CN104266947A - 气溶胶粒子浓度传感器及其检测方法 - Google Patents

Abstract

一种气溶胶粒子浓度传感器及检测方法，包括在一个腔体内的光路模块、气路模块和信号处理模块组成，光路模块包括：光源和光路通道，气路模块，包括风机与气路通道，气路通道的气流入口处和气流出口处设有弯道结构和挡板结构，在风机驱动下含有气溶胶粒子的气体经气流入口、气路通道从气流出口输出，信号处理模块包括光电探测器、信号处理电路和集成接口，光电探测器置于气路通道中，光源发出的光照射在光电探测器的光敏面上方的气路通道中，信号处理电路对光电探测器输出的电脉冲信号进行电流-电压转换以及电压放大后，从信号输出端输出。本发明体积小巧，重量轻，可同时测量气溶胶粒子的数量浓度和质量浓度，充分满足民用市场的需求。

Description

气溶胶粒子浓度传感器及其检测方法

技术领域

本发明涉及粒子浓度传感器，特别是一种气溶胶粒子浓度传感器及其检测方法。 

背景技术

气溶胶是指大气与悬浮于其中的固体和液体微粒所组成的多相体系，其中的粒子为气溶胶粒子。气溶胶粒子浓度直接影响着环境空气质量。弹性光散射测量法具有速度快、灵敏度高等特点，是监测气溶胶粒子浓度的主要方法之一。气体中的粒子在光的照射下会发生散射，散射光强度和粒子大小有一个基本规律，就是微粒散射光的强度随微粒的表面积的增加而增大。这样只要测定散射光的强度就可推知粒子的大小。 

采用弹性光散射测量法的气溶胶粒子浓度传感器的基本工作过程如下：空气中的粒子在光束的照射下会产生与粒子大小成比例的散射光信号，该散射光信号通过光电探测器和前置放大电路后转换为适当幅度的电压脉冲信号，再经过电子线路的甄别，从而完成对电脉冲信号的分档计数。此时，电压脉冲数量对应于微粒的个数，电压脉冲的幅值对应于粒子的大小。 

在先技术的采用弹性光散射测量法的气溶胶粒子浓度传感器存在如下缺点： 

(1)结构复杂，体积大。现有的气溶胶粒子浓度传感器大多采用复杂的光学结构实现散射光信号的收集，采用复杂的包含进气嘴与出气嘴的气路结构把气溶胶粒子引入传感器，气路结构中还有提供气流的采样泵。这些都使得气溶胶粒子浓度传感器的结构复杂、体积大。 

(2)成本高。现有的气溶胶粒子浓度传感器由于采用了复杂的光路结构与气路结构，所以对光学零件与机械零件的加工精度要求高，这些都大大增加了它的成本，限制了其在民用领域的广泛应用。 

发明内容

本发明的目的在于克服在先技术的不足，提供一种气溶胶粒子浓度传感器及其检测方法，该传感器能满足民用空气质量检测要求，具有结构简单、制造容易、成本低的特点。 

本发明的技术解决方案如下： 

一种气溶胶粒子浓度传感器，特点在于其构成包括在一个腔体内的光路模 块、气路模块和信号处理模块，所述的光路模块包括：光源和光路通道，所述的气路模块，包括风机与气路通道，所述气路通道的气流入口处和气流出口处设有弯道结构和挡板结构，在所述的风机驱动下含有气溶胶粒子的气体经气流入口、气路通道从气流出口输出，所述的信号处理模块包括光电探测器、信号处理电路和集成接口，所述集成接口包括第一电源接口端、第二电源接口端和信号输出端，所述的第一电源接口端、第二电源接口端分别与所述的光源和风机相连，所述的光电探测器置于所述的气路通道中，所述的光源发出的光照射在所述的光电探测器的光敏面上方的气路通道中，所述的气路通道的气溶胶粒子产生散射光，所述的光电探测器将所述的散射光转换为电脉冲信号，所述的信号处理电路对光电探测器输出的电脉冲信号进行电流-电压转换以及电压放大后，从所述的信号输出端输出。 

