CN103207004B - 基于微振荡法测量颗粒物质量的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于微振荡法测量颗粒物质量的装置其包括：振荡器，所述振荡器上滤膜托盘，所述滤膜托盘上设有允许气流通过的滤膜；驱动单元，所述驱动单元驱动所述振荡器振动；频率检测单元，所述频率检测单元包括光源、反光面和光线监测装置，所述反光面位于所述滤膜托盘上，所述反光面将所述光源发出的平行光反射在所述光线监测装置上，所述光线监测装置用于检测所述反光面上反射光的振动频率和平衡点位置。该测量颗粒物质量的装置通过检测反射光的振荡频率来确定振荡器的频率，这样可有效避免电信号等外界干扰对测量结果的影响，而且利用反射面可有效地放大振荡，使测量结果更加的精确。

Description

基于微振荡法测量颗粒物质量的装置

技术领域

本发明涉及一种测量颗粒物质量的装置，特别是涉及一种基于微振荡法测量颗粒物质量的装置。

背景技术

颗粒物是大气中的主要污染物之一。其中总悬浮颗粒物是指粒径从0.1μm至100μm以液体、固体或液体和固体结合存在并悬浮于空气介质中的颗粒物，是评价大气质量的常用指标；可吸入颗粒物是指粒径≤10μm的颗粒物，特别是粒径≤2.5μm的颗粒物，其粒径小，富含大量的有毒、有害物质，且在大气中的停留时间长、输送距离远，被称为大气污染的元凶。粒径≤2.5μm的颗粒物还会干扰肺部的气体交换，引发包括哮喘、支气管炎和心血管病等方面的疾病。

目前对大气微小颗粒物，如PM10、PM2.5的检测和分析方法已经发展了很多种，目前常用的方法有人工滤膜称重法、光散射法、压电晶体法、β射线法和振荡天平法。其中振荡天平法能够对大气颗粒物进行实时监测、且测量精度高、环境适应能力强等特点在环境监测领域被广泛使用。

振荡天平法中最普遍的为微量石英振荡天平。该方法通过在质量传感器内使用一个石英空心锥形管，在空心锥形管顶端安放可更换的滤膜托盘，并用霍尔元件测量其振荡频率。当采样气流通过滤膜，其中满足称量条件的颗粒物沉积在滤膜上，使振荡单元的频率发生改变。通过对频率的测量并考虑现场环境温度和气压即可以计算出该时段的颗粒物标态质量浓度。此外美国专利(5684276(US)，Micromechanicaloscillatingmassbalance)和(5946795(US)，Methodofmanufacturingamicromechanicaloscillatingmassbalance)设计了水平摆动的结构，通过把颗粒物沉积到一个复合的梁结构上，然后测量其共振的频率获得沉积颗粒物的质量。

目前这些常用的微小颗粒物质量检测方法都存在着一些不足之处：核心振荡单元多采用石英晶体或者玻璃容易破碎；多数仪器工作条件要在50℃的恒温下；水平横向的振动使得外界气体入口和滤膜托盘接口之间必须保证相对较大的空隙；采用霍尔效应监测振动频率然后利用螺线管产生变化的磁场来推动锥管进行振动会有滞后作用；测量的时候要经过自动增益放大，使确定每次的最大值和最小值的位置有一定的偏差等。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于微振荡法测量颗粒物质量的装置，用于解决现有技术中微小颗粒物质量测量不准确的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于微振荡法测量颗粒物质量的装置其包括：振荡器，所述振荡器上滤膜托盘，所述滤膜托盘上设有允许气流通过的滤膜；驱动单元，所述驱动单元驱动所述振荡器振动；频率检测单元，所述频率检测单元包括光源、反光面和光线监测装置，所述反光面位于所述滤膜托盘上，所述反光面将所述光源发出的平行光反射在所述光线监测装置上，所述光线监测装置用于检测所述反光面上反射光的振动频率和平衡点位置。

优选地，所述频率检测单元与所述驱动单元连接，当反光面上振动的反射光经过平衡点位置时，所述频率检测单元发出反馈信号给所述驱动单元，所述驱动单元发出脉冲信号激励所述振荡器振动。

