CN106198458A - 大气污染物浓度检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大气污染物浓度检测仪，包括：信号光源调制模块，用于提供作为大气污染物浓度检测的检测光的平行准直激光光束；检测暗室及气流控制中心探测模块，通过提供暗室实现检测光与大气颗粒的作用，利用纳米薄膜核心芯片和硅光电池核心芯片对通过大气的检测光的散射光进行采集，产生电信号；信号驱动与采集模块，用于接收所述检测暗室及气流控制中心探测模块传输的电信号，对所述电信号进行放大后向显示模块传输；所述显示模块，用于接收放大后的所述电信号，根据预设电信号与污染物浓度的对应关系对接收到的所述电信号进行处理得到当前大气污染物浓度，并通过显示器显示所述当前大气污染物浓度。

Description

大气污染物浓度检测仪

技术领域

本发明涉及大气污染检测领域，特别是涉及一种大气污染物浓度检测仪。

背景技术

当今社会，环境污染已经成为全世界共同关注的话题。其中，由于与人类的呼吸直接相关，大气污染更是受到了越来越多的关注。目前已确认的大气污染物有100多种，这些污染物以分子状和粒子状两种状态分布于大气中。分子状污染物主要有硫氧化物、氮氧化物、一氧化碳、臭氧、卤代烃、碳氢化合物等。粒子状污染物主要有降尘、总悬浮颗粒物、飘尘等。

确定大气污染程度的很重要的一个指标是大气污染物浓度，因此，亟待提供一种能够有效检测大气污染物浓度的技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大气污染物浓度检测仪，实现对大气污染物的检测。

为实现上述目的，本发明提供一种大气污染物浓度检测仪，包括：

信号光源调制模块，用于提供作为大气污染物浓度检测的检测光的平行准直激光光束；

检测暗室及气流控制中心探测模块，包括上层的气体传导腔和下层的气体引流槽，所述气体传导腔包括进气口、连通所述进气口的匀气室、通过所述匀气室侧面的开口连通的暗室、在所述暗室的上下表面分别设置的硅光电池核心芯片和纳米薄膜核心芯片、进光口、出光口、以及电信号传输孔，其中，气流通过所述进气口进入所述匀气室，然后通过所述匀气室的侧面的开口进入所述暗室，所述检测光通过所述进光口进入所述暗室与所述气流中的颗粒发生作用产生散射光，所述纳米薄膜核心芯片和所述硅光电池核心芯片的检测表面均面向所述暗室，采集所述散射光产生电信号，所述电信号通过电线经所述电信号传输孔传输至信号驱动与采集模块，所述气体引流槽通过其顶部开口连通所述气体传导腔，排出通过所述暗室的气流；

所述信号驱动与采集模块，包括处理器，用于根据预设电信号与污染物浓度的对应关系对接收到的所述电信号进行处理得到当前大气污染物浓度；

显示模块，与所述信号驱动与采集模块电连接，用于通过显示器显示所述当前大气污染物浓度。

优选地，所述信号光源调制模块包括：

采用五维定位方式设置的光路调整装置，其上固定提供所述检测光的激光器；

光束转换器，用于固定一字镜片，将所述激光器发射的三维圆柱光转换为二维扇形光；以及

光线约束器，包括上下移动的挡板，用于调整进入所述检测暗室及气流控制中心探测模块的检测光的进入范围。

优选地，所述气体引流槽内包括气流引流器，用于控制所述暗室内的气体流动。

优选地，所述气体引流槽与所述信号驱动与采集模块连通，所述信号驱动与采集模块还包括：

信号驱动设备，用于为所述信号光源调制模块、所述纳米薄膜核心芯片和所述硅光电池核心芯片供电；

信号放大电路，用于放大所述硅光电池核心芯片的电信号；

距离感应器，用于感应所述光线约束器的上下挡板之间的距离，并传输至所述处理器；

所述处理器用于根据所述纳米薄膜核心芯片产生的电信号、所述信号放大电路产生的电信号、以及所述距离感应器感应的所述距离，产生所述当前大气污染物浓度。

优选地，所述信号驱动与采集模块还包括：湿度传感器及温度传感器，用于探测环境中的湿度及温度，并将探测结果传输至所述显示模块；

所述显示模块还用于显示所述环境中的湿度及温度。

采用本发明实施例提供的大气污染物浓度检测仪，通过双采集芯片对通过大气的激光散射光进行采集，根据采集的电信号的强弱确定大气污染物浓度，设备简单，检测灵敏度高，能够有效地实现对大气污染的监测。

