CN107543783B - 一种基于声表面波的pm2.5检测器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于声表面波的PM2.5检测器，包括：上壳体(1)、下壳体(6)、虚拟冲击器(5)、声表面波检测器(12)、加热源(3)、左气流通道(13)、中气流通道(10)和右气流通道(15)；所述虚拟冲击器(5)的进气端(8)设有加速喷嘴，用于将入气口(4)流入的空气加速后吸入该虚拟冲击器(5)内，并根据空气中不同粒径的颗粒物进行分流；所述的声表面波检测器(12)通过检测沿其捕获粒子后的表面产生的声表面波传播速度的变化量，以获得该声表面波检测器(12)工作频率的变化量，进而计算得到空气中PM2.5质量浓度。本发明的上述PM2.5检测器具有便携性、高响应和简单工艺的优点。

Description

一种基于声表面波的PM2.5检测器

技术领域

本发明涉及声学、流体力学、传热学以及环境科学的交叉技术领域，特别涉及一种基于声表面波的PM2.5检测器。

背景技术

PM2.5是指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5μm的颗粒物，也称细颗粒物。PM2.5的来源和成因复杂，对人体和环境的危害非常显著。我国正大力开展的PM2.5监测的目的，正是在于通过监测的手段来控制PM2.5在空气中的质量浓度。

目前，各国环保部门广泛采用的PM2.5测定方法主要有三种，即重量法、β射线法和微量振荡天平法，基于上述方法的监测设备均属定点式监测。在便携式PM2.5监测设备中，主要方法是光散射法和MEMS微流体法。

重量法是通过采样器将空气中的PM2.5截留在已知质量的滤膜上，根据采样前后滤膜的质量差和采样体积，计算得到PM2.5的质量浓度。该方法为手工测量，日均检出限低，准确度较高；但费时费力，易引起人为测量误差，无法实现自动实时预报。β射线法是一种间接法，它根据颗粒物对碳-14释放的β射线的吸收强度进行分析，得到吸附在滤纸上的颗粒物浓度。该方法为自动监测，原理简单，容易维护；但其滤膜组分无法用于组分分析，对测试环境的湿度要求高，因此必须加固动态加热系统(DHS)来维持湿度稳定。微量振荡天平法是利用质量传感器内石英振荡锥形管的振荡频率变化，计算出沉积在滤膜上颗粒物的质量，从而得到颗粒物的质量浓度。该方法灵敏度高，自动实时监测，无需设置放射源；但易受空气中水分的影响，必须加装膜动态测量系统(FDMS)，以校正测量偏差。

光散射法是建立在微粒的Mie散射理论基础上的检测方法，颗粒物的散射光强度与其质量浓度成正比，通过测量散射光强度，求得颗粒物质量浓度。该方法由于容易受颗粒物折射性、形态以及成分的影响，导致其测量准确性不高。而MEMS微流体法是利用微通道热泳沉积方式将采样后得到的PM2.5沉积到FBAR传感器上，通过测量FBAR传感器的频率输出得到沉积在其表面的颗粒物质量，进而计算出其质量浓度；该方法灵敏度高，可有望实现监测的便携式，但制造工艺难度较大，目前尚处于实验阶段，还未能进行商业推广。

发明内容

本发明的目的在于，为克服上述传统PM2.5检测方法存在的便携性差、测量精度低或制造工艺难度大的技术问题，本发明提供一种基于声表面波的PM2.5检测器，以提高PM2.5检测的准确性和灵敏度，并实现对PM2.5的便携检测。

