CN103630475A - 基于动态光散射法的便携式纳米颗粒计数仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于动态光散射法的便携式纳米颗粒计数仪，更为快速而准确的对气流中粒径1微米以下的颗粒进行检测计数，保证检测效率和数据处理的准确性，从而对污染源进行标识，它能成功鉴别有害气体的迁移以及一些具有污染问题的办公设施、车间等的泄露问题，同时适用于移动和固定场所的检测。

Description

基于动态光散射法的便携式纳米颗粒计数仪

技术领域

本发明涉及一种基于动态光散射法的便携式纳米颗粒计数仪，该装置适于多种工况环境，且能实时的检测气体样本，分析处理数据和显示存储数据。

背景技术

颗粒是指悬浮在空气和液体中的固体、液体（油滴）、气体（气泡）或分子团，颗粒及其形成物作为原料、中间物或产品在自然界以及生产过程中普遍存在，它们对产品或材料的性能和质量、能源的消耗、环境的质量、人民身体健康、全球气象及作物的生长等都有重大的影响。例如，大气中的灰尘、工业排放的飞灰烟尘等均属于颗粒问题；工业生产中，以粉末颗粒作为原料或中间物的如陶瓷、电子材料、催化剂等，以粉末作为产品的如水泥、涂料等以及各种金属粉末均属于颗粒问题。随着工业社会的发展，这些问题更加凸显。

而纳米颗粒由于其所具有的表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应表现出电、磁、力、光、声、热等方面更为突出的特性，因而具有非同寻常的用途。随着其粒径的减小，会表现出不同的性能。颗粒的粒度大小及分布控制着许多粉末产品的使用性能。例如，混凝土的凝结时间和机械性能与水泥的粒度密切相关；牙膏中二氧化硅颗粒的大小影响牙膏的洁齿作用；药粉的粒度影响其疗效。由以上可见，颗粒的粒度决定着其在各种工艺过程和应用中的性质和影响作用。对颗粒进行测量，尤其是纳米颗粒的测量，对控制环境污染、改善产品质量、保障人身健康等方面有着重要的经济意义和社会意义。

随着科学技术和生产工艺日渐发展和改善，颗粒的粒度有不断减少的趋势，因此对颗粒检测仪器的研究提出了新的要求。传统的颗粒检测仪器检测的粒径比较大，满足不了新要求，因此一款自动化程度高，检测超细颗粒，同时适用于移动和固定场所的颗粒检测仪是环保科研以及工业生产急需的。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明的目的在于提供一种基于动态光散射法的便携式纳米颗粒计数仪，更为快速而准确的对气流中粒径1微米以下的颗粒进行检测计数，保证检测效率和数据处理的准确性，从而对污染源进行标识，它能成功鉴别有害气体的迁移以及一些具有污染问题的办公设施、车间等的泄露问题，同时适用于移动和固定场所的检测。

本发明通过如下的技术方案实现。

一种颗粒检测装置，包括：

气泵（6），能够产生包含待测的颗粒的气流；

光路—气路组件（2）,其形成为一个密封的空间，包括进气口（201）、出气口（202）、光源（204）、第一透镜组和第二透镜组；所述光源发出的光经过所述第一透镜组聚焦到所述进气口（201）的出气孔上方的光检测区；所述颗粒随着所述气流经过光检测区发出散射光；

光电转换部（3），其包括光电传感器，能够检测由所述颗粒发出的散射光；所述散射光经过所述第二透镜组聚焦到所述光电传感器的靶面上；

控制部（4），其能够根据所述散射光的检测结果进行处理得出所述颗粒的检测结果数据。

优选地，还包括气流传感器（5），其能够检测所述气流的流量；所述控制部根据所述流量的检测结果对所述气泵进行控制，使所述气流稳定在所需的流量。

优选地，还包括显示组件（8），其能够显示所述检测结果数据。

优选地，所述光源是LED光源，所述光电传感器是PIN光电转换器；所述第一透镜组和所述第二透镜组的光轴位于同一直线上；

优选地，所述颗粒的粒径在1微米以下。

优选地，还包括外壳（1），所述外壳是在长方体的基础上附加一斜面，使所述显示组件倾斜角度面向用户；所述外壳（1）的上部设置有手柄（102），方便操作者手持。

本发明还提供了一种检测颗粒浓度的方法，包括以下步骤：

使用气泵产生包含待测的颗粒的流量稳定的气流；

将LED光源（204）发出的光经过第一透镜组聚焦到光检测区，使包含所述颗粒的所述气流通过所述光检测区发出散射光；

将所述散射光经过第二透镜组聚焦到PIN光电转换器（209）的靶面上，所述PIN光电转换器（209）产生光电流；所述第一透镜组和所述第二透镜组的光轴位于同一直线上；

