5) 確定被測粒子的質量濃度轉換係數根據步驟4)中的方法測量得到的dx粒徑檔 粒子數量濃度為N，按下列公式計算D粒徑以下的氣溶膠粒子質量濃度m:
以標準的顆粒物質量濃度檢測儀作為參照儀器，在相同條件下測量多組N和多組m，經 過多次測量，算出密度P的平均值作為質量濃度轉換係數^ ; 6) 測量4粒徑檔的粒子數量濃度：在一定測量時間周期內測量超過由步驟2)確定的 dx檔位甄別電壓的脈衝數Nx，並將Nx與dx檔位對應的校正因子ax的乘積做為dx粒徑檔的 氣溶膠粒子的數量濃度Ndx ; 7)測量D粒徑以下的粒子質量濃度： 由dx粒徑檔的粒子數量濃度Ndx和步驟5)確定的粒子質量濃度轉換係數i，按下列公 式計算D粒徑以下的氣溶膠質量濃度m: m = 1.324 xl〇-9 Dogs d;15 Ndx p
【文檔編號】G01N15/06GK104266947SQ201410468069
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月15日 優先權日:2014年9月15日
【發明者】楊巍, 朱永康, 胡卓非, 王光輝, 張佩, 黃惠傑 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所