为实现上述目的，本发明提供的一种基于声表面波的PM2.5检测器，包括：相互连接的上壳体和下壳体、虚拟冲击器、声表面波检测器、右气流通道、左气流通道、中气流通道。所述下壳体的两端分别设置入气口和出气口，所述的入气口与虚拟冲击器的进气端连通，所述的左气流通道、中气流通道和右气流通道之间相互并行地连通虚拟冲击器的三个出气端和出气口，所述的声表面波检测器设置于右气流通道的下表面，并与上壳体内表面上设置的加热源相对，使得右气流通道形成热泳微通道；所述虚拟冲击器的进气端设有加速喷嘴，用于将入气口流入的空气加速后吸入该虚拟冲击器内，并根据空气中不同粒径的颗粒物随气流流动的惯性大小不同，将其中大于2.5μm切割粒径的粒子分流进入中气流通道，将小于2.5μm切割粒径的粒子分流进入左气流通道和右气流通道；所述的声表面波检测器通过检测沿其捕获粒子后的表面产生的声表面波传播速度的变化量，以获得该声表面波检测器工作频率的变化量，进而计算得到空气中PM2.5质量浓度。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的声表面波检测器采用延迟线器件，其包括：压电基片和设置于该压电基片两端的两个叉指换能器，其中一侧的叉指换能器通过逆压电效应将电信号转换成声信号后沿压电基片表面传播，并由另一个叉指换能器将接收到的声信号再转换成电信号进行输出，以实现声表面波的激发与检测；所述的下壳体上开设有下矩形窗口，用于填充该延迟线器件。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的声表面波检测器采用谐振器器件，其包括：单端对谐振器或双端对谐振器，由压电基片和设置于该压电基片表面中间位置的单个或多个叉指换能器和换能器两侧放置的反射器构成，所述的叉指换能器通过加载电信号产生从叉指换能器向其两侧传输的声表面波，声表面波在反射器内引起相干的多次反射，形成驻波式的谐振腔，以实现声表面波的激发与检测；所述的下壳体上开设有下矩形窗口，用于填充该谐振器器件。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的上壳体上开设有上矩形窗口，用于填充由半导体制冷片或电阻加热片或硅胶加热片制作的加热源。所述的上壳体上设置有上矩形窗口，且在上矩形窗口内密封地填充由半导体制冷片或电阻加热片或硅胶加热片制作的加热源，所述加热源和嵌入声表面波检测器的右气流通道构成热泳微通道。当由虚拟冲击器采样得到的PM2.5载气流流经热泳微通道时，利用微通道热泳沉积方法将气流中的PM2.5吸附至声表面波检测器表面，从而引起声表面波传播特性的改变，实现对空气中PM2.5质量浓度的检测。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的上壳体和下壳体采用硅材料或二氧化硅材料经刻蚀制成，该上壳体与下壳体之间键合连接或采用导热胶粘接在一起。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的虚拟冲击器与中气流通道连接的出气端口径是其进气端口径的1.4倍，该虚拟冲击器与右气流通道连接的出气端口径是其进气端口径的1.5倍，该虚拟冲击器与左气流通道连接的出气端口径是其进气端口径的1.5倍。

作为上述技术方案的进一步改进，所述PM2.5质量浓度C的计算公式表示为：

其中，V表示采样体积，Δm表示颗粒物质量的变化量，ρ表示颗粒物密度，s表示颗粒物沉积面积，v₀表示无负载时声表面波传播速度，Δv表示有负载与无负载之间声表面波传播速度的变化量，f_c表示无负载时声表面波检测器的工作频率，k_c表示声表面波传播速度变化与沉积层归一化厚度变化的线性比例系数，Δf表示有负载与无负载之间声表面波检测器的工作频率变化量。

本发明的一种基于声表面波的PM2.5检测器的优点在于：

本发明的PM2.5检测器利用了声表面波传感器体积小、灵敏度高和工艺简单等特点，结合了虚拟冲击器对颗粒物形态特征维护的非撞击性分离方法，发挥了微通道热泳对颗粒物沉积的高效率及对沉积基片的无选择性等优势，相比于传统的冲击器由加速喷嘴和冲击平板组成的结构而言，本发明中的虚拟冲击器与传统冲击器不同，冲击平板由采集通道代替，这就避免了传统冲击器内颗粒物与冲击板碰撞发生的弹跳和损失，从而可以更好的维护颗粒物形态特征，实现了PM2.5检测器的便携性、高响应和简单工艺的优点。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的一种基于声表面波的PM2.5检测器的结构示意图。