对所述光电流进行相应处理，得到所需数据。

通过采用以上方案，本发明能够取得如下的有益技术效果。

（1）本发明可以快速完成气流中的颗粒检测计数和数据的处理显示，适用于多种不同工况：在无人的危险工况条件下，可以搭载在任何可移动设备上独立检测；在无危险工况条件下，操作人员可以随身携带，方便可靠；

（2）采用的LED光源和PIN光电转换器代替早期的气体激光器和光电倍增管，是的测量系统得到有效的小型化；

（3）采用的凸透镜组成的光路系统作为光路系统的核心部分，可以降低成本，提高工作效率；

（4）LED光源的恒流控制是的光功率更为稳定，以及带有微桥气流质量传感器的气路系统，提高了流量控制的精确度，使得测量结果更为准确。

附图说明

图1是本发明基于动态光散射法的便携式纳米颗粒计数仪的外壳整体结构立体图；

图2是本发明基于动态光散射法的便携式纳米颗粒计数仪的外壳底部结构立体图；

图3是本发明基于动态光散射法的便携式纳米颗粒计数仪的上外壳内部结构图；

图4是本发明基于动态光散射法的便携式纳米颗粒计数仪的下外壳内部结构图；

图5是本发明基于动态光散射法的便携式纳米颗粒计数仪的光路—气路组件结构图；

图6是本发明基于动态光散射法的便携式纳米颗粒计数仪的光路—气路组件内部结构图；

图7是本发明基于动态光散射法的便携式纳米颗粒计数仪的光电转换电路板结构图；

图8是本发明基于动态光散射法的便携式纳米颗粒计数仪的光电转换电路板背面结构图；

图9是本发明基于动态光散射法的便携式纳米颗粒计数仪的控制电路板结构图；

图10是本发明基于动态光散射法的便携式纳米颗粒计数仪的控制电路板背面结构图；

图11是本发明基于动态光散射法的便携式纳米颗粒计数仪的气流传感器结构图；

图12是本发明基于动态光散射法的便携式纳米颗粒计数仪的微型气泵结构图。

图13是本发明基于动态光散射法的便携式纳米颗粒计数仪的显示组件结构图。

图14是本发明基于动态光散射法的便携式纳米颗粒计数仪的光路传输原理图。

其中各附图标记含义如下：

1.带手柄外壳                       107d.固定柱d

2.光路—气路组件                   107e.固定柱e

3.光电转换电路板                   107f.固定柱f

4.控制电路板                       108.电池后盖

5.气流传感器                       109.出气口

6.微型气泵                         110.气泵固定槽

8.显示组件                         111.电池槽

101.液晶显示屏                     112.底板

102.手柄                           113.传感器固定槽

103.充电接口                       114.光气路组件固定槽

104.电源开关按钮                   115.光气路组件固定柱

105.数据接口                       116.缓冲泡沫

106.进气口                         201.进气口

107a.固定柱a                       202.出气口

107b.固定柱b                       203.主框架

107c.固定柱c                       203a.定位孔a

203b.定位孔b                       406.数据接口

204.LED光源                        407.电源开关接口

205.左端盖                         408.光电信号接口

206a.凸透镜a                       409.信号甄别模块

206b.凸透镜b                       410.计数模块

206c.凸透镜c                       411.气泵驱动接口

207.定位垫圈                       412.传感器信号接口

208.右端盖                         413.显示组件接口

209.PIN光电转换器                  414.LED驱动接口

301.信号接口                       501.进气口

302.前置放大器                     502.出气口

303.主放大器                       503.信号接口

304a.定位孔a                       601.进气口

304b.定位孔b                       602出气口

401a.定位孔a                       603.信号接口

401b.定位孔b                       801a.定位孔a

401c.定位孔c                       801b.定位孔b

401d.定位孔d                       801c.定位孔c

402.电源接口                       801d.定位孔d

403.稳压模块                       802.信号接口

404.LED电源驱动模块                803.液晶显示屏

405.主芯片最小系统

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但不作为对本发明的限定。

本发明是一种基于动态光散射法的便携式纳米颗粒计数仪，如图1～图8所示，包括外壳1、光路—气路组件2、光电转换电路板3、控制电路板4、气流传感器5、微型气泵6、电池组7、显示组件8。

