CN104677792A - 便携式空气品质判断装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种便携式空气品质判断装置。在一实施例中，便携式空气品质判断装置包括：光源单元，向空气中发射预定波长的光；光检测单元，检测与发射的所述光被空气中的粒子散射而形成的散射光相关的信息；运算单元，分析与由所述光检测单元所收集的所述散射光相关的信息，而且，提供由所述运算单元计算出的所述空气内粒子的大小信息和浓度信息。

Description

便携式空气品质判断装置

技术领域

本发明涉及一种便携式空气品质判断装置。

背景技术

最近，我国的空气品质正急剧恶化。工业化的高速发展，导致我国的大气中的有害重金属的浓度超过了警戒线。而且，对于居住于建筑物内部的情况来说，有报告指出微尘、甲醛、浮游细菌等污染物质污染着室内空气，由此诱发了鼻子、眼睛、喉咙的干燥和疼痛，打喷嚏，鼻塞，疲劳之类的室内空气综合症(sick building syndrome)。

因此，普通人对于上述污染物质的关注逐渐在增加。但是，通过舆论报道的关于污染物质的浓度的信息依据在特定场所和特定时间检测的数据，因此存在难以作为通常的数据使用的缺点。因此，一直以来对于用来检测实际生活的场所周边空气的污染程度的便携式大气污染检测装置存在需求，而作为一例，韩国公开专利号第2001-0103916号中公开了利用具备气体传感单元的手机的大气污染检测系统。

发明内容

本发明提供能够容易检测生活空间的空气污染程度的便携式空气品质检测装置。

提供根据本发明的一方面的便携式空气品质判断装置。所述便携式空气品质判断装置包括：光源单元，向空气中发射预定波长的光；光检测单元，检测与发射的所述光被空气中的粒子散射而形成的散射光相关的信息；运算单元，分析与由所述光检测单元所收集的所述散射光相关的信息，而且，提供由所述运算单元计算出的所述空气内粒子的大小信息和浓度信息。

提供根据本发明另一方面的便携式空气品质判断单元。所述便携式空气品质判断装置包括污染信息检查单元和能够与所述污染信息检查单元组装或分离的污染信息计算单元。所述污染信息检查单元包括：光源单元，向空气 中发射预定波长的光；光检测单元，检测发射的所述光被空气中的粒子散射而形成的散射光。所述污染信息计算单元包括：控制单元，控制所述光源单元、所述光检测单元；运算单元，分析与由所述光检测单元所收集的散射光相关的信息。

提供根据本发明又一方面的便携式空气品质判断装置的操作方法。所述操作方法中，利用光源单元向空气中发射预定波长的光。利用光检测单元收集与发射的所述光被所述空气内的粒子散射而形成的散射光相关的信息。利用运算单元，分析与由所述光检测单元所收集的所述散射光相关的信息，提供所述空气内粒子的大小信息和浓度信息。

根据本发明的实施例，利用光源单元向空气中发射预定波长的光，并通过光检测单元检测发射的光被空气中的污染粒子散射而形成的散射光，据此能够确保空气中的污染粒子的大小和浓度信息。

通过将所述光源单元和所述光检测单元结合到便携式装置，可以容易地判定用户周边的污染度。

附图说明

图1为示意性地示出根据本发明第一实施例的便携式空气品质判断装置的方框图。

图2为示意性地示出根据本发明第二实施例的便携式空气品质判断装置的方框图。

图3为示意性地示出根据本发明一实施例的光源单元和光检测单元的剖视图。

图4为示意性地示出根据本发明另一实施例的光源单元和光检测单元的图。

图5为示意性地示出根据本发明一实施例的便携式终端装置的图。

图6为示意性地示出根据本发明一实施例的散射光的检测方式的模式图。

符号说明

100：便携式空气品质判断装置  200、500：便携式终端装置

301、401：空气流入口         302：空气排出口

305：主体单元，              310、410：光源单元

315、415：光学透镜           320、420：光检测单元

330：检测管        405：主体单元

610：光源单元      620：对象空间

630：光检测单元 

具体实施方式

本发明的实施例的记载中，“第一”和“第二”之类的记载是为了区分部件，并不用于限定部件本身或表示特定的顺序。而且，所谓位于某一部件的“上面”，或者“上部”或“下部”、“侧面”的记载表示相对的位置关系，并不用于限定与该部件直接接触或两个界面之间进一步导入其他部件的特定情形。并且，某一构成要素“连接于”或“设置于”其他构成要素的记载，可表示直接连接于或接续于其他构成要素，或者中间还可以介入其他单独的构成要素而构成连接关系或接续关系。在整个说明书中，相同的附图标记可表示实质相同的构成要素。

