CN106979910B - 一种基于微米粒子捕捉的pm2.5浓度检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于微米粒子捕捉的检测方法，PM2.5浓度检测装置包括：微米粒子捕获装置，微型气压传感装置和PM2.5浓度显示装置；其微米粒子捕获装置采用有7种孔径大小的石墨烯薄层捕捉0.07μm～2.5μm的颗粒，配合U型气腔和抽气泵使用，其U型气腔由凹槽型圆硅片及穿孔型圆硅片键和而成，其微型气压传感装置可实时检测U型气腔内气压，并显示U型气腔内气压，其PM2.5浓度显示装置与微型气压传感装置相连，利用该PM2.5浓度检测装置定标PM2.5浓度与U型气腔内气压的关系以后只需要检测出U型气腔内气压便可在PM2.5浓度显示装置上显示出当前环境的PM2.5的浓度，克服了现有PM2.5浓度检测装置自动化程度低的缺点。
Description
技术领域
本发明属于空气质量检测技术领域，尤其涉及一种基于微米粒子捕捉的PM2.5浓度检测装置及检测方法。
技术背景
生活中的雾霾与PM2.5颗粒物息息相关，我们可以通过检测PM2.5的浓度，对雾霾天气进行定量评价。传统PM2.5检测装置比较复杂，技术含量较高，因此传统的PM2.5浓度检测成本也非常高。
现有的PM2.5浓度检测仪中，大多数是通过光学的手段，如图像信息的处理，申请号为201410200873的发明专利《基于无参考图像清晰度评价的PM2.5浓度检测仪》，提出了一种利用图像信息判断PM2.5浓度的检测装置与方法，该发明采用了无参考图像的技术方案，通过测量多个目标得到图像的模糊累计概率，再与能见度清晰处图像的模糊累计概率比较，确定最终目标物，激光测距单元测量最终目标物的距离，PM2.5浓度显示单元通过能见度与PM2.5浓度关系计算PM2.5浓度。这种利用图像来监测PM2.5浓度的检测装置，利用光学的手段，需要用到多个目标以及激光测距仪，检测成本高，且测试步骤繁琐，计算量大，检测效果并不理想且自动化程度较低。
申请号为CN201480000500.3的发明专利《一种PM2.5浓度检测装置》，提出一种利用空气颗粒散射的光强度转换为颗粒脉冲信号，进而对该信号进行放大，与预设的PM2.5电压脉冲信号进行比对，得到较高精度的PM2.5浓度检测值。这种利用颗粒散射的光强度转化为电压脉冲信号来检测PM2.5浓度的检测装置，同样是利用光学的手段，需要大量的电阻、电容、放大器和电源等有源和无源器件，检测装置较为复杂，成本较高。
本发明专利提出一种基于微米粒子捕捉的PM2.5浓度检测装置及其检测方法，提出一种全新的PM2.5浓度检测装置，大大提高了PM2.5浓度检测的自动化程度，且MEMS器件易于大批量生产，大大节省了生产成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于微米粒子捕捉的PM2.5浓度检测装置，该检测装置不需要大量的图像分析或复杂的数学计算便可以得到空气中PM2.5浓度值，大大提高了PM2.5浓度检测装置的自动化程度。
本发明的实施例是这样实现的：一种基于微米粒子捕捉的PM2.5浓度检测装置包括：微米粒子捕获装置，微型气压传感装置，PM2.5浓度显示装置；微米粒子捕获装置包括U型气腔，石墨烯，抽气泵，U型气腔由倒棱台凹槽型硅片及通孔型硅片键合而成，倒棱台凹槽型圆硅片位于通孔型硅片的正下方，通孔型硅片有两个通孔，分别为左通孔和右通孔，石墨烯置于左通孔的正上方并覆盖其上，石墨烯上均匀分布微米量级的小孔，每个小孔在石墨烯的占空比为60％，抽气泵位于右通孔的正上方，微型气压传感装置包括气压传感器及外部显示器，气压传感器紧贴于抽气泵的右下方，位于U型气腔内，并与外部显示器连接，外部显示器贴合在倒棱台凹槽型硅片的背面，PM2.5浓度显示装置与外部显示器相连接。