附图说明

图1是本发明实施例提供的大气污染物浓度检测仪的结构示意图。

图2示出本发明实施例提供的信号光源调制模块的示例结构的俯视图。

图3示出三维圆柱光和二维扇形光的散射方式的横截面视图。

图4示出本发明实施例提供的暗室的三明治结构的俯视示意图。

图5示出本发明实施例提供的安装硅光电池核心芯片的构造的俯视示意图。

图6示出信号驱动与采集模块的示例结构的俯视示意图。

图7示出本发明实施例提供的大气污染物浓度检测仪的示例的整体构造的俯视示意图。

具体实施方式

在附图中，使用相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

光线通过均匀介质时会按直线方向传播，但实际介质总非绝对均匀。例如大气中由于存在微尘和微小液滴等导致介质不均匀。当光束通过这类不均匀介质时，除了透过以及可能发生的吸收外，入射光的一部分会偏离其原来的传播方向，而投射到其它方向，从而形成光的散射。散射现象的理论处理很复杂,为减轻复杂程度，不相关的单散射被应用。不相关的散射是指颗粒群中颗粒间距足够大(远大于粒径)，以及颗粒在空间分布是无规则的，它们的散射光不会因为相干而抵消，此时各颗粒散射可以认为是相互独立的。单散射是指每个颗粒的散射光产生再次散射的情况(复散射或多重散射)可以忽略。不相关散射和单散射度要求颗粒间的距离足够大，即颗粒浓度足够小。基于上述分析，当光束遇到大气中的颗粒污染物时发生光散射，并且散射光的强度跟大气污染物的浓度呈正相关关系，即浓度越高，散射光的强度就越大，通过不同的探测芯片采集不同颗粒浓度下的散射光信号，然后进行分析，就可以得到空气中颗粒物的浓度。

本发明实施例提供一种大气污染物浓度检测仪，如图1所示，包括信号光源调制模块10、检测暗室及气流控制中心探测模块20、信号驱动与采集模块30和显示模块40。

其中，信号光源调制模块10，用于提供作为大气污染物浓度检测的检测光的平行准直激光光束。该检测光包括稳定的不同波长的平行准直激光光束。

检测暗室及气流控制中心探测模块20，包括上层的气体传导腔21和位于所述气体传导腔下层的气体引流槽22(为了方便视图，图1中将气体引流槽22置于气体传导腔21的一侧，两者通过开口221上下连通)，所述气体传导腔21包括进气口211、连通所述进气口的匀气室212、通过所述匀气室侧面的开口(图1中气体传导腔21为俯视图，未示出匀气室侧面的开口)连通的暗室213、在所述暗室的上下表面(平行于纸面方向)分别设置的硅光电池核心芯片214(加粗实线所示)和纳米薄膜核心芯片215(加粗虚线所示)、进光口216、出光口217、以及电信号传输孔218，其中，气流通过所述进气口进入所述匀气室，然后向上进入所述暗室，所述检测光通过所述进光口进入所述暗室与所述气流中的颗粒发生作用产生散射光，所述纳米薄膜核心芯片和所述硅光电池核心芯片的检测表面均面向所述暗室，采集所述散射光产生电信号，所述电信号通过电线经所述电信号传输孔传输至信号驱动与采集模块，所述气体引流槽通过其顶部开口221连通所述气体传导腔，排出通过所述暗室的气流。需要说明，图1中关于检测暗室及气流控制中心探测模块20的构造仅是为了示意，而不用于限定其具体构成。例如，图1中的进光口216和出光口217仅是示意在侧面存在进光口216和出光口217，而不用于限定进光口216和出光口217的具体形状、构造。图1中的硅光电池核心芯片214和纳米薄膜核心芯片215仅用于示意在暗室的上下表面存在硅光电池核心芯片214和纳米薄膜核心芯片215，而不用于限定该两种芯片的具体形状和构造，其他器件相同，不再赘述。

所述信号驱动与采集模块30，与所述纳米薄膜核心芯片和所述硅光电池核心芯片电连接，用于接收所述纳米薄膜核心芯片和所述硅光电池核心芯片传输的电信号，对所述电信号进行放大后向显示模块传输；其中，该放大操作可以仅针对两种芯片中的一种，例如可以仅对硅光电池核心芯片传输的电信号进行放大处理；

