CN105241795B - 一种大气颗粒浓度的检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大气颗粒浓度的检测装置及检测方法，所述的检测装置包括基板、用于收集大气颗粒物谐振板、设置在所述的基板上的第一反射镜、设置在所述的谐振板上的第二反射镜、用于连接所述的基板与谐振板的支撑梁，所述的第一反射镜和第二反射镜之间形成光束干涉腔，所述的支撑梁用于在交流驱动电压的驱动下发生形变以使所述的谐振板震动，入射光依次通过第一反射镜和第二反射镜，在第二反射镜表面发生反射，形成反射光。本发明利用谐振板的谐振频率的变化求出聚集在谐振板上空气颗粒质量的变化，从而求出大气颗粒浓度。实现了PM2.5检测仪器的小型化，同时克服了现有技术中光散射法测量误差较大的缺点。
Description
技术领域
本发明涉及一种大气颗粒浓度的检测装置及检测方法，尤其涉及一种PM2.5质量浓度检测装置和检测方法。
背景技术
是衡量大气污染程度的主要指标之一。目前PM2.5的检测方法主要由滤膜称重法、微振荡天平法、β射线法和光散射法。滤膜称重法测量时间长，不能实现在线自动测量。微振荡天平法和β射线法可以实现在线自动测量，但是，仪器结构复杂，体积比较大，不便于携带，只适合于实验室、监测站等固定场所的检测。光散射法测量方便，体积小，但是测量误差比较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种小型化的大气颗粒浓度的检测装置及检测方法。
为解决以上技术问题，本发明采取如下技术方案：
一种大气颗粒浓度的检测装置，所述的检测装置包括基板、用于收集大气颗粒物谐振板、设置在所述的基板上的第一反射镜、设置在所述的谐振板上的第二反射镜、用于连接所述的基板与谐振板的支撑梁，所述的第一反射镜和第二反射镜之间形成光束干涉腔，所述的支撑梁用于在交流驱动电压的驱动下发生形变以使所述的谐振板震动，入射光依次通过第一反射镜和第二反射镜，在第二反射镜表面发生反射，形成反射光。
优选地，所述的第一反射镜和第二反射镜相互平行设置。
优选地，所述的干涉腔的初始光程差为入射光的波长一半的整数倍。
优选地，所述的检测装置还包括分光棱镜、用于产生入射光的光源、用于接收反射光的光电探测器，所述的光源发出的入射光通过所述的分光棱镜之后入射到第一反射镜和第二反射将之间的干涉腔内，反射光透过分光棱镜后传输到所述的光电探测器的表面，测得反射光的干涉光强。
优选地，所述的第一反射镜和第二反射镜均为多层介质反射膜，由氮化硅薄膜、二氧化硅薄膜和多晶硅薄膜组成。
优选地，所述的谐振板为二氧化硅矩形板，所述的检测装置包括4个支撑梁，所述的支撑梁一端通过一支撑柱固定在所述的基板上，另一端分别与所述的谐振板的四个顶点相连接。
优选地，所述的支撑梁包括二氧化硅支撑层、用于连接交流驱动电源的第一电极层和第二电机层、设置在所述的第一电极层和第二电极层之间的形变层，所述的形变层用于在交流驱动电压的驱动下发生形变，以带动所述的谐振板发生振动。
优选地，所述的形变层为压电陶瓷材料制成。
本发明还涉及一种大气颗粒浓度的检测方法，所述的检测方法采用上述大气颗粒浓度的检测装置，所述的检测方法包括以下步骤：使用交流驱动电压使所述的支撑梁发生形变，从而带动的谐振板发生震动，当检测到的反射光的干涉光强的变化幅度最大时，所述的驱动电压的驱动频率为谐振板的谐振频率，根据谐振频率的变化求出聚集在谐振板上的大气颗粒的质量，从而求出大气中大气颗粒的质量浓度。
优选地，所述的干涉腔的初始光程差为入射光的波长一半的整数倍，
当入射光从基板进入干涉腔后，发射光的发生多光束干涉，反射光的干涉光强为：
其中，I 0 为入射光强，R为镜面的反射率，l干涉腔的光程差，λ为入射光源的波长，当l干涉腔的光程差为入射光的波长一半的整数倍时，所述的反射光的干涉光强为0，
当支撑梁在电压驱动下发生形变，使得整个支撑梁向上弯曲，从而将谐振器抬高，改变干涉腔的光程差，由公式(1)可求得此时反射光的干涉光强为：
其中，Δ为由于支撑梁的弯曲导致谐振器发生的位移，当检测到的干涉光强变化幅度最大时，谐振器的谐振频率为驱动电压的驱动频率，谐振器的谐振频率用公式表示为：
其中，K为有效劲度系数，m为谐振板的有效质量，当谐振板的有效质量发生变化的时候，谐振板的谐振振动频率也发生变化，对公式（3）求一阶导数可得到谐振频率变化与有效质量变化之间的关系：
因此得出聚集在谐振板上的大气颗粒物的质量为：
从大气颗粒物的质量求出大气颗粒浓度。
