CN104749075B - 空气粒子检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空气粒子检测装置。该空气粒子检测装置包括：空气入口(5)；风道，为空气从空气入口(5)进入后的流动通道；该风道被设置为至少包括沿第一方向延伸的第一风道和沿第二方向延伸的第二风道；激光光源(8)，其用于对流经风道的空气进行激光照射；光学传感器(7)，其设置在风道中，用于检测由激光照射空气所产生的散射光，并将光信号转换为电信号；空气出口(6)；风扇(17)，其设置在空气出口(6)侧，用于将空气吸入和排出该空气粒子检测装置；控制部，其通过对光学传感器(7)发送来的电信号进行处理来检测空气中的粒子的质量浓度。

Description

空气粒子检测装置

技术领域

本发明总体上涉及空气粒子检测，具体地涉及一种利用激光散射法来进行粒子浓度分析的空气粒子检测装置。

背景技术

随着工业的飞速发展，全球空气质量正在不断劣化。空气中的各种粒子很多都是对健康有害的。因此市场上出现了很多对空气粒子进行检测的装置。尤其是因为目前备受关注的PM2.5使人们更加重视空气质量对于健康的影响，近年来市场上出现了很多种PM2.5粒子检测仪，空气检测仪技术得到快速发展和广泛应用。

现有的常规空气检测仪主要有以下两种：

1、光散射计数式。通过散射光，计算出空气中粒子数目，乘以比例系数得到质量浓度。这种方法获得结果较快，但在当空气中粒子种类、性质、工艺流程等条件有变化时，必须进行LD 98-1996第6.4条规定的K值的重新测定，而这一重新测定往往需要数小时之久。

2、滤膜称重式。即使一定体积的空气通过已知质量的滤膜，悬浮于空气中的颗粒物被阻留在滤膜上，根据滤膜增加的质量和通过滤膜空气的体积，确定空气中总悬浮颗粒物的质量浓度。但是这种采样方法需要一定的空气通过滤膜的时间。在采样的过程中，空气的颗粒也因为采样而减少造成检测的误差。同时在使用一段时间后，消费者必须对滤膜进行清洁或更换。

发明内容

鉴于以上问题提出了本发明，本发明的目的是克服以上两种产品技术的缺陷，能够快速、实时地得出空气中粒子质量浓度，并且在空气中粒子种类、性质、工艺流程等条件有变化时，无需进行LD 98-1996第6.4条规定的K值的重新测定，填补了空气粒子检测领域上对空气粒子实时、高精度、一致性检测的空白。

本发明的一方面提供了一种空气粒子检测装置，包括：空气入口；风道，为空气从空气入口进入后的流动通道；该风道被设置为包括沿第一方向延伸的第一风道和沿第二方向延伸的第二风道所述第一风道为由隔板Ⅰ和隔板Ⅱ构成的窄风道，所述第二风道为由隔板Ⅱ、隔板Ⅲ和塑料筋形成的宽风道，所述第一方向与所述第二方向有角度偏移；激光光源，其用于对流经风道的空气进行激光照射；光学传感器，其设置在第二风道中，用于检测由激光照射空气所产生的散射光，并将光信号转换为电信号；空气出口；风扇，其设置在空气出口侧，用于将空气吸入和排出该空气粒子检测装置；控制部，其通过对光学传感器发送来的电信号进行处理来检测空气中的粒子的质量浓度，其中所述第一风道位于所述空气入口附近，所述第二风道与所述激光光源的照射区域相对应，所述第一风道和所述第二风道的连接处形成有弯口，从所述弯口出来的空气被所述激光光源照射，所述第一风道与所述第二风道的横截面积不同；所述弯口由隔板Ⅳ和隔板Ⅴ构成，其中隔板Ⅳ与隔板Ⅰ相连，隔板Ⅴ与隔板Ⅱ相连。

