氣溶膠粒子濃度傳感器及其檢測(cè)方法
【專利摘要】一種氣溶膠粒子濃度傳感器及檢測(cè)方法，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。本發(fā)明體積小巧，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及其檢測(cè)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)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(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?，F(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?，F(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。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明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] 本發(fā)明的技術(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VI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VI的脈沖總數(shù)N1、峰值電壓大于一 個(gè)高于VI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)本發(fā)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(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d x粒徑檔的數(shù)量濃度校正因子ax ;
[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。
4. 利用權(quán)利要求1所述的氣溶膠粒子濃度傳感器進(jìn)行氣溶膠粒子濃度的檢測(cè)方法，該 檢測(cè)方法包括以下步驟： 1) 確定0. 3ym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，取噪聲脈沖峰值的最大值為 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(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. 3ym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￥1的電壓值￥2的脈沖個(gè)數(shù)吧，當(dāng)吧/^1達(dá)到50%時(shí)，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(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)本發(fā)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(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ax; 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:
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)^ ; 6) 測(cè)量4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 dx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ax的乘積做為dx粒徑檔的 氣溶膠粒子的數(shù)量濃度Ndx ; 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: m = 1.324 xl〇-9 Dogs d;15 Ndx p
【文檔編號(hào)】G01N15/06GK104266947SQ201410468069
【公開日】2015年1月7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