由于以上技术方案的采用，本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明利用谐振板的谐振频率的变化求出聚集在谐振板上空气颗粒质量的变化，从而求出大气颗粒浓度。本发明使用的装置结构简单，操作简单，实现了PM2.5检测仪器的小型化，同时克服了现有技术中光散射法测量误差较大的缺点。
附图说明
图1为本发明所述的一种空气颗粒检测装置的结构示意图；
图2为本发明所述的基板和第一反射镜的结构示意图；
图3为本发明所述的谐振板和第二反射镜的结构示意图；
图4为干涉腔的结构示意图；
图5（a）为支撑梁的结构示意图；
图5（b）为支撑梁的在震动时的结构示意图；
图6为所述的检测装置在震动时的结构示意图；
图7为所述的检测装置工作状态的示意图，
100、基板；101、第一反射镜；101a，202a、氮化硅薄膜；101b，202b、二氧化硅薄膜；101c，202c、多晶硅薄膜；200、谐振器；201、谐振板；202、第二反射镜；300、支撑梁；301、支撑柱；302、二氧化硅支撑层；303、第一电极层；304、形变层；305、第二电极层；401、入射光；402、反射光；5、光源；6、分光棱镜；7、光电探测器；8、光电检测器。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明的基本原理、主要特征和优点，而本发明不受以下实施例的范围限制。实施例中采用的实施条件可以根据具体要求做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
如图所示为本发明所述的一种空气颗粒检测装置，所述的检测装置包括基板100、设置在基板100的上侧的用于收集大气颗粒物谐振器200、设置在所述的基板100上的第一反射镜101，所述的谐振器200包括谐振板201、设置在所述的谐振板201上的第二反射镜202、用于连接所述的基板100与谐振板201的支撑梁300，所述的第一反射镜101与第二反射镜202相互平行设置。所述的第一反射镜101和第二反射镜202均为多层介质反射膜，由氮化硅薄膜101a，202a、二氧化硅薄膜101b，202b和多晶硅薄膜101c，202c组成，优选地，谐振器200从上至下依次设置有多晶硅薄膜202c、二氧化硅薄膜202b、氮化硅薄膜202a、谐振板201，所述的基板100上从上至下依次设置有多晶硅薄膜101c、二氧化硅薄膜202a、氮化硅薄膜101a。所述的基板100为石英材料制成。
所述的谐振板201为二氧化硅矩形板，所述的支撑梁300由4个，支撑梁300的一端通过支撑柱301固定在所述的基板100上，另一端分别与所述的谐振板201的四个顶点相连接，所述的支撑梁300分别设置在谐振板201的四边周围。优选地，谐振板201由长和宽为50微米、厚度为1微米的二氧化硅矩形板。
所述的支撑梁300包括二氧化硅支撑层302、用于连接交流驱动电源的第一电极层303和第二电机层、设置在所述的第一电极层303和第二电极层305之间的形变层304，优选地，所述的形变层304为PZT层，即所述的形变层304为压电陶瓷材料制成。
所述的第一反射镜101和第二反射镜202之间形成光束干涉腔，所述的支撑梁300的第一电极层303和第二电极层305在连通交流驱动电压时，所述的形变层304发生形变，所述四个支撑梁300的形变层304一起发生振动时，带动所述的谐振板201振动。
所述的检测装置还包括分光棱镜6、用于产生入射光401的激光器光源5、用于接收反射光402的光电探测器7、用于计算反射光402的干涉光强的光电检测器8，所述的光源5发出的入射光401通过所述的分光棱镜6之后入射到第一反射镜101和第二反射将之间的干涉腔内，反射光402透过分光棱镜6后传输到所述的光电探测器7的表面，所述的光电检测器8与所述的光电探测器7相连接，计算出反射光402的干涉光强。在本发明中，所述的光源5为半导体激光器，所述的光源5发出的光为单色光束，优选地，波长为0.78微米。
所述的干涉腔的初始光程差为入射光401的波长一半的整数倍，当第一电极层303和第二电极层305连接交流驱动电压时，所述的形变层304发生形变，带动所述的谐振板201发生振动，在谐振板201发生振动时，振动板的位移小于1/4的入射光401波长，当入射光401从基板100进入干涉腔后，发射光的发生多光束干涉，反射光402的干涉光强为：
其中，I 0 为入射光401强，R为镜面的反射率，l干涉腔的光程差，λ为入射光401源的波长，当l干涉腔的光程差为入射光401的波长一半的整数倍时，在理想情况下，所述的反射光402的干涉光强为0。