优选的是，所述控制部根据包含在所述电信号中的脉冲数量来确定粒子个数，根据脉冲峰值强度来确定粒径，并根据脉冲宽度和所得的粒径来得到粒子质量，其中，光脉冲峰值强度＝k1*R²，R为粒子半径，光脉冲宽度＝k2*M/R²，M为粒子质量，由标准粒子发生器产生质量和半径已知的粒子，让粒子通过光路测量光脉冲的宽度和峰值强度，从而确定k1和k2。

优选的是，所述激光光源照射方向与第二风道垂直。

优选的是，本发明的空气粒子检测装置还包括供电单元，用于对所述风扇、所述激光光源、所述光学传感器、所述控制器进行供电。

优选的是，本发明的空气粒子检测装置还包括显示单元，用于显示检测到的粒子的质量浓度。

优选的是，所述控制部根据所述光学传感器发送的电信号来控制所述激光光源、所述风扇和所述显示单元。

附图说明

附图与文字描述一起用来对本发明的实施方式作进一步的说明。其中

图1是根据本发明第一实施方式的空气粒子检测装置的立体图；

图2是沿着图1的3-3线切开的分解图，示出了空气粒子检测装置的内部结构；

图3是沿着图1的3-3线截取的截面图；

图4是根据本发明第一实施方式的空气粒子检测装置的电路结构图；

图5是示出当粒子通过光路时，其反射光所产生的光脉冲波形。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施方式。在所有附图中，相同标号表示相同元件，并省略其重复说明。

(1)工作原理

本发明采用了激光照射大气中的细颗粒物来进行检测的技术，通过激光对空气中的颗粒进行照射，使高精密的光学传感器能对粒子的粒径、反光强度等信息进行检测，达到了高精度捕获粒子运动状态、体积、质量等信息，具有精度高、实时性好、操作简单等优势，具有解决了国内相关领域低成本高精度实时检测的问题的意义。

气体对流系统使外界空气以均匀速度通过风道。风道中设有高精度光学传感器以获得粒子的反光强度信息。反光强度信息可用于确定粒径。

风道采用特殊设计，使粒子的速度向量与质量负相关，质量越大的粒子在空气中运动的速度越慢，所以称反比关系即负相关。从而由速度向量得到粒子质量信息。

同时通过光学传感器测得的单位时间内流过的粒子数量，加以统计学原理，继而计算出粒径符合要求的总的粒子质量。

光学传感器将光信号转变成电信号，并将电信号给控制器。控制器处理所接收到的电信号并且据此来控制激光光源、风扇和显示屏。

因为整体通风量与风道相关，为已知条件，所以能实时得到空气中所关注的粒子的质量浓度。

(2)装置结构

图1是根据本发明实施方式的空气粒子检测装置的立体图。如图1所示，该实施方式的空气粒子检测装置包括显示屏1、按键2、防滑凹槽4。显示屏1用于显示结果和基本信息。按键2包括电源、按住/选择、模式三个按键。防滑凹槽4的目的是方便拿取该装置、防止滑落。

图2是沿着图1的3-3线切开的分解图，示出了空气粒子检测装置的内部结构。如图2所示，该实施方式的空气粒子检测装置由装置前壳10和装置后壳9构成。空气从进风口5进入装置中，然后经过特殊的内部结构。激光灯8发出激光照射在进入装置的空气粒子上。空气粒子被激光照射而产生散射光，散射光照射到光学传感器7上。可以经过算法计算出粒径和粒子质量。空气从出风口6排出装置外部。

下面结合图3详细描述该实施方式的空气粒子检测装置的结构。

图3是沿着图1的3-3线截取的截面图。如图3所示，空气沿箭头方向从进风口5进入空气粒子检测装置中的窄风道。在图3中，窄风道在水平方向的宽度明显小于在垂直方向上的长度。窄风道由隔板11和14构成。随后，空气流经由隔板12和隔板13构成的弯口。激光光源8固定在底座19上，因此激光光源8在空气粒子检测装置中的位置不变且不会晃动，并且与光学传感器7在一条垂直线上。

当空气流经由隔板12和隔板13构成的弯口时，激光照射在弯口附近的空气粒子上，被激光照射的粒子产生了散射光。这些散射光入射在光学传感器7上。控制器(图中未示出)将光学传感器7产生的光信号转化成电信号。通过对所得到的电信号进行处理，可以得到所需要的粒径和粒子数量的信息。