所述显示模块40，与所述信号驱动与采集模块30电连接，用于接收放大后的所述电信号，根据预设电信号与污染物浓度的对应关系对接收到的所述电信号进行处理得到当前大气污染物浓度，并通过显示器显示所述当前大气污染物浓度。

下面对上述各模块进行进一步说明。

图2示出信号光源调制模块10的示例的结构的俯视图。如图2所示，信号光源调制模块10包括光路调整装置A1(包含A6、A7的所有虚线部分)、其上固定激光器A2、光束转换器A3及光线约束器A5。

光路调整装置A1如图2中虚线表示的区域，用于固定激光器A2，本装置采用五维定位方式，通过调整该装置A1的位置及激光的方向可以调整激光的出射方向，即进入检测暗室及气流控制中心探测模块20的方向。该装置的组合设计模式便于调换不同波长的激光器，图2中四个圆孔A7用于在水平和垂直方向上对激光器进行定位，圆孔A6用于在前后方向上调整激光器的位置，例如通过调整激光器在前后方向的位置可以改变激光器与透镜之间的距离，以便使得检测装置的聚焦更准确。

激光器A2用来产生激光光束，根据检测的需要可以选用波长为：248nm的紫外激光器、488nm的蓝光激光器、543nm的绿光激光器、633nm的红光激光器、785nm的红光激光器等，大大增加了信号光源的激光波长的范围，提高了该检测系统的实用性。

光束转换器A3用于固定一字镜片，用来接收来自激光器发射出的三维圆柱光，并将其转化成二维扇形光。图3示出三维圆柱光和二维扇形光的散射方式的横截面视图，从图中可以看出，圆柱形激光遇到空气污染物发生散射时，光线在横截面的四周都会发生散射，而二维激光散射的光线会射向上下方向，这种光线结构的转换使得探测芯片接收到的光线更具有说服力，增加了该装置探测的灵敏度及精确性。

光线约束器A5是用来调整进入模块20的二维光线的范围，调整方向如图中双箭头方向所示，可上下移动，使得光线约束器可以根据外界颗粒物的浓度来确定进入探测模块B中光线的多少。图中A4为用于固定光线约束器的槽。例如当颗粒物浓度高的时候，我们将约束器间的间距减小，使得进入探测模块B区域内的光线变少，避免颗粒物浓度过高引起的散射光线太强，对探测芯片的寿命有所影响，而且可以提高检测的灵敏度，所以该装置能够合理地调整光线约束器间的距离，有助于延长探测芯片的寿命，提高检测灵敏度。

检测暗室及气流控制中心探测模块20

多层检测暗室及气流控制中心探测模块20包括气体传导腔和位于所述气体传导腔下层的气体引流槽，其中，气体传导腔包括进气口、匀气室、和检测光与大气中的颗粒发生作用的暗室，该暗室的上表面(顶部)为硅光电池核心芯片，下表面(底部)为纳米薄膜核心芯片，检测光与气流沿平行于两芯片的方向在暗室内传输，这两种芯片与暗室构成“三明治”型多层空间复合结构，这种分层设计有助于实现光束、气流与两种芯片之间空间架构的高精度无空隙对接，实现了检测模块的多元件、高精度、集成化的设计方案。其中，本发明实施例提供的进气口和匀气室的设计仅为优选的实现方式，其他能够实现使外界气流进入暗室而不影响检测的设计方式同样可行，例如，可以设计进气口和匀气室位于模块20的下层，匀气室通过其顶部开口使外界气流进入上层暗室。或者，可以设计匀气室本身连通上下两层，气流从下层进气口进入，然后通过匀气室的上层的侧面开口进入暗室。

气体引流槽22内还可以包括气流引流器，用于控制暗室内的气体流动，并通过气体流动起到对设备内的器件的冷却散热作用。

图4示出暗室的三明治结构，需要说明，该三明治结构的形状并不唯一，以能够实线对大气中的颗粒浓度检测为准。如图4所示，该三明治结构包括硅光电池核心芯片槽41(加粗实线)、暗室213、进气口211、出气口221、进光口216和出光口217。