优选地，所述驱动单元包括至少两个磁铁，所述磁铁均匀分布在所述滤膜托盘外周面上，所述滤膜托盘外围设有至少一个电磁螺旋管，所述电磁螺旋管产生的磁场与所述磁铁作用驱动所述滤膜托盘绕轴线旋转摆动。

优选地，所述磁铁通过加长杆与所述滤膜托盘连接。

优选地，所述滤膜托盘支撑在震荡柱上，所述震荡柱下端固定在底部支架上。

优选地，所述滤膜托盘支撑在震荡柱上，所述震荡柱下端通过弹性机构与底部支架连接。

优选地，所述滤膜托盘采用多根震荡柱进行支撑，所述震荡柱通过弹簧与所述底部支架连接，所述底部支架上设有环形槽，所述弹簧位于所述环形槽内。

优选地，所述滤膜托盘上方设有固定板，所述滤膜托盘通过震荡柱与所述固定板固定连接。

优选地，所述反光面上镀有一层光栅。

优选地，所述光线监测装置为线性CCD阵列。

如上所述，本发明基于微振荡法测量颗粒物质量的装置具有以下有益效果：该测量颗粒物质量的装置在滤膜托盘上设置反光面，光源发出的平行光通过反光面发射在光线监测装置上，当振荡器振荡时通过光线监测装置检测反射光的频率就可确定振荡器的振荡频率，进而根据振荡器的频率变化确定滤膜托盘上沉积颗粒物的质量。该测量颗粒物质量的装置通过检测反射光的振荡频率来确定振荡器的频率，这样可有效避免电信号等外界干扰对测量结果的影响，而且利用反射面可有效地放大振荡，使测量结果更加的精确。

附图说明

图1为本发明第一实施例的结构示意图。

图2为本发明第二实施例的结构示意图。

图3为本发明振荡器的实施例结构示意图。

图4a为本发明震荡柱的第一实施例结构示意图。

图4b为本发明震荡柱的第二实施例结构示意图。

图5a为本发明驱动单元的第一实施例结构示意图。

图5b为本发明驱动单元的第二实施例结构示意图。

图5c为本发明驱动单元的第三实施例结构示意图。

图5d为本发明驱动单元的第四实施例结构示意图。

图6为本发明滤膜托盘实施例的结构示意图。

元件标号说明

1振荡器

11滤膜托盘

12滤膜

13震荡柱

14底部支架

15弹性机构

16固定板

17震荡柱

2磁铁

3电磁螺旋管

4反光面

5光源

6光线监测装置

7加长杆

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图6。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1所示，本发明提供一种基于微振荡法测量颗粒物质量的装置，该装置包括一振荡器1、驱动单元和频率检测单元三部分。振荡器1由滤膜托盘11、震荡柱13组成(如图3所示)，滤膜托盘11上设有安装滤膜的滤膜接口，滤膜接口可以为三角形、四边形、六边形(如图6所示)、八边形或其它的正多边形结构，滤膜接口上设有允许气流通过的滤膜12。滤膜托盘11支撑在数根震荡柱13上，震荡柱13是一种提供振动回复力的弹性单元，震荡柱13的截面可以是圆形，正方形(如图4b所示)、正三角形(如图4a所示)、椭圆等对称度高的形状。震荡柱13从下向上可以有粗细的变化，例如锥形变化等。振荡柱13上可镂空不同的形状，从而产生大小不同的切向回复力。

震荡柱13可以采用钛合金等具有自恢复功能的合金制造，以解决长期工作过程中的微小变形问题。震荡柱13还可以采用杨氏模量在零至五十摄氏度器件杨氏模量变化很小的合金或者变化基本呈线性的合金，这样也可有效防止震荡柱13变形。

振荡柱13的下端设有一底部支架14，震荡柱13可与底部支架14直接固定连接，也可以通过弹性机构15与底部支架14连接。上述两种结构可根据振荡器需要调节的频率任意进行选择。测量振荡频率变化需要频率尽量的高，而用霍尔效应或者光检测的方法都需要有一定的振幅，在驱动力有限的情况下就限制了频率的升高，所以通过调节底部的弹性结构15可以把频率控制在一定的范围内。由于振荡器的材料、大小形状对振荡器的谐振频率起到决定的作用，在有些特殊的设计中，很难让振荡器的频率落到想要的范围内，此时就可以通过调整弹性结构把频率控制在需要的范围内，并为将来设计各种形状、大小和材质的核心振荡器留下空间。