所述的倒棱台凹槽型硅片与通孔型硅片均为长方体，长度为2cm，宽度为1cm，厚度为300μm。
所述的左通孔和右通孔的形状均为正方形，边长为3mm。
所述的石墨烯的直径大小为4.5mm。
所述的小孔的孔径大小有7种，分别为0.07μm，0.12μm，0.19μm，0.32μm，0.54μm，0.90μm，1.50μm。
所述的小孔的孔径的个数按1∶2∶3∶4∶3∶2∶1的比例分布。
本发明实施例的另一个目的在于提供一种基于微米粒子捕捉的PM2.5浓度检测装置的检测方法，包括：利用抽气泵对U型气腔进行抽气，致使石墨烯表面发生压强差并可以吸附空气中的直径从0.07μm～2.5μm的粒子，将该装置置于PM2.5浓度为50μg/m3的环境中测试，得到该浓度下U型气腔内的气压值，改变测试环境中PM2.5浓度值，重复测量，得到不同PM2.5浓度下由于捕捉微米颗粒而引起U型气腔内的稳定的气压变化值，并通过数据拟合，标定得到PM2.5浓度与U型气腔内气压的关系，并将该关系应用于该PM2.5浓度检测装置。在测量环境中PM2.5浓度时候，只需要将该装置置于空气中通过抽气泵抽气，利用微型气压传感装置检测U型气腔内气压即可获得PM2.5浓度值。
所述的检测方法中测试环境中的PM2.5浓度的范围是50μg/m3到500μg/m3。
所述的检测方法中稳定的气压变化值由对应的PM2.5浓度下连续三次测量得到的气压变化值的平均值表示。
由于采用上述方案，本发明具有以下优点：
(1)该装置轻巧易于携带。
(2)石墨烯小孔的分布有利于对微米粒子的捕捉。
(3)整个检测装置自动化程度较高。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。
图1是该基于微米粒子捕捉的PM2.5浓度检测装置的剖面图。
图2是该基于微米粒子捕捉的PM2.5浓度检测装置的微米粒子捕获装置剖面图。
图3是该基于微米粒子捕捉的PM2.5浓度检测装置的微米粒子捕获装置侧视图。
图4是该基于微米粒子捕捉的PM2.5浓度检测装置的倒棱台凹槽型硅片侧视图。
图5是该基于微米粒子捕捉的PM2.5浓度检测装置的通孔型硅片侧视图。
图6是该基于微米粒子捕捉的PM2.5浓度检测装置的检测方法流程图。
具体实施方式
图1至图5中，基于微米粒子捕捉的PM2.5浓度检测装置包括：微米粒子捕获装置10，微型气压传感装置20，PM2.5浓度显示装置30，特征在于其微米粒子捕获装置10，包括U型气腔11，石墨烯12，抽气泵13，U型气腔11由倒棱台凹槽型硅片111及通孔型硅片112键合而成，倒棱台凹槽型硅片111位于通孔型硅片112的正下方，通孔型硅片112有两个通孔，分别为左通孔1121及右通孔1122，石墨烯12置于左通孔1121的正上方并覆盖其上，石墨烯12上均匀分布微米量级的小孔，每个小孔在石墨烯的占空比为60％，抽气泵12位于右通孔1122的正上方，微型气压传感装置20包括气压传感器21及外部显示器22，气压传感器21紧贴于抽气泵12的右下方，位于U型气腔11内，并与外部显示器22连接，外部显示器22贴合在倒棱台凹槽型硅片111的背面，PM2.5浓度显示装置30与外部显示器22相连接。