空气被照射时处在由隔板14、15和塑料筋16(塑料筋具有隔离光照的作用，但不阻碍空气的流动)组成的空间区域内。空气在离心风扇17的作用下穿过塑料筋16和离心风扇17到达出气口6，从而排出到装置外部。至此完成了一次完整的检测空气粒子的过程。

如上所述，隔板11和隔板14组成了窄风道，隔板14、15和塑料筋16组成了宽风道。

此外，该实施方式的空气粒子检测装置还包括锂电池18，用于给该装置供电。

离心风扇17和激光光源8成对角线方向设置，也就是说，离心风扇17和激光光源8分别放置于设备的两个处在同一对角线的顶角上，例如左上角和右下角，或者左下角和右上角。这样的构造可以为风道留下足够的空间，更方便实现激光照射方向垂直于风道空气流动方向。这样当离心风扇17以一定转速转动时，空气从进风口5沿着由隔板11和隔板14组成的窄风道集中进入到空气粒子检测装置中由隔板14、15和塑料筋16组成的宽风道中。另外，还保证了空气粒子集中被激光照射并反射在设置于弯口附近的光学传感器上。

实施方式1的这种结构具有明显优势。具体来讲，如果改变离心风扇17和激光光源8的相对位置，比如变为垂直方向，也就是说，离心风扇17和激光光源8分别放置于设备的两个不处在同一对角线的顶角上，比如都放在图中左边的顶角上，就会压缩风道的空间，从而增加设计的难度，并且进入到空气粒子检测装置的空气不能集中地被激光光源照射。

如果空气粒子检测装置内部没有设置这种由隔板11、14围成的窄风道，则空气从进风口5直接进入到由隔板14、15和塑料筋16组成的空间区域内。激光光源8照射由隔板14、15和塑料筋16组成的空间区域内的空气，这时分布在上述空间的只是分散的、不集中的空气。激光照射在分散的空气上，光学传感器7接收到的反射光也是不集中的，因此产生了少量的光信号，不利于统计分析当前时刻的空气中粒子的含量，得出的值也不够精准。

另外，窄风道和宽风道的连接处有一个小的弯口，空气通过弯口出来恰好集中被激光光源8照射，此时大部分空气粒子会被激光光源8照射，然后反射到光学传感器7上。如果没有这种风道结构，进入空气粒子检测装置的空气会分散，那么激光光源8照射时只有少部分粒子会被照射到。对少量数据进行分析不利于数据统计，因此得到的粒子质量浓度不准确。

(3)电路结构

本发明实施方式的空气粒子检测装置由开关电路、供电模块、风扇模块、检测模块、屏幕模块、锂电池充电模块等组成。下面参照图4来进一步详细说明空气粒子检测装置的电路结构。

如图4所示，锂电池充电模块和供电电池给整个电路供电，提供3.7V电压，然后经过升压芯片升压以向其他电路模块供电。具体来讲，

(1)电池电压经由升压芯片被升至5V,然后降压至3.3V来给检测模块、CPU和激光模块供电；

(2)电池电压经由升压芯片被升至5V,然后给风扇模块供电；

(3)电池电压经由升压芯片被升至12V，然后给屏幕模块供电；

(4)检测电路模块将光学传感器接收的光信号转换成电信号并发送给CPU。CPU控制激光模块、风扇模块和屏幕模块。CPU控制激光模块不断地发出激光、控制风扇的转速、控制显示屏显示所检测的数据信息。

下面详细介绍各个模块。

1.开关电路：通过升压芯片以及调制电阻的比例将电压由5V升至12V，肖特基二极管起到单向导通作用，防止电压反向。开关电路由MOS管搭建起到开关完全的作用，防止出现在关闭时装置不能立刻停止的状态。