所述光源为半导体激光器。 

所述的风机用于使气路模块产生气流。 

所述气路通道在气流入口处和出口处设有弯道结构和挡板结构，以防止外界杂光进入干扰粒子散射光的检测。 

所述光电探测器用于将散射光信号转换为电脉冲信号。 

所述信号处理电路对光电探测器输出的电脉冲信号进行电流-电压转换以及电压放大。 

所述气路通道的横截面面积大于光电探测器光敏面面积，使光电探测器的光敏面能够充分探测到粒子散射光。 

所述集成接口包括第一电源接口端、第二电源接口端和信号输出端。 

所述的光路模块、气路模块和信号处理模块集成在一个腔体内。 

一种气溶胶粒子浓度检测方法，该检测方法包括以下步骤： 

1)确定0.3μm粒径档的甄别电压：在洁净空气中测量所述的气溶胶粒子浓度传感器输出的噪声脉冲信号，待气溶胶粒子浓度传感器运行稳定后，取0.3μm粒径档的甄电压V1略高于噪声脉冲峰值的最大值； 

2)确定0.5μm粒径档的甄别电压：在0.5μm标准粒子气溶胶中测量所述的气溶胶粒子浓度传感器输出的脉冲信号，待气溶胶粒子浓度传感器运行稳定后，计算一定测量时间周期内峰值电压大于等于0.3μm粒径档甄别电压V1的脉冲总数N1、峰值电压大于一个高于V1的电压值V2的脉冲个数N2，当N2/N1达到50％时，即把电压值V2作为0.5μm粒径档的甄别电压； 

3)按照步骤2)的方法确定其他粒径档的甄别电压； 

4)测量d_x粒径档的数量浓度校正因子：以标准的尘埃粒子计数器作为参照 仪器，在相同测量条件下，计算相同测量周期内本发明的气溶胶粒子浓度传感器和参照仪器的d_x粒径档的气溶胶粒子计数值的比值，测试多组比值，取平均值作为气溶胶粒子浓度传感器d_x粒径档的数量浓度校正因子a_x； 

5)确定被测粒子的质量浓度转换系数：根据步骤4)中的方法测量得到的d_x粒径档粒子数量浓度为N，按下列公式计算D粒径以下的气溶胶粒子质量浓度m：  $m=1.324\×{10}^{-9}{D}^{0.85}{d}_x^{2.15}\mathrm{N\ρ}$

以标准的颗粒物质量浓度检测仪作为参照仪器，在相同条件下测量多组N和多组m，经过多次测量，算出密度ρ的平均值，作为质量浓度转换系数。 

6)测量d_x粒径档的粒子数量浓度：在一定测量时间周期内测量超过由步骤2)确定的d_x档位甄别电压的脉冲数N_x，并将N_x与d_x档位对应的校正因子a_x的乘积做为d_x粒径档的气溶胶粒子的数量浓度N_dx； 

7)测量D粒径以下的粒子质量浓度：由d_x粒径档的粒子数量浓度N_dx和步骤5)确定的粒子质量浓度转换系数，按下列公式计算D粒径以下的气溶胶质量浓度m：  $m=1.324\×{10}^{-9}{D}^{0.85}{d_x^{2.15}N}_{\mathrm{dx}}\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}$

与在先技术相比，本发明具有如下优点： 

(1)结构简单，体积小巧，可任意集成到其他设备上。由于不需要复杂的光学元件和机械零件，传感器的体积小巧，重量轻，便于仪器的集成。 

(2)成本低，便于加工。由于对零件的精度要求不高，光学元器件的减少都降低了传感器的制造成本，便于集成到民用产品；该结构便于开模加工，因此在大批量生产的情况下可显著降低生产成本。 