当第一电极层303和第二电极层305连接交流驱动电压时，所述的形变层304发生形变，使得整个支撑梁300向上弯曲，从而将谐振器200抬高，改变干涉腔的光程差，谐振板201发生的位移为Δ，Δ≤1/4λ，由公式(1)可求得此时反射光402的干涉光强为：
当检测到的干涉光强变化幅度最大时，谐振器200的谐振频率为驱动电压的驱动频率，谐振器200的谐振频率用公式表示为：
其中，K为有效劲度系数，m为谐振板201的有效质量，当谐振板201的有效质量发生变化的时候，谐振板201的谐振振动频率也发生变化，对公式（3）求一阶导数可得到谐振频率变化与有效质量变化之间的关系：
因此得出聚集在谐振板201上的大气颗粒物的质量为：
从大气颗粒物的质量求出大气颗粒浓度。
大气中的PM2.5颗粒物在空气采样器的作用下聚集在谐振器200的上表面，谐振器200的有效质量发生变化，导致谐振器200的谐振频率发生变化。通过公式（5），根据谐振频率的变化可以求出谐振器200有效质量的变化，计算出聚集在谐振器200表面的PM2.5颗粒物的质量，从而求出大气中的PM2.5浓度。
以上对本发明做了详尽的描述，实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种大气颗粒浓度的检测装置，其特征在于：所述的检测装置包括基板、用于收集大气颗粒物的谐振板、设置在所述的基板上的第一反射镜、设置在所述的谐振板上的第二反射镜、用于连接所述的基板与谐振板的支撑梁，
所述的第一反射镜和第二反射镜之间形成光束干涉腔，所述的支撑梁用于在交流驱动电压的驱动下发生形变以使所述的谐振板震动，入射光依次通过第一反射镜和第二反射镜，在第二反射镜表面发生反射，形成反射光；
所述的谐振板为二氧化硅矩形板，所述的检测装置包括4个支撑梁，所述的支撑梁一端通过一支撑柱固定在所述的基板上，另一端分别与所述的谐振板的四个顶点相连接。
2.根据权利要求1所述的一种大气颗粒浓度的检测装置，其特征在于：所述的第一反射镜和第二反射镜相互平行设置。
3.根据权利要求1所述的一种大气颗粒浓度的检测装置，其特征在于：所述的干涉腔的初始光程差为入射光的波长一半的整数倍。
4.根据权利要求1所述的一种大气颗粒浓度的检测装置，其特征在于：所述的检测装置还包括分光棱镜、用于产生入射光的光源、用于接收反射光的光电探测器，所述的光源发出的入射光通过所述的分光棱镜之后入射到第一反射镜和第二反射镜之间的干涉腔内，反射光透过分光棱镜后传输到所述的光电探测器的表面，测得反射光的干涉光强。
5.根据权利要求1所述的一种大气颗粒浓度的检测装置，其特征在于：所述的第一反射镜和第二反射镜均为多层介质反射膜，由氮化硅薄膜、二氧化硅薄膜和多晶硅薄膜组成。
6.根据权利要求1所述的一种大气颗粒浓度的检测装置，其特征在于：所述的支撑梁包括二氧化硅支撑层、用于连接交流驱动电源的第一电极层和第二电极层、设置在所述的第一电极层和第二电极层之间的形变层，所述的形变层用于在交流驱动电压的驱动下发生形变，以带动所述的谐振板发生振动。
7.根据权利要求6所述的一种大气颗粒浓度的检测装置，其特征在于：所述的形变层为压电陶瓷材料制成。
8.一种大气颗粒浓度的检测方法，其特征在于：所述的检测方法采用权利要求1所述的大气颗粒浓度的检测装置，所述的检测方法包括以下步骤：使用交流驱动电压使所述的支撑梁发生形变，从而带动的谐振板发生震动，当检测到的反射光的干涉光强的变化幅度最大时，所述的驱动电压的驱动频率为谐振板的谐振频率，根据谐振频率的变化求出聚集在谐振板上的大气颗粒的质量，从而求出大气中大气颗粒的质量浓度。
9.根据权利要求8所述的一种大气颗粒浓度的检测方法，其特征在于：所述的干涉腔的初始光程差为入射光的波长一半的整数倍，
当入射光从基板进入干涉腔后，发射光的发生多光束干涉，反射光的干涉光强为：
其中，I0为入射光强，R为镜面的反射率，l为干涉腔的光程差，λ为入射光源的波长，当干涉腔的光程差l为入射光的波长一半的整数倍时，所述的反射光的干涉光强为0，
当支撑梁在电压驱动下发生形变，使得整个支撑梁向上弯曲，从而将谐振板抬高，改变干涉腔的光程差，由公式(1)可求得此时反射光的干涉光强为：
其中，Δ为由于支撑梁的弯曲导致谐振板发生的位移，当检测到的干涉光强变化幅度最大时，谐振板的谐振频率为驱动电压的驱动频率，谐振板的谐振频率用公式表示为：
其中，K为有效劲度系数，m为谐振板的有效质量，当谐振板的有效质量发生变化的时候，谐振板的谐振振动频率也发生变化，对公式(3)求一阶导数可得到谐振频率变化与有效质量变化之间的关系：
因此得出聚集在谐振板上的大气颗粒物的质量为：
从大气颗粒物的质量求出大气颗粒浓度。
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