作为一种优选方式，可在滤膜托盘11的上方设置固定板16，滤膜托盘11通过震荡柱17与固定板16固定连接，这样滤膜托盘11上下可同时固定，从而可有效防止震荡柱因长期振动而产生的形变。

如图2所示，作为一种优选方式，弹性机构15可选用弹簧，底部支架14上可设置环形槽，将弹簧位于环形槽内使弹簧呈圆形轨迹分布，震荡柱13通过弹簧与底部支架14连接。同时在滤膜托盘11的上方设置固定板16，滤膜托盘11通过震荡柱17与固定板16固定连接，采用上端点固定，下端点轨道的方式进一步减少振荡柱机械形变带来的影响，提高光学测量频率的精确度。

驱动单元用于驱动振荡器1振动，作为一种优选方式，驱动单元包括至少两个磁铁2，磁铁2应均匀分布在滤膜托盘11的外周面上，滤膜托盘11的外部设有至少一个电磁螺旋管3，电磁螺旋管3为可饱和性的电磁螺旋管，通过给电磁螺旋管3施加不同方向的脉冲电流，电磁螺旋管3将产生不同方向的磁场，电磁螺旋管3产生的磁场与磁铁2产生的磁场相互作用可带动滤膜托盘绕轴线旋转摆动，从而使振荡器1产生振动。

如图5a所示，为本发明驱动单元一个实施例的结构示意图，在滤膜托盘11的外周面上设有两个磁铁2，两个磁铁2相隔180°在滤膜托盘11的外周面上均匀分布，两个磁铁2分别与两个电磁螺旋管3位置相对，通过给电磁螺旋管3施加不同方向的脉冲电流，电磁螺旋管3将产生不同方向的磁场，电磁螺旋管3产生的磁场与磁铁2产生的磁场相互作形成力偶，这样就可带动滤膜托盘绕轴线旋转摆动，使振荡器1产生振动。为了增加驱动力矩，磁铁2可通过加长杆7与滤膜托盘11连接(如图5b所示)。

如图5c所示，为本发明驱动单元的另一实施例，该实施例在滤膜托盘11的外周面上设有三个磁铁2，三个磁铁2分别与三个电磁螺旋管3位置相对，电磁螺旋管3位于滤膜托盘11的外围，在三个电磁螺旋管3同时施加脉冲电流，电磁螺旋管3产生的磁场与磁铁2产生的磁场作用形成合力可带动带动滤膜托盘绕轴线旋转，通过在三个电磁螺旋管3同时施加不同方向的脉冲电流就可驱动振荡器1振动。

如图5d所示，为本发明驱动单元的第三实施例，该实施例中，滤膜托盘11的外周面上设有两个磁铁2，两个磁铁2相隔180°在滤膜托盘11的外周面上均匀分布，在滤膜托盘11的一侧设有一个电磁螺旋管3，两个磁铁2与电磁螺旋管3相对端磁极极性相反，因此当电磁螺旋管3有电流通过时，两个磁铁2受力方向相反形成力偶，进而使振荡器1产生振动。

频率检测单元包括光源5、反光面4和光线监测装置6，反光面4位于滤膜托盘11上，光源5可发出平行光，光源5发出的平行光通过反光面4后可反射到光线监测装置6上。当振荡器1振动时经反光面4反射的反射光也会同时振动，光线监测装置6可检测反光面上反射光的振动频率和振动的平衡点位置。作为一种优选方式，光线监测装置选用线性CCD阵列。反光面4可采用凸面，这样可放大反射光的偏转角度，同时可在反光面上镀一层光栅，这样可使反射光线更加的细锐，进而可提高光线监测装置6的监测精度。

频率检测单元与驱动单元连接，当反光面上振动的反射光经过其振动平衡点位置时，频率检测单元发出反馈信号给驱动单元，驱动单元将发出脉冲信号激励振荡器振动，当反光面上振动的反射光再次经过平衡点位置时，驱动单元将发出反方向脉冲信号继续激励振荡器振动。