(3)可同时测量气溶胶粒子的数量浓度和质量浓度，充分满足民用市场的需求。 

附图说明

图1是本发明的气溶胶粒子浓度传感器示意图； 

图2是本发明的气溶胶粒子浓度传感器集成接口的示意图； 

图3是本发明的气溶胶粒子浓度传感器结构示意图； 

图4是本发明的气溶胶粒子浓度传感器的上腔体的结构图； 

图5是本发明的气溶胶粒子浓度传感器的上腔体光路通道示意图； 

图6是本发明的气溶胶粒子浓度传感器的上腔体气路通道示意图； 

图7是本发明的气溶胶粒子浓度传感器的气路通道遮挡外界光线的示意图； 

图8是本发明气溶胶粒子浓度传感器的光束、气路通道与光电探测器示意图； 

图9是本发明中气溶胶粒子浓度传感器的检测方法流程图。 

具体实施方式

如图1、2、3、4所示，气溶胶粒子浓度传感器包括用于提供光束的光路模块，用于引入被检空气的气路模块，用于分析和处理信号的信号处理模块，光路模块、气路模块和信号处理模块集成在一腔体内。光路模块包括光源1和光路通道41；气路模块包括气路通道42和风机2；信号处理模块包括光电探测器32、信号处理电路板33和集成接口5。所述的集成接口5包括用于外接直流5V电源的第一电源接口端35和第二电源接口端36以及信号输出端37，信号输出端37为本发明的总输出端。第一电源接口端35和第二电源接口端36接通电源后，信号输出端37即有信号输出。信号输出端37将检测结果通过电压脉冲信号的方式传递给所集成的装置(如空气净化仪器或设备)。 

光源1采用体积小巧、功耗低、成本低的半导体激光器。风机2采用叶片抽风风扇，提供负压使气体流过检测区域的装置。 

信号处理电路板33上安装了光源固定板31、光电探测器32。光源固定板31用于固定光源1，并且设有光阑孔，以消除光束中的杂散光；光电探测器32采用响应速度较高的PIN型光电二极管，将光信号转换为电脉冲信号；信号处理电路板33上含有供电模块和散射光信号处理模块，供电模块为光源1和风机2供电，散射光信号处理模块对光电探测器32输出的电脉冲信号进行电流-电压转换以及电压放大，从而形成适当幅度的电压脉冲信号，用于后续分析和处理。 

图5为光路通道41示意图，其中箭头表示光束的照射方向；激光光束经过光路通道41之后，进入特定的光陷阱结构而被吸收，以有效消除反射光干扰粒子散射光的检测；光陷阱可采用与光束方向成一定角度的空腔结构，光束进入该空腔后经多次反射被完全吸收。图6为气路通道42示意图，其中箭头表示气体流动方向；被测粒子从气流入口进入所述的气路通道42，经过光束的照射之后，在风机2的驱动下从排气口流出。所述的气路通道42在气流入口和风机2的出口处使用弯道结构和挡板结构，以防止外界光进入传感器内部而干扰粒子散射光的检测，图7所示为气路通道42遮挡外界光线的示意图，其中阴影部分是外界光线能够直接照射的区域，光电探测器32不在该区域内。 

光源1发出的光束以贴近光电探测器32光敏面的形式经过光敏面正上方，且保证光束的焦面位于光敏面上方的中心位置；图8为光束、气路通道42与光 电探测器32示意图，其中箭头表示气体流动方向。气路通道42保证含有被测粒子的气体从光电探测器32的上方流过，气路通道尺寸大于光电探测器32光敏感区尺寸，使光电探测器32的光敏面能够充分探测到粒子散射光。 

本发明的气溶胶粒子浓度传感器的工作过程是：通电后，光源1发出激光束，在光电探测器32的正上方形成照射区域，激光束通过光电探测器32上方之后进入光陷阱；含被测粒子的气体在所述的风机2驱动下匀速地通过光电探测器32上方时被激光束照射后发出散射光脉冲，该散射光脉冲被光电探测器32接收并转化为电脉冲信号，信号处理模块将这个电脉冲信号进行放大，从而形成具有适当幅度的电压脉冲信号。 