本说明书中，公开用户可以容易地判断自身所处场所周边的空气污染程度的便携式空气品质判断装置。为了便于携带，空气品质判断装置可以将发光二极管作为光源使用。此时，在一实施例中，为了与具有更微细的尺寸的污染粒子进行反应，可采用发射波长比可见光更短的紫外线的紫外线发光二极管。而且，为了检测污染粒子的大小和浓度，采用通过光检测器检测所述紫外线被污染粒子所散射的散射光的量的方式。

图1为示意性地示出根据本发明第一实施例的便携式空气品质判断装置的方框图。参照图1，便携式空气品质判断装置100包括光源单元110和光检测单元120。而且，便携式空气品质判断装置100可包括控制单元130、运算单元140以及显示单元150。

光源单元110可以向需要检测空气污染度的场所的空气发射预定波长的光。为此，光源单元110可以包括发光二极管作为光源使用。所述发光二极管能够实现小型化，可容易地安装于便携式终端装置之内。所述发光二极管可提供具有窄的半值宽的单一波长的光。发光二极管例如可提供具有紫外线、可见光或红外线区域的波长的光。作为具体一例，所述发光二极管可提供具有约300至400nm的波长的紫外线。

光检测单元120可检测由光源单元110所发射的光被空气中的污染粒子散射的散射光。检测出的散射光可以是通过瑞利散射(Rayleigh scattering)或米 氏散射(Mie scattering)产生的散射光。

通常，瑞利散射是由尺寸小于与粒子碰撞的入射光的波长的粒子所产生的散射，通过所述瑞利散射产生的散射光的强度反比于所述入射光的波长的四次方。所述米氏散射是由尺寸相同或相近于与粒子碰撞的入射光的波长的粒子所产生的散射，通过所述米氏散射产生的散射光的强度反比于所述入射光的波长。如此，瑞利散射对于提供的入射光的波长反应灵敏，因此可有利于检测尺寸小于入射光的波长的粒子。

另外，当作为入射光的一实施例而提供波长短于可见光的紫外线光，并检测瑞利散射引起的散射光时，可具有能够容易地进行空气中的微细污染物质的检测的一个构成上的特点。

如上所述，光检测单元120可向控制单元130提供与空气中的粒子的大小信息和浓度信息相关的散射光的接收信息。

控制单元130可控制光源单元110和光检测单元120的操作。控制单元130可确定光源单元110的光照射时机，且可以与此同步地调节光检测单元120的光收集操作。

运算单元140可基于散射光的接收信息计算出空气内的粒子大小和浓度信息。为此，运算单元140可包括对借助光检测单元的所述散射光的接收信息进行运算的运算装置。

显示单元150可显示光源单元110、光检测单元120以及控制单元130的操作状态。显示单元150可显示由运算单元140计算出的空气内的污染信息。或者，显示单元150可显示由运算单元140计算出的对象空间内的粒子大小信息和浓度信息。

图2为示意性地示出根据本发明第二实施例的便携式终端装置的方框图。参照图2，便携式终端装置200可包括作为第一主体单元的污染信息检查单元10和作为第二主体单元的污染信息计算单元20。所述第一主体单元和所述第二主体单元可构成为相互组装或分离。

污染信息检查单元10可包括光源单元115和光检测单元125。光源单元115可以向需要检测空气污染度的场所的空气发射预定波长的光。光源单元115可以包括发光二极管作为光源使用。所述发光二极管能够实现小型化，可容易地安装于便携式终端装置之内。所述发光二极管可提供具有窄的半值宽的单一波长的光。发光二极管例如可提供具有紫外线、可见光或红外线区 域的波长的光。作为具体一例，所述发光二极管可提供具有约300至400nm的波长的紫外线。