暗室213的底部(加粗虚线)用来放置纳米薄膜核心探测芯片，正面朝内，该芯片具有响应时间短、响应波长范围宽等优点，大大提高了检测仪的灵敏度，硅光电池槽41用于放置硅光电池核心芯片，正面与纳米薄膜核心芯片相对，背面朝外。其中，利用纳米薄膜核心探测芯片采集散射光的原理如下：纳米薄膜芯片，例如硒化镉纳米薄膜芯片，它们响应时间短，灵敏度高，该芯片接收到的光越强，自身电阻越小，给这个芯片通上恒定电流，就可以通过探测这个芯片上的电压来反应散射光的多少，此时就将散射的光信号转化为电信号，然后通过相关的数学公式，就将其转化成空气中实际的颗粒物数量。硅光电池核心芯片的原理如下：硅光电池核心芯片也是用来接收散射光的，接收强度不同的光，硅光电池上的电压信号也不同，所以可以用硅光电池反应电流的信号，并且最后将该信号传输至信号放大电路，然后传输至信号处理器。

图5示出安装硅光电池核心芯片214的构造的示意图，包括芯片固定底座51和芯片固定后盖52，其中底座51包括硅光电池槽511(图中虚线所示)和四个螺丝钉孔512，后盖52包括四个螺丝钉孔521和两个电信号传输孔522。其中，硅光电池槽511内部用于放置硅光电池核心芯片，硅光电池核心芯片的正面朝下，背面正对后盖。硅光电池核心芯片的两根电信号传输导线穿过后盖上的孔522，利用四个螺丝钉将底座和后盖固定在一起，该装置便可放在图4所示的硅光电池核心芯片槽41内，放置好后，硅光电池核心芯片的正面面向暗室，背面被后盖固定。由于该检测暗室及气流控制中心探测模块20的整个部分都是可以拆卸的，便于更换纳米薄膜核心芯片和硅光电池，并且可以自由选择其它不同规格的探测芯片，便于维修，节约材料，经济实惠。

如图4所示，检测过程中激光光线从进光口216进入暗室221，在暗室221内与空气中的颗粒物发生光散射，散射光被两个核心采集芯片接收处理，其余光束经过出光孔217离开暗室221。

信号驱动与采集模块30

图6示出信号驱动与采集模块30的示例结构的示意图。其中，信号驱动与采集模块30的侧壁上设计有进线口C5、散热孔C0、8个底座C4、开关口C6、接口AC。容易理解该具体结构仅是处于方便说明的目的，而不是要限定信号驱动与采集模块30必须采用该设计。

进线口C5有两个作用，进线口C5(左侧)用于放置三相电插孔，连接交流电源对信号驱动与采集模块30提供电信号。进线口C5(右侧)用于放置USB接口，连接电源适配器，为锂电池(用于为硅光电池核心芯片供电)充电。散热孔C0用于实现该模块产生的热量的排放。开关口C6用于放置小型双控开关，实现该模块中不同电路信号的通断控制。

接口AC是实现信号驱动与采集模块30与检测暗室及气流控制中心探测模块20以及信号光源调制模块10的电连接的接口，模块30通过接口AC向模块10提供恒定电压信号，用于为激光器供电，向模块20提供高精度恒定电流信号(为纳米薄膜核心芯片供电)并采集模块20中的两个核心芯片的电信号。

模块30内部用于放置交流驱动设备C1、锂电池驱动设备C2、信号放大电路及距离感应器C3、湿度传感器及温度传感器C7、数据存储输出设备C8，其中交流驱动设备C1及锂电池驱动设备C2用于为激光器A2、纳米薄膜核心芯片、气流控制中心提供需要的电压和电流信号，锂电池供电系统用于在外界不满足交流供电的情况下为驱动模块提供能量，使得该仪器使用起来更加便携。

信号放大电路用于放大硅光电池核心芯片的电压信号，距离感应器用于感应光线约束器A5的上下挡板间的距离，并传输至显示模块40内的信号处理器。

湿度传感器及温度传感器C7用于探测环境中的湿度及温度，灵敏度高、响应时间快，精确度高，该探测到的信息同样传输到显示模块40内的信号处理器。

显示模块40

显示模块40内包括信号处理器，用于接收模块30传输的纳米薄膜核心探测芯片和硅光电池核心芯片的电信号、以及光线约束器A5的上下挡板间的距离，根据预设计算方式计算得到当前大气污染物颗粒浓度，并且接收模块30传输的探测环境中的湿度及温度等信息，将这些信息与当前大气污染物颗粒浓度通过显示器一并显示给用户。其中，显示模块40可以包括各种显示模块，比如颗粒物浓度显示模块、温度显示模块、湿度显示模块、日期显示模块、累计次数显示模块、无线蓝牙传输设备等，直观方便的将检测的我们各项性能参数通过LED屏显示或者无线蓝牙技术传输至其他客户端的APP中，使得设备更加便捷，而且显示板面积较大，显示文字较大，也适合老年人辨认，从而增大了该检测仪的适用人群。