2.供电模块：将锂电池电压通过升压芯片转换成5V电压，此模块中电源和地通过耦合电容进行隔离，滤除不需要的高频信号，防止干扰。

供电模块分为三路，一是通过升压芯片升至5V给风扇模块供电；二是通过升压芯片升至5V，再降压到3.3V给检测电路模块、CPU和激光模块供电(因为此处直接将锂电池3.7V电压降为3.3V时，会产生纹波(纹波是指在直流电压中叠加在直流稳定量上的交流量))；三是通过升压芯片将电压升至12V给屏幕供电。

3.风扇模块：利用CPU对离心风扇17进行转速调节，使从进风口5进入装置的空气可以不受外界风速干扰，(离心风扇开始转动，空气被吸入装置，由于离心风扇具有稳定风速的功能，因此空气以稳定的速度进入风道然后被激光照射。)气体进入装置后稳定在一定的速度范围内。这样稳定的气体流经隔板11和隔板14组成的窄风道，通过装置内部隔板的阻挡，可以通过隔板12和隔板13形成的弯口集中进入隔板14、15、塑料筋16围成的空间区域内。

4.检测模块：稳定速度的空气通过上述风道可以被激光均匀照射。被照射的空气中有当前环境的粒子，粒子被激光照射后会产生散射光。产生的散射光被反射到高精度的光学传感器上，可以精确地获得粒子的粒径、反光强度等信息。根据获得的脉冲数量可以确定粒子个数，由脉冲峰值强度可以得到粒径，由脉冲宽度结合上述测得的粒径可以得到粒子质量。

下面结合图5来说明对粒子的测量。

理想情况下，当一个粒子通过光路时，其反射光所产生的光脉冲波形如图5所示。

光脉冲峰值强度与粒子横截面积成正比，即与其半径的平方成正比。设该比例系数为K1，有

光脉冲峰值强度＝k1×R^2，式中R为粒子半径。

(注：光脉冲峰值强度是光脉冲强度的最大值。如图中所示理想情况下的矩形波，其峰值强度即为矩形波高度)

同时，当一个粒子通过光路时，其速度越慢，反射光所产生的光脉冲持续时间就越长，也就是宽度越宽，与粒子速度成反比。由于风道的特殊设计，粒子速度与粒子质量成反比，与横截面积成正比。设该比例系数为K2，有

光脉冲宽度＝K2×M/R^2，式中M为粒子质量。

(注：光脉冲持续时间是脉冲所能持续的时长)

通过标准的粒子发生器，可以产生质量和半径已知的粒子。让这种粒子通过光路，测量该粒子形成的光脉冲的宽度和峰值强度，就可以确定K1和K2的值。这些值对每一台机器都是固定不变的。

在一段时间内，多个粒子通过光路，从而产生连续的光脉冲。通过上述确定的K1和K2，可以通过每个光脉冲的宽度和峰值高度，来确定该光脉冲所对应的粒子的质量和半径。剔除半径大于2.5的粒子的质量，将半径小于等于2.5的粒子的质量相加，然后除以这段时间内的空气体积，就能得到质量浓度。

在实际中，光脉冲峰值强度和宽度与粒子质量和半径的关系不会像理想情况下那么严格的线性，而且半径大于2.5的粒子，其动力学半径也不一定大于2.5。可以采用实验对比的方法，得出更符合实际的关系式，但是上述的原理仍然可以得到运用。特别的是，每台空气粒子检测装置制造出来后，都可以通过标准的粒子发生器进行校准，以获得更好的测量效果。

上述的使得粒子速度与粒子质量成反比，与横截面积成正比的特殊设计的风道，有多种实现方式，其中一种是风速可以突然增大的风道。这种风速的突然增大可以用抽风机来实现，或者当空气从开阔地带进入狭窄地带也会出现风速的突然增加。当风速突然增加时，空气中的粒子由于惯性，一开始速度仍然保持较低。这时每个粉尘受到的空气的摩擦力与横截面积成正比。根据牛顿运动定律，其加速度与质量成反比。由加速度对时间积分得到的速度也与横截面积成正比，同时与质量成反比。故而粒子速度与粒子质量成反比，与横截面积成正比。