如图1-2所示，外壳1是在长方体的基础上附加一斜面，使液晶显示屏101倾斜角度面向用户，使人机交互更加舒适、方便；外壳1的上部设置有手柄102，方便操作者手持；外壳1的上部和下部通过固定柱107a～107f使用螺钉紧固连接，使连接更为可靠；外壳1的后部侧壁上安装有电源开关按钮104，负责系统电源的通断；后部侧壁上还有一个数据接口105，用于检测数据的拷贝；后部侧壁上的进气口106和背面的出气口109分别为整个气路系统的进出气口，构成了整个气流回路的一部分；外壳1的侧面壁上有一个充电接口103，使得电池充电更为方便；外壳1的背面向内形成一个电池槽，用于放置电池组，并用后盖固定，使电池组的拆卸和更换更为方便快捷；电池组为3节可充电电池，中间有电路保护板，外皮包裹。

如图3所示，外壳1的上斜面内部固定安装有显示组件8，通过液晶显示屏101（803）完成对获取参数的实时显示，显示组件8与外壳1内部的控制电路板4的显示组件接口413连接。

外壳1包含着所有的工作部分，并构成一个黑暗的工作空间。如图4所示，底板112表面按设计要求分别有气泵固定槽110、电池槽111、传感器固定槽113、光气路组件固定槽114、光气路组件固定柱115。气泵固定槽110内粘有相应尺寸的中空的缓冲泡沫116，微型气泵6以类似于过盈配合的方式装入缓冲泡沫116中，起到减震的作用。如前所述，电池槽111用于放置电池组7，并使用电池后盖108固定。传感器固定槽113左右侧面设计了两个卡扣，用于固定气流传感器5，这种设计使得安装和拆卸都很方便。光路—气路组件2装入光气路组件固定槽114内，并通过定位孔203a和203b以及光气路组件固定槽114使用螺钉连接固定。控制电路板4通过定位孔401a-401d放置于光气路组件固定柱115上，通过上下外壳1加紧固定。光电转换电路板3通过定位孔304a和304b使用螺钉固定在光路—气路组件2右端。

如图4-12所示，光路—气路组件2的进气口201与外壳1的进气口106相连，光路—气路组件2的出气口202与气流传感器5的进气口501相连，气流传感器5的出气口502与微型气泵6的进气口601相连，微型气泵6的出气口602最后与外壳1的出气口109相连，构成了整个装置的气流回路，其中各个进气口和出气口均使用相应的软气管相连，气流传感器5的目的是实时检测气流回路的气流量，控制电路板4获得该反馈值之后，运用反馈控制的原理控制微型气泵6的转速，从而达到稳定控制气流的目的，使得检测结果更为准确。控制电路板4的光电信号接口408和光电转换电路板3的信

号接口301通过导线连接，为光电转换电路板3提供电源，以及给控制电路板4提供光电信号。控制电路板4的LED驱动接口414和光路—气路组件2的LED光源204通过导线连接，达到驱动光源并提供稳定的光功率的目的。控制电路板4的传感器信号接口412和气流传感器5的信号接口503通过导线连接，为气流传感器5提供电源，以及给控制电路板4稳定控制气流提供气流量信号。控制电路板4的气泵驱动接口411和微型气泵6的信号接口603通过导线连接，为微型气泵6提供驱动信号，以达到稳定控制气泵转速从而稳定控制气流量的目的。

如图5-6所示，光路—气路组件2中的LED光源204发出的散射的光经过凸透镜a206a聚焦到进气口201的出气孔上方，通过出气孔的气流中的颗粒发出散射光，散射光经过凸透镜b206b和凸透镜c206c聚焦到PIN光电转换器209的靶面上，PIN光电转换器（209）产生光电流，随后的电路进行相应处理。

本发明提供的基于动态光散射法的便携式纳米颗粒计数仪工作时，微型气泵6首先开始工作，气流经过整个气流回路，气流传感器5检测当前气流量值并送入控制电路板4，控制电路板4将测量值和预设值做差比较，然后通过PID运算控制微型气泵6的转速，使得气流量达到预设值而且稳定。气流稳定后，LED光源204被点亮，发出的散射的光经过凸透镜a206a聚焦到进气口201的出气孔上方，即光检测区。颗粒随着气流经过光检测区，在光的照射下发出散射光，散射光的光强度和颗粒的粒径大小息息相关。散射光经过凸透镜b206b和凸透镜c206c聚焦到PIN光电转换器209的靶面上并产生和散射光强度相关的光电流。光电流经过前置放大器302和主放大器303放大后变为可处理的电压信号。电压信号送入控制电路板4的信号甄别模块409，通过电压比较变为连续的TTL电平，TTL电平经过计数模块410计数处理后即可得到颗粒浓度数N，最终这个颗粒浓度数会显示在液晶显示屏101上。

本领域技术人员应当理解，本发明并不仅限于本文描述或例示的方法或者构造、应用或使用的细节。实际上，任意合适的变型或替代性实施例都应包含在本发明的精神和范围内。

Claims (10)