光检测单元125可检测由光源单元115所发射的光与空气中的污染粒子碰撞而生成的散射光。检测出的散射光可以是通过瑞利散射(Rayleigh scattering)或米氏散射(Mie scattering)产生的散射光。光检测单元125可以将与空气内的粒子的大小和浓度信息相关的散射光的接收信息提供给控制单元135。

污染信息计算单元20可包括控制单元135、运算单元145、通信单元147以及显示单元155。控制单元135可控制光源单元115和光检测单元125的操作。运算单元145可基于散射光的接收信息计算出空气内的粒子大小信息和浓度信息。为此，运算单元145可包括运算借助光检测单元125的所述散射光的接收信息的运算装置。

通信单元147可利用无线或有线通信装置向其他终端或基站之类的通信媒体发送通过运算单元145计算出的空气内的污染信息。或者，通信单元147可从其他终端或基站之类的其他通信媒体接收与所述空气污染相关的信息。

显示单元155可显示光源单元115、光检测单元125、控制单元135、运算单元145以及通信单元147的操作状态。显示单元155可显示由运算单元145计算出的空气中的污染信息。或者，显示单元155可显示由运算单元145计算出的所述对象空间内的粒子大小信息和浓度信息。

在若干实施例中，显示单元155可配备触摸输入装置，从而接收与光源单元115、光检测单元125、控制单元135、运算单元145和通信单元147的操作相关的用户的输入指令。

根据一实施例，作为第二主体单元的污染信息计算单元20可内置于便携式终端装置之内。便携式终端装置例如可以是个人数字助理(PDA：Personal Digital Assistant)、便携式计算机(Portable Computer)、无线电话(Wireless Phone)、移动电话(Mobile Phone)、智能手机(Smart Phone)等使用处理器运行的便携式电子系统。

作为一例，污染信息计算单元20的控制单元135、运算单元145、通信单元147和显示单元155可对应于内置在便携式终端装置内的处理器、通信模块、多媒体模块和触摸输入模块，并可借助在处理器内执行的应用程序控制各自的操作。

作为第一主体单元的污染信息检查单元10可被制作为单独的模块而与作为第二主体单元的污染信息计算单元20结合使用。对于用户来说，在自身持有的作为第二主体单元的便携式终端装置的内部设置用于控制污染信息检查单元10的应用程序，从而可以控制污染信息检查单元10。

图3为示意性地示出根据本发明一实施例的光源单元和光检测单元的剖视图。光源单元310和光检测单元320的结构实质上与本发明的第一实施例和第二实施例的光源单元110、115以及光检测单元120、125相同。

如图3所示，在具备空气流入口301和空气排出口302的主体单元305之内将光源单元310和光检测单元320设置为相互面对。光源单元310和光检测单元320之间可布置检测管330。从光源单元310发射的预定波长的光在检测管330之内与空气粒子碰撞而生成散射光，而生成的散射光可以由光检测单元320检测出来。

空气流入口301和检测管330之间可布置流入管340而使空气流入到检测管330，检测管330和空气排出口302之间可布置排出管350而使完成散射检查的空气排出到外部。

从光源单元310发射的光可被光学透镜315汇集而提供至检测管330。被检测管内部的粒子散射的散射光可维持预定的散射角而被光检测单元320所接收。

图4为示意性地示出根据本发明另一实施例的光源单元和光检测单元的图。光源单元410和光检测单元420的结构实质上与本发明的第一实施例和第二实施例的光源单元110、115以及光检测单元120、125相同。

在本实施例中，相对于通过空气流入口401流入到主体单元405内的空气，光源单元410和光检测单元420可相邻而布置。针对向光源单元410和光检测单元420的上部流动的空气的粒子，光源单元410照射预定波长的光，而光检测单元420检测所述光与所述空气中的粒子碰撞而产生的散射光。