类似于这一种方式，也有使风速突然降低的设计。这种设计原理类似上述方式，只需要在统计方面做相应改变。

另一种方式是改变风的流动方向，在改变的方向上，风速也是从无到有的，类似于风速突然增大。

另一种方式是利用布朗运动。根据统计力学和分子空气动力学的计算，质量越大，横截面积越小的微粒，其在空气中的布朗运动速度越低，质量越小，横截面积越大的微粒，其在空气中的布朗运动速度越高。从而实现了粒子速度与粒子质量成反比，与横截面积成正比的相关关系。

以上描述了多种使得粒子速度与粒子质量相关的技术，然而，本发明不应被理解为局限于上述技术方案，本领域技术人员可以利用以上任意一种技术或者它们的任意组合。例如，可以仅仅改变风道的宽度而不改变风道的方向、仅仅改变风道的方向而不改变风道的宽度、在同一位置改变风道的宽度和风道的方向、在不同位置改变风道的宽度和风道的方向，等等。所有这些通过测量粒子速度以得到粒子质量的方案都应落入本专利的保护范围之中。

5.屏幕模块：将检测到的粒子的质量浓度实时地显示在屏幕上，并且可以在屏幕上显示优良等级。

以上结合一个具体实施方式对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。应理解的是，以上仅仅是出于例示的目的介绍了本发明的一个具体实施方式，并不是要限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种空气粒子检测装置，包括：

空气入口(5)；

风道，为空气从空气入口(5)进入后的流动通道；该风道被设置为包括沿第一方向延伸的第一风道和沿第二方向延伸的第二风道，所述第一风道为由隔板Ⅰ(11)和隔板Ⅱ(14)构成的窄风道，所述第二风道为由隔板Ⅱ(14)、隔板Ⅲ(15)和塑料筋(16)形成的宽风道，所述第一方向与所述第二方向有角度偏移；

激光光源(8)，其用于对流经风道的空气进行激光照射；

光学传感器(7)，其设置在所述第二风道中，用于检测由激光照射空气所产生的散射光，并将光信号转换为电信号；

空气出口(6)；

风扇(17)，其设置在空气出口(6)侧，用于将空气吸入和排出该空气粒子检测装置；

控制部，其通过对光学传感器(7)发送来的电信号进行处理来检测空气中的粒子的质量浓度，其中

所述第一风道位于所述空气入口(5)附近，所述第二风道与所述激光光源(8)的照射区域相对应，所述第一风道和所述第二风道的连接处形成有弯口，从所述弯口出来的空气被所述激光光源(8)照射，所述第一风道与所述第二风道的横截面积不同；所述弯口由隔板Ⅳ(12)和隔板Ⅴ(13)构成，其中隔板Ⅳ(12)与隔板Ⅰ(11)相连，隔板Ⅴ(13)与隔板Ⅱ(14)相连。

2.根据权利要求1所述的空气粒子检测装置，其中所述控制部根据包含在所述电信号中的脉冲数量来确定粒子个数，根据脉冲峰值强度来确定粒径，并根据脉冲宽度和所得的粒径来得到粒子质量，其中，光脉冲峰值强度＝k1*R²，R为粒子半径，光脉冲宽度＝k2*M/R²，M为粒子质量，由标准粒子发生器产生质量和半径已知的粒子，让粒子通过光路测量光脉冲的宽度和峰值强度，从而确定k1和k2。

3.根据权利要求1所述的空气粒子检测装置，其中，所述激光光源(8)的照射方向与所述第二风道垂直。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的空气粒子检测装置，还包括供电单元(18)，用于对所述风扇(17)、所述激光光源(8)、所述光学传感器(7)、所述控制器进行供电。

5.根据权利要求1-3中任意一项所述的空气粒子检测装置，还包括显示单元(1)，用于显示检测到的粒子的质量浓度。

6.根据权利要求5所述的空气粒子检测装置，其中，所述控制部根据所述光学传感器(7)发送的电信号来控制所述激光光源(8)、所述风扇(17)和所述显示单元(1)。