本发明气溶胶粒子浓度检测方法，通过对所述的气溶胶粒子浓度传感器输出的电压脉冲信号进行比较、计算、分析后，将分析结果输出。该检测方法包括以下步骤： 

(1)确定0.3μm粒径档的甄别电压91： 

在洁净空气中测量所述的气溶胶粒子浓度传感器输出的噪声脉冲信号。待气溶胶粒子浓度传感器运行稳定后，取高于噪声脉冲峰值的最大值为0.3μm粒径档的甄别电压为V1； 

(2)确定0.5μm粒径档的甄别电压92： 

在0.5μm标准粒子气溶胶中测量所述的气溶胶粒子浓度传感器输出的脉冲信号，待气溶胶粒子浓度传感器运行稳定后，计算一定测量时间周期内峰值电压大于等于0.3μm粒径档甄别电压的脉冲总数N1、峰值电压大于一个高于V1的电压值V2的脉冲个数N2，当N2/N1达到50％时，即把电压值V2作为0.5μm粒径档的甄别电压； 

按照类似的方法确定其他粒径档的甄别电压。 

(3)测量d_x粒径档的数量浓度校正因子93： 

以标准的尘埃粒子计数器作为参照仪器，在相同条件下，计算相同测量周期内本发明的气溶胶粒子浓度传感器和参照仪器的d_x粒径档的粒子计数值的比值，测试多组比值，取其平均值作为气溶胶粒子浓度传感器d_x粒径档的数量浓度校正因子a_x。 

(4)确定被测粒子的质量浓度转换系数94： 

根据(3)中的方法测量得到的d_x粒径档粒子数量浓度为N，按下列公式计算D粒径以下的气溶胶粒子质量浓度m：  $m=1.324\×{10}^{-9}{D}^{0.85}{d}_x^{2.15}\mathrm{N\ρ}$

以标准颗粒物质量浓度检测仪作为参照仪器，在相同条件下测量多组N和 多组m，经过多次测量，算出密度ρ的平均值，作为质量浓度转换系数； 

(5)测量d_x粒径档的粒子数量浓度95： 

在一定测量时间周期内测量超过由(2)确定的d_x档位甄别电压的脉冲数N_x，并将N_x与d_x档位对应的校正因子a_x的乘积做为d_x粒径档的气溶胶粒子数量浓度N_dx。 

(6)测量D粒径以下的粒子质量浓度96： 

由d_x粒径档的粒子数量浓度N_dx和(4)确定的粒子质量浓度转换系数，按下列公式计算D粒径以下的气溶胶质量浓度m：  $m=1.324\×{10}^{-9}{D}^{0.85}{d_x^{2.15}N}_{\mathrm{dx}}\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}.$

下面以具体设计参数来验证本发明：光源1选用5mW的半导体激光器，峰值波长为650nm，焦斑的直径为φ1mm；风机2采用叶片直径22mm、功率约为0.6W的静音轴流式风扇；上腔体4和光源固定板31使用塑料材质加工，气路通道42是一个6mm×6mm的方形通道；光电探测器32选用PIN型光电二极管，其光敏面大小为3mm×4mm，响应频率可达25MHz；光源固定板31连接于电路板33上；光电探测器32焊接于电路板33上，在电气线路上与电路板33的散射光信号处理模块连接起来。该传感器的输出信号为电压脉冲信号，可有效探测粒径为0.3μm以上的气溶胶粒子。 

Claims (4)