图7示出本发明实施例提供的大气污染物浓度检测仪的一种示例的整体构造的示意图。结合图7所示，气体从进气口211经匀气室212后，通过其侧面开口进入暗室，在气流控制中心的驱动下，气体从出气口221流出，离开暗室，进入气体传导腔，然后经过气流中转仓进入气体引流槽中，随后经过模块30与模块20之间的连通口23进入到模块30，最终经过模块30侧壁上的出气口C0流出，离开该装置。优选的，匀气室的侧面开口位置高于进气口的位置，避免外界光线进入暗室。

同时，激光器A2发射的三维圆柱形激光经过光束转换器A3转换成了二维扇形激光，经由光线约束器A5，通过进光口216进入到气体传导腔，随后进入暗室，经过纳米薄膜芯片与硅光电池的表面后，通过出光孔离开暗室。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。本领域的普通技术人员应当理解：可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种大气污染物浓度检测仪，其特征在于，包括：

信号光源调制模块，用于提供作为大气污染物浓度检测的检测光的平行准直激光光束；

检测暗室及气流控制中心探测模块，包括上层的气体传导腔和下层的气体引流槽，所述气体传导腔包括进气口、连通所述进气口的匀气室、通过所述匀气室侧面的开口连通的暗室、在所述暗室的上下表面分别设置的硅光电池核心芯片和纳米薄膜核心芯片、进光口、出光口、以及电信号传输孔，其中，气流通过所述进气口进入所述匀气室，然后通过所述匀气室的侧面的开口进入所述暗室，所述检测光通过所述进光口进入所述暗室与所述气流中的颗粒发生作用产生散射光，所述纳米薄膜核心芯片和所述硅光电池核心芯片的检测表面均面向所述暗室，采集所述散射光产生电信号，所述电信号通过电线经所述电信号传输孔传输至信号驱动与采集模块，所述气体引流槽通过其顶部开口连通所述气体传导腔，排出通过所述暗室的气流；

所述信号驱动与采集模块，与所述纳米薄膜核心芯片和所述硅光电池核心芯片电连接，用于接收所述纳米薄膜核心芯片和所述硅光电池核心芯片传输的电信号，对所述电信号进行放大后向显示模块传输；

所述显示模块，与所述信号驱动与采集模块电连接，用于接收放大后的所述电信号，根据预设电信号与污染物浓度的对应关系对接收到的所述电信号进行处理得到当前大气污染物浓度，并通过显示器显示所述当前大气污染物浓度。

2.如权利要求1所述的大气污染物浓度检测仪，其特征在于，所述信号光源调制模块包括：

采用五维定位方式设置的光路调整装置，其上固定提供所述检测光的激光器；

光束转换器，用于固定一字镜片，将所述激光器发射的三维圆柱光转换为二维扇形光；以及

光线约束器，包括上下移动的挡板，用于调整进入所述检测暗室及气流控制中心探测模块的检测光的进入范围。

3.如权利要求2所述的大气污染物浓度检测仪，其特征在于，所述气体引流槽内包括气流引流器，用于控制所述暗室内的气体流动。

4.如权利要求3所述的大气污染物浓度检测仪，其特征在于，所述气体引流槽与所述信号驱动与采集模块连通，所述信号驱动与采集模块还包括：

信号驱动设备，用于为所述信号光源调制模块、所述纳米薄膜核心芯片和所述硅光电池核心芯片供电；

信号放大电路，用于放大所述硅光电池核心芯片的电信号；

距离感应器，用于感应所述光线约束器的上下挡板之间的距离，并传输至所述处理器；

所述处理器用于根据所述纳米薄膜核心芯片产生的电信号、所述信号放大电路产生的电信号、以及所述距离感应器感应的所述距离，产生所述当前大气污染物浓度。

5.如权利要求4所述的大气污染物浓度检测仪，其特征在于，所述信号驱动与采集模块还包括：湿度传感器及温度传感器，用于探测环境中的湿度及温度，并将探测结果传输至所述显示模块；

所述显示模块还用于显示所述环境中的湿度及温度。