光源单元410的上部布置有光学透镜415，从而可汇集从光源单元410发射的光而向上部方向照射。

光检测单元420布置在光源单元410的侧面而可以接收散射的光。虽然图中举例示出光检测单元420被布置在光源单元410的两侧面的结构，但并不局限于此，光检测单元420也可以布置于光源单元410的某一侧面。

图5为示意性地示出根据本发明一实施例的便携式终端装置的图。图5 中的便携式终端装置500可以是参照图2详述的便携式终端装置200的一个实现例。

便携式终端装置500可包括检查模块510和终端装置520。检查模块510实质上与图2的便携式终端装置200的污染信息检查单元10相同，终端装置520实质上与图2的便携式终端装置200的污染信息计算单元20相同。

检查单元510和终端装置520可以被构成为以连接单元530为媒介相互结合。终端装置520例如可以是个人数字助理(PDA：Personal Digital Assistant)、便携式计算机(Portable Computer)、无线电话(Wireless Phone)、移动电话(Mobile Phone)、智能手机(Smart Phone)等使用处理器运行的便携式电子系统。据此，用户在自身持有终端装置520的基础上只需要购入检查单元510，通过将该检查单元510组装到终端装置520，可以容易地检测出用户周边的空气污染程度。

以下，简要地说明利用根据本发明实施例的光源单元和光检测单元的空气品质判断方法的原理。检测使所述光源单元提供的预定波长的光碰撞空气中的粒子而产生的散射光的方法例如可利用静态光散射模式(static light scattering mode)和动态光散射模式(dynamic light scattering mode)。

图6为示意性地说明根据本发明一实施例的散射光的检测方式的模式图。从光源单元610发射的光61与空气中的预定对象空间620内的粒子碰撞而生成散射光62，而该散射光62被光检测器630所收集。

首先，在静态光散射模式中，入射光I₀和散射光I的强度可依据以下数学式1的关系式。

【数学式1】

在此，n₀表示包含粒子的对象空间内的空气的折射率，a表示粒子的半径，r表示粒子和光检测器之间的平均距离、λ表示散射光的波长，表示在所述对象空间内的粒子的体积分率，θ表示入射光和散射光之间的角度。

在数学式1中，n₀、r、λ、θ是已知的值，I/I₀可通过静态光散射模式实验测定。因此，可从数学式1导出粒子的半径a和基于粒子的体积分率的所述空气的折射率变化()之间的关系式。

另外，在动态光散射模式中，基于预定阶跃时间τ的经过的散射光的强 度可依据以下数学式2至数学式3的关系式。在动态光散射模式中，在预定的β时间t内，向对象空间发射脉冲形态的光，并随着预定阶跃时间τ的经过而测定光检测器中检测到的散射光的强度。所述阶跃时间τ例如可以采用4msec(毫秒)以内的时间。

【数学式2】

$g^2(q;\mathrm{\&tau;})=\frac{<I\left(t\right)I(t+\mathrm{\&tau;})>}{{<I\left(t\right)>}^2}......\left(2\right)$

在此, $q=\frac{4\mathrm{\&pi;}{n}_0}{\mathrm{\&lambda;}}\sin \frac{\mathrm{\&theta;}}{2}$

【数学式3】

$g^2(\mathrm{\&theta;};\mathrm{\&tau;})=1+\mathrm{\&beta;}{\left[\exp (-{\left(\frac{4\mathrm{\&pi;}{n}_0}{\mathrm{\&lambda;}}\sin \left(\frac{\mathrm{\&theta;}}{2}\right)\right)}^2\mathrm{D\&tau;})\right]}^2......\left(3\right)$

在此，

g(q；τ)和g(θ；τ)表示自动校正函数(autocorrelation fuction)，可在数学式2中通过实验测定获得。q为通过上述数学式表示的波动函数。I(t)和I(t+τ)为各自的散射光的强度，<I(t)>表示预定时间内的从所述对象空间内检测出的散射光强度的平均值，<I(t)I(t+τ)>表示各个时间上的所述散射光的强度的乘积的平均值。β表示校正系数(correction term)，k_B表示波兹曼常数，η表示空气媒介的固有粘度(intrinsic viscosity of medium)。D表示对象空间内的粒子的扩散系数。T表示对象空间内的温度。