1.一种颗粒检测装置，包括：

气泵（6），能够产生包含待测的颗粒的气流；

光路—气路组件（2）,其形成为一个密封的空间，包括进气口（201）、出气口（202）、光源（204）、第一透镜组和第二透镜组；所述光源发出的光经过所述第一透镜组聚焦到所述进气口（201）的出气孔上方的光检测区；所述颗粒随着所述气流经过光检测区发出散射光；

光电转换部（3），其包括光电传感器，能够检测由所述颗粒发出的散射光；所述散射光经过所述第二透镜组聚焦到所述光电传感器的靶面上；

控制部（4），其能够根据所述散射光的检测结果进行处理得出所述颗粒的检测结果数据。

2.根据权利要求1所述的颗粒检测装置，其特征在于，还包括气流传感器（5），其能够检测所述气流的流量；所述控制部根据所述流量的检测结果对所述气泵进行控制，使所述气流稳定在所需的流量。

3.根据权利要求2所述的颗粒检测装置，其特征在于，还包括显示组件（8），其能够显示所述检测结果数据。

4.根据权利要求3所述的颗粒检测装置，其特征在于，所述光源是LED光源，所述光电传感器是PIN光电转换器；所述第一透镜组和所述第二透镜组的光轴位于同一直线上。

5.根据权利要求4所述的颗粒检测装置，其特征在于，所述颗粒的粒径在1微米以下。

6.根据权利要求4所述的颗粒检测装置，其特征在于，还包括外壳（1），所述外壳是在长方体的基础上附加一斜面，使所述显示组件倾斜角度面向用户；所述外壳（1）的上部设置有手柄（102），方便操作者手持。

7.根据权利要求6所述的颗粒检测装置，其特征在于，所述光路—气路组件（2）的进气口（201）与所述外壳（1）的进气口（106）相连，所述光路—气路组件（2）的出气口（202）与所述气流传感器（5）的进气口（501）相连，所述气流传感器（5）的出气口（502）与所述气泵（6）的进气口（601）相连，所述气泵（6）的出气口（602）最后与所述外壳（1）的出气口（109）相连，构成了整个装置的气流回路，其中各个进气口和出气口均使用相应的软气管相连。

8.根据权利要求7所述的颗粒检测装置，其特征在于，所述光路—气路组件（2）通过两个对角的光气路组件固定柱（115）使用螺钉固定在底板（112）的固定安装位置；所述光电转换部（3）通过两个成对角分布的定位孔（304a、304b）使用螺钉固定在光路—气路组件（2）的右端；所述控制部（4）通过定位孔（401a、401b、401c、401d）和固定柱（107a、107b、107c、107d）的凸起部分固定；所述气流传感器（5）通过底板（112）上的沟槽和卡扣固定在底板（112）面上。

9.根据权利要求8所述的颗粒检测装置，其特征在于，还包括电池槽（111），所述电池槽（111）顶部有一槽，槽内粘贴足够厚度的缓冲泡沫（116），所述气泵（6）嵌入所述缓冲泡沫（116）内部；电池组（7）放置于所述电池槽（111）内，并通过电池后盖（108）固定；所述显示组件（8）通过定位孔（801a、801b、801c、801d）使用螺钉固定在上外壳内部斜面上的固定柱内；所述控制部（4）的光电信号接口（408）和光电转换部（3）的信号接口（301）通过导线连接，为光电转换部（3）提供电源，以及给控制部（4）提供光电信号；所述控制部（4）的LED驱动接口（414）和所述光路—气路组件（2）的所述LED光源（204）通过导线连接，达到驱动光源并提供稳定的光功率的目的；所述控制部（4）的传感器信号接口（412）和所述气流传感器（5）的信号接口（503）通过导线连接，为所述气流传感器（5）提供电源，以及给所述控制部（4）稳定控制气流提供气流量信号；所述控制部（4）的气泵驱动接口（411）和所述气泵（6）的信号接口（603）通过导线连接，为所述气泵（6）提供驱动信号，以达到稳定控制气泵转速从而稳定控制气流量的目的。

10.一种检测颗粒浓度的方法，包括以下步骤：

使用气泵产生包含待测的颗粒的流量稳定的气流；

将LED光源（204）发出的光经过第一透镜组聚焦到光检测区，使包含所述颗粒的所述气流通过所述光检测区发出散射光；

将所述散射光经过第二透镜组聚焦到PIN光电转换器（209）的靶面上，所述PIN光电转换器（209）产生光电流；所述第一透镜组和所述第二透镜组的光轴位于同一直线上；

对所述光电流进行相应处理，得到所需数据。

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