图1至图6中，该装置的检测方法：利用抽气泵13对U型气腔11进行抽气，致使石墨烯12表面发生压强差并可以吸附空气中的直径从0.07μm～2.5μm的粒子，将该装置置于PM2.5浓度为50μg/m3的环境中测试，得到该浓度下U型气腔11内的气压值，改变测试环境中PM2.5浓度值，重复测量，得到不同PM2.5浓度下由于捕捉微米颗粒而引起U型气腔11内的稳定的气压变化值，并通过数据拟合，标定得到PM2.5浓度与U型气腔11内气压的关系，并将该关系应用于该PM2.5浓度检测装置。在测量环境中PM2.5浓度时候，只需要将该装置置于空气中通过抽气泵抽气，利用微型气压传感装置20检测U型气腔11内气压即可获得PM2.5浓度值。
Claims (8)
1.一种基于微米粒子捕捉的PM2.5浓度检测方法，PM2.5浓度检测装置包括：微米粒子捕获装置，微型气压传感装置，PM2.5浓度显示装置，微米粒子捕获装置包括U型气腔，石墨烯，抽气泵，U型气腔由倒棱台凹槽型硅片及通孔型硅片键合而成，倒棱台凹槽型硅片位于通孔型硅片的正下方，通孔型硅片有两个通孔，分别为左通孔及右通孔，石墨烯置于左通孔的正上方并覆盖其上，石墨烯上均匀分布微米量级的小孔，每个小孔在石墨烯的占空比为60％，抽气泵位于右通孔的正上方，微型气压传感装置包括传感器及外部显示器，气压传感器紧贴于抽气泵的右下方，位于U型气腔内，并与外部显示器连接，外部显示器贴合在倒棱台凹槽型硅片的背面，PM2.5浓度显示装置与显示器相连接，其特征在于检测方法是：利用抽气泵对U型气腔进行抽气，致使石墨烯表面发生压强差并可以吸附空气中的直径从0.07μm～2.5μm的粒子，将该装置置于PM2.5浓度为50μg/m3的环境中测试，得到该浓度下U型气腔内的气压值，改变测试环境中PM2.5浓度值，重复测量，得到不同PM2.5浓度下由于捕捉微米颗粒而引起U型气腔内的稳定的气压变化值，并通过数据拟合，标定得到PM2.5浓度与U型气腔内气压的关系，并将该关系应用于该PM2.5浓度检测装置，在测量环境PM2.5浓度时候，只需要将该装置置于空气中通过抽气泵抽气，利用微型气压传感装置检测U型气腔内气压即可获得PM2.5浓度值。
2.根据权利要求1所述的一种基于微米粒子捕捉的PM2.5浓度检测方法，其特征在于所述的倒棱台凹槽型硅片与通孔型硅片的半径均为长方体，长度为2cm，宽度为1cm，厚度为300μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于微米粒子捕捉的PM2.5浓度检测方法，其特征在于所述的左通孔和右通孔的形状均为正方形，边长为3mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于微米粒子捕捉的PM2.5浓度检测方法，其特征在于所述的石墨烯的直径大小为4.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于微米粒子捕捉的PM2.5浓度检测方法，其特征在于所述的小孔的孔径大小有7种，分别为0.07μm，0.12μm，0.19μm，0.32μm，0.54μm，0.90μm，1.50μm。
6.根据权利要求5所述的一种基于微米粒子捕捉的PM2.5浓度检测方法，其特征在于所述的小孔的孔径的个数按1∶2∶3∶4∶3∶2∶1的比例分布。
7.根据权利要求1所述的一种基于微米粒子捕捉的PM2.5浓度检测方法，其特征在于检测方法中改变测试环境中PM2.5浓度值是以50μg/m3为初始值，500μg/m3为终值，步进为50μg/m3。
8.根据权利要求1所述的一种基于微米粒子捕捉的PM2.5浓度检测方法，其特征在于检测方法中稳定的气压变化值由对应的PM2.5浓度下连续三次测量得到的气压变化值的平均值表示。
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