在数学式3中，n₀、r、λ、θ是已知的值，τ可通过动态光散射模式实验确定。将从数学式2导出的g(q；τ)值代入到数学式3时，可以导出与粒子的半径a和粒子的体积分率相关的数学式。

利用从数学式2和数学式3中导出的关系式时，可以计算出对象空间内的粒子的半径a和粒子的体积分率据此，可以确保对象空间内的空气中的污染粒子的大小和浓度信息。T表示对象空间的温度。

为了执行上述的运算，例如图1和图2的运算单元140、145可包括存储由光检测单元120、125所收集的散射光的信息的存储装置、信息运算装置以及空气品质分析装置。所述存储装置可存储按照测定时间t分别确保的散射光的信息。所述信息运算装置基于所确保的散射光的信息，可以计算出散射强度的平均值或可以算出所述自动校正函数。所述空气品质分析装置基于由 所述信息分析装置计算出的信息，可以分析出对象空间内的空气中的污染粒子的大小、分布以及浓度等。而且，空气品质分析装置可以判定分析出的污染粒子的信息是否与实际信息充分一致。即，作为一列，空气品质分析装置可对分析出的结果执行干扰信息的去除、基于测定环境的温度或湿度的分析信息的校正等作业。为此，可对标准样品周期性地进行与事先确保的污染信息的比较以及校正作业。

如上所述，本发明的实施例中，可一同执行静态光散射模式和动态光散射模式而分析散射光。通过利用从相互不同的所述模式分别导出的粒子的半径a和粒子的体积分率的关系式，可以更加准确地计算出对象空间内的空气中的污染粒子的大小和浓度。如上所述，虽然通过举例说明了本申请的实施方式，但这是为了说明本申请的主旨，并不是要通过具体的形态来限定本申请的主旨。只要反映出本申请中提出的技术思想，就可以存在多种的其他变形例。

Claims (15)

1.一种便携式空气品质判断装置，包括：

光源单元，向空气中发射预定波长的光；

光检测单元，收集与发射的所述光被空气中的粒子散射而形成的散射光相关的信息；

运算单元，分析与由所述光检测单元所收集的所述散射光相关的信息，

而且，提供由所述运算单元计算出的所述空气内粒子的大小信息和浓度信息。

2.根据权利要求1所述的便携式空气品质判断装置，其中，所述运算单元通过运算包含与所述散射光相关的r、λ、n₀、θ信息的数学式而提供空气中的预定对象空间内的粒子的大小和浓度信息，

其中，r表示所述粒子和所述光检测单元之间的平均距离，λ表示所述散射光的波长，n₀表示包含所述粒子的预定对象空间内的空气的折射率，θ表示入射到所述粒子的光和散射光之间的角度。

3.根据权利要求2所述的便携式空气品质判断装置，其中，所述数学式包括第一散射光检测式和第二散射光检测式，

所述第一散射光检测式如下：

所述第二散射光检测式如下：

$g^2(\mathrm{\&theta;};\mathrm{\&tau;})=1+\mathrm{\&beta;}{\left[\exp (-{\left(\frac{4\mathrm{\&pi;}{n}_0}{\mathrm{\&lambda;}}\sin \left(\frac{\mathrm{\&theta;}}{2}\right)\right)}^2\mathrm{D\&tau;})\right]}^2,$

在此，

其中，I表示散射光的强度，I₀表示入射光的强度，a表示所述粒子的半径，表示所述空气的预定对象空间内的所述粒子的体积分率，β表示校正系数，k_B表示波兹曼常数，η表示空气媒介的固有粘度，τ表示预定阶跃时间，g(θ；τ)表示自动校正函数，D表示所述预定对象空间内的粒子的扩散系数，T表示对象空间内的温度。