1.一种气溶胶粒子浓度传感器，特征在于其构成包括在一个腔体内的光路模块、气路模块和信号处理模块，所述的光路模块包括：光源(1)和光路通道(41)，所述的气路模块，包括风机(2)与气路通道(42)，所述气路通道(42)的气流入口处和气流出口处设有弯道结构和挡板结构，在所述的风机(2)驱动下含有气溶胶粒子的气体经气流入口、气路通道(42)从气流出口输出，所述的信号处理模块包括光电探测器(32)、信号处理电路和集成接口，所述集成接口包括第一电源接口端(35)、第二电源接口端(36)和信号输出端(37)，所述的第一电源接口端(35)、第二电源接口端(36)分别与所述的光源(1)和风机(2)相连，所述的光电探测器置于所述的气路通道(42)中，所述的光源(1)发出的光照射在所述的光电探测器(32)的光敏面上方的气路通道(42)中，所述的气路通道(42)的气溶胶粒子产生散射光，所述的光电探测器(32)将所述的散射光转换为电脉冲信号，所述的信号处理电路对光电探测器输出的电脉冲信号进行电流-电压转换以及电压放大后，从所述的信号输出端(37)输出。

2.根据权利要求1所述的气溶胶粒子浓度传感器，其特征在于所述气路通道的横截面面积大于光电探测器的光敏面面积，使光电探测器的光敏面能够充分探测到粒子散射光。

3.根据权利要求1所述的气溶胶粒子浓度传感器，其特征在于所述的光源(1)为半导体激光器。

4.利用权利要求1所述的气溶胶粒子浓度传感器进行气溶胶粒子浓度的检测方法，该检测方法包括以下步骤：

1)确定0.3μm粒径档的甄别电压：在洁净空气中测量所述的气溶胶粒子浓度传感器输出的噪声脉冲信号，待气溶胶粒子浓度传感器运行稳定后，取噪声脉冲峰值的最大值为0.3μm粒径档的甄电压V1；

2)确定0.5μm粒径档的甄别电压：在0.5μm标准粒子气溶胶中测量所述的气溶胶粒子浓度传感器输出的脉冲信号，待气溶胶粒子浓度传感器运行稳定后，计算一定测量时间周期内峰值电压大于等于0.3μm粒径档甄别电压V1的脉冲总数N1、峰值电压大于一个高于V1的电压值V2的脉冲个数N2，当N2/N1达到50％时，即把电压值V2作为0.5μm粒径档的甄别电压；

3)按照步骤2)的方法确定其他粒径档的甄别电压；

4)测量d_x粒径档的数量浓度校正因子：以标准的尘埃粒子计数器作为参照仪器，在相同测量条件下，计算相同测量周期内本发明的气溶胶粒子浓度传感器和参照仪器的d_x粒径档的气溶胶粒子计数值的比值，测试多组比值，取平均值作为气溶胶粒子浓度传感器d_x粒径档的数量浓度校正因子a_x；

5)确定被测粒子的质量浓度转换系数：根据步骤4)中的方法测量得到的d_x粒径档粒子数量浓度为N，按下列公式计算D粒径以下的气溶胶粒子质量浓度m：

$m=1.324\×{10}^{-9}{D}^{0.85}{d}_x^{2.15}\mathrm{N\ρ}$

以标准的颗粒物质量浓度检测仪作为参照仪器，在相同条件下测量多组N和多组m，经过多次测量，算出密度ρ的平均值作为质量浓度转换系数；

6)测量d_x粒径档的粒子数量浓度：在一定测量时间周期内测量超过由步骤2)确定的d_x档位甄别电压的脉冲数N_x，并将N_x与d_x档位对应的校正因子a_x的乘积做为d_x粒径档的气溶胶粒子的数量浓度N_dx；

7)测量D粒径以下的粒子质量浓度：

由d_x粒径档的粒子数量浓度N_dx和步骤5)确定的粒子质量浓度转换系数，按下列公式计算D粒径以下的气溶胶质量浓度m：

$m=1.324\×{10}^{-9}{D}^{0.85}{d_x^{2.15}N}_{\mathrm{dx}}\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}$