根据振动的理论可知：

$\mathrm{d\ω}=\sqrt{2K}{(m_0+m\frac{r^2}{r_0^2})}^{\frac{-3}{2}}\frac{r^2}{r_0^2}\mathrm{dm}$

式中dω是频率的变化，K是折合弹性倔强系数，由弹性结构和支架共同构成，m₀是振荡器的初始质量，r₀是振荡器折合半径，m是滤膜托盘和沉积其上的颗粒物的质量，其随时间的变化不断增加，其折合半径为r。

当空气通过滤膜托盘11的滤膜12后，由于过滤的作用整个核心振荡单元的质量将增加。然后利用电磁螺旋管3产生的磁场推动相对应的磁铁2，进而使振荡器振动。由于折合倔强系数很大，需要共振才能够明显的探测到振荡器的运动。利用光源5发出平行光，照到反光平面4上，再通过光线监测装置6探测反射光的位置来确定振荡器的运动状态。通过光线监测装置6确定的振荡器初始的位置，然后给振荡器一个偏移以后，当其通过平衡位置时，给电磁螺旋管3一个电流信号，当其再次通过平衡位置时，给螺旋管一个反方向的脉冲信号。此时，即可利用探测器测量出振荡器频率，这样既可求出振荡器上滤膜质量的变化，进而就可确定空气中颗粒物的质量。

该测量颗粒物质量的装置在滤膜托盘上设置反光面，光源发出的平行光通过反光面发射在光线监测装置上，当振荡器振荡时通过光线监测装置检测反射光的频率就可确定振荡器的振荡频率，进而根据振荡器的频率变化确定滤膜托盘上沉积颗粒物的质量。该测量颗粒物质量的装置通过检测反射光的振荡频率来确定振荡器的频率，这样可有效避免电信号等外界干扰对测量结果的影响，而且利用反射面可有效地放大振荡，使测量结果更加的精确。综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种基于微振荡法测量颗粒物质量的装置，其特征在于，其包括：

振荡器，所述振荡器上滤膜托盘，所述滤膜托盘上设有允许气流通过的滤膜；

驱动单元，所述驱动单元驱动所述振荡器振动；

频率检测单元，所述频率检测单元包括光源、反光面和光线监测装置，所述反光面位于所述滤膜托盘上，所述反光面将所述光源发出的平行光反射在所述光线监测装置上，所述光线监测装置用于检测所述反光面上反射光的振动频率和平衡点位置；

所述驱动单元包括至少两个磁铁，所述磁铁均匀分布在所述滤膜托盘外周面上，所述滤膜托盘外围设有至少一个电磁螺旋管，所述电磁螺旋管产生的磁场与所述磁铁作用驱动所述滤膜托盘绕轴线旋转摆动，所述滤膜托盘支撑在震荡柱上，所述震荡柱下端通过弹性机构与底部支架连接；所述滤膜托盘支撑在震荡柱上，所述震荡柱下端通过弹性机构与底部支架连接；所述滤膜托盘采用多根震荡柱进行支撑，所述震荡柱通过弹簧与所述底部支架连接，所述底部支架上设有环形槽，所述弹簧位于所述环形槽内。

2.根据权利要求1所述的基于微振荡法测量颗粒物质量的装置，其特征在于：所述频率检测单元与所述驱动单元连接，当反光面上振动的反射光经过平衡点位置时，所述频率检测单元发出反馈信号给所述驱动单元，所述驱动单元发出脉冲信号激励所述振荡器振动。

3.根据权利要求1所述的基于微振荡法测量颗粒物质量的装置，其特征在于：所述磁铁通过加长杆与所述滤膜托盘连接。

4.根据权利要求3所述的基于微振荡法测量颗粒物质量的装置，其特征在于：所述滤膜托盘支撑在震荡柱上，所述震荡柱下端固定在底部支架上。

5.根据权利要求4所述的基于微振荡法测量颗粒物质量的装置，其特征在于：所述滤膜托盘上方设有固定板，所述滤膜托盘通过震荡柱与所述固定板固定连接。

6.根据权利要求1所述的基于微振荡法测量颗粒物质量的装置，其特征在于：所述反光面上镀有一层光栅。

7.根据权利要求1所述的基于微振荡法测量颗粒物质量的装置，其特征在于：所述光线监测装置为线性CCD阵列。