4.根据权利要求1所述的便携式空气品质判断装置，其中，所述光源单元和所述光检测单元被布置为相互面对，

在位于所述光源单元和所述光检测单元之间的检测管之内，从所述光源单元照射的光与所述空气中的粒子碰撞而生成散射光，所生成的散射光被所述光检测单元检测。

5.根据权利要求1所述的便携式空气品质判断装置，其中，所述光源单元和所述光检测单元相邻而布置，

对于向所述光源单元和所述光检测单元的上部流动的所述空气中的粒子，所述光源单元照射光，所述光检测单元检测所述光与空气中的粒子碰撞而产生的散射光。

6.根据权利要求1所述的便携式空气品质判断装置，其中，还包括：

控制单元，用于控制所述光源单元和所述光检测单元的操作；

显示单元，用于显示由所述运算单元计算出的污染信息或由所述运算单元计算出的所述空气内的粒子大小信息和浓度信息。

7.一种便携式空气品质判断装置，其中，包括：

污染信息检查单元；以及

污染信息计算单元，能够与所述污染信息检查单元组装或分离，

所述污染信息检查单元包括：

光源单元，向空气中发射预定波长的光；以及

光检测单元，检测发射的所述光被所述空气中的粒子散射而形成的散射光，

所述污染信息计算单元包括：

控制单元，控制所述光源单元和所述光检测单元；以及

运算单元，分析与由所述光检测单元所收集的散射光相关的信息。

8.根据权利要求7所述的便携式空气品质判断装置，其中，所述污染信息计算单元还包括：

通信单元，用于传送通过所述运算单元计算出的所述空气内粒子的大小信息和浓度信息。

9.根据权利要求7所述的便携式空气品质判断装置，其中，所述污染信息计算单元内置于从由个人数字处理、便携式计算机、无线电话、移动电话以及智能手机构成的群中选择的任一装置内。

10.根据权利要求7所述的便携式空气品质判断装置，其中，所述污染信息计算单元能够内置于便携式终端装置的内部，并且利用所述便携式终端装置的应用程序控制所述污染信息检查单元的操作。

11.一种便携式空气品质判断装置的操作方法，包括如下步骤：

利用光源单元向空气中发射预定波长的光；

利用光检测单元收集与发射的所述光被所述空气内的粒子散射而形成的散射光相关的信息；

利用运算单元分析与所述光检测单元所收集的所述散射光相关的信息，从而提供所述空气中的粒子的大小和浓度信息。

12.根据权利要求11所述的便携式空气品质判断装置的操作方法，其中，利用所述运算单元分析与所述散射光相关的信息的步骤还包括如下步骤：通过运算包含与所述散射光相关的r、λ、n₀、θ信息的数学式而确保空气中的预定对象空间内的粒子的大小和浓度信息，

其中，r表示所述粒子和所述光检测单元之间的平均距离，λ表示所述散射光的波长，n₀表示包含所述粒子的预定对象空间内的空气的折射率，θ表示入射到所述粒子的光和散射光之间的角度。

13.根据权利要求12所述的便携式空气品质判断装置的操作方法，其中，所述数学式包括第一散射光检测式和第二散射光检测式，

所述第一散射光检测式如下：

所述第二散射光检测式如下：

$g^2(\mathrm{\&theta;};\mathrm{\&tau;})=1+\mathrm{\&beta;}{\left[\exp (-{\left(\frac{4\mathrm{\&pi;}{n}_0}{\mathrm{\&lambda;}}\sin \left(\frac{\mathrm{\&theta;}}{2}\right)\right)}^2\mathrm{D\&tau;})\right]}^2,$

在此，

其中，I表示散射光的强度，I₀表示入射光的强度，a表示所述粒子的半径，表示在预定对象空间内的所述粒子的体积分率，β表示校正系数，k_B表示波兹曼常数，η表示空气媒介的固有粘度，τ表示预定阶跃时间，g(θ；τ)表示自动校正函数，D表示对象空间内的粒子的扩散系数，T表示对象空间内的所述空气的温度。

14.根据权利要求11所述的便携式空气品质判断装置的操作方法，其中，还包括如下步骤：利用显示单元显示由所述运算单元计算出的所述空气中的粒子的大小信息和浓度信息。

15.根据权利要求11所述的便携式空气品质判断装置的操作方法，其中，还包括如下步骤：利用通信单元将由所述运算单元计算出的所述空气中的粒子大小信息和浓度信息传送给其他通信媒体。