图2为本发明实施例中基于声表面波的PM2.5检测器的工作原理框图。

图3为本发明实施例中基于声表面波的PM2.5检测器对颗粒物进样的测试响应结果图，测试参考样品为无颗粒物的纯净氮气，测试样品为香烟颗粒物。

附图标记

1、上壳体 2、上矩形窗口 3、加热源

4、入气口 5、虚拟冲击器 6、下壳体

7、左出气端 8、进气端 9、右出气端

10、中气流通道 11、下矩形窗口 12、声表面波检测器

13、左气流通道 14、出气口 15、右气流通道

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述的一种基于声表面波的PM2.5检测器进行详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种基于声表面波的PM2.5检测器，包括：上壳体1、下壳体6、虚拟冲击器5、声表面波检测器12、加热源3、左气流通道13、中气流通道10和右气流通道15；所述下壳体6的两端分别设有入气口4和出气口14，所述的入气口4与虚拟冲击器5的进气端8连通，所述的左气流通道13、中气流通道10和右气流通道15之间相互并行地连通虚拟冲击器5的三个出气端和出气口14，所述的声表面波检测器12设置于右气流通道15的下表面，并与上壳体1内表面上设置的加热源3相对，使得右气流通道15形成热泳微通道；所述虚拟冲击器5的进气端8设有加速喷嘴，用于将入气口4流入的空气加速后吸入该虚拟冲击器5内，并根据空气中不同粒径的颗粒物随气流流动的惯性大小不同，将其中大于2.5μm切割粒径的粒子分流进入中气流通道10，将小于2.5μm切割粒径的粒子分流进入左气流通道13和右气流通道15；所述的声表面波检测器12通过检测沿其捕获粒子后的表面产生的声表面波传播速度的变化量，以获得该声表面波检测器工作频率的变化量，进而计算得到空气中PM2.5质量浓度。

基于上述结构的PM2.5检测器，在本实施例中，该检测器可利用硅材料或二氧化硅材料经刻蚀工艺得到上壳体1和下壳体6，并经过键合技术连接或导热胶粘接在一起作为检测器外壳，在右气流通道15内设置下矩形窗口11，并在下矩形窗口11内密封地填充由ST-X石英作为压电基片制作的双端对声表面波谐振器或声表面波延迟线器件，在上壳体1内设置上矩形窗口2，且在上矩形窗口2内密封地填充利用半导体制冷片、电阻加热片或硅胶加热片制作的加热源3，使得所述加热源3和所述嵌入声表面波检测器12的右气流通道15构成热泳微通道。声表面波检测器12上表面与下矩形窗口11上表面高度一致，所述上矩形窗口2位于下矩形窗口11正上方，且所述上矩形窗口2的面积小于下矩形窗口11的面积，所述加热源3的下表面与上矩形窗口2下表面高度一致。

所述的虚拟冲击器可由上下同轴的两个喷嘴组成，其中，上喷嘴为加速喷嘴(即进气端8)，下喷嘴为收口(即三个进气端7、9、10)。入气流在通过上喷嘴的加速后，大于切割粒径2.5μm的粒子由于惯性大，其运动方向不随主流量向两侧发生偏转，而是直接向前运动进入中气流通道10，形成小流量；而小于切割粒径2.5μm的粒子则会随主流量发生90°偏转，进入左气流通道7、右气流通道9。这样入气流中大于切割粒径2.5μm的粒子就分离在小流量中，小于切割粒径2.5μm的粒子则分离在主流量中。

声表面波检测器的结构多样，以常见的声表面波延迟线器件为例，该类声表面波器件是由压电基片和制作在该基片两端的两个声-电换能器——叉指换能器共同组成。所述声表面波检测器12还可为谐振器型器件，两种类型的检测器可采用压电基片为36° YX-LiTaO₃基片、42° YX-LiTaO₃基片、ST-X石英基片、64° YX-LiNbO₃基片和41° YX-LiNbO₃基片中的一种。所谓叉指换能器，就是在压电基片表面上形成形状像两只手的手指交叉状的换能器。声表面波检测器的工作原理是：压电基片左端的换能器(输入换能器)通过逆压电效应将输入其内的电信号转换成声信号，此声信号沿压电基片表面传播，最终由压电基片右边的换能器(输出换能器)将声信号再转变成电信号进行输出。所述的声表面波检测器还可采用谐振器器件，其包括：单端对谐振器或双端对谐振器，由压电基片和设置于该压电基片表面中间位置的单个或多个叉指换能器和换能器两侧放置的反射器构成，所述的叉指换能器通过加载电信号产生从叉指换能器向其两侧传输的声表面波，声表面波在反射器内引起相干的多次反射，形成驻波式的谐振腔，以实现声表面波的激发与检测。正如声表面波的本质特点，即声波沿基片表面传播，使得声表面波对其表面扰动的质量(如PM2.5颗粒物)等参量相当敏感，由于PM2.5附着在声表面波传播路径上，形成对声表面波传播的扰动，引起声表面波传播特性(如速度)的变化，从而导致检测器的工作频率的相应改变，实现对待测PM2.5的检测。

基于上述结构的声表面波的PM2.5检测器，本发明实施例提供的基于声表面波的PM2.5检测器原理框图如图2所示。其工作原理为：当入气流流经前端设置的虚拟冲击器时，由于不同粒径的颗粒物随气流流动的惯性大小不同，经加速喷嘴加速后，小于2.5μm切割粒径的粒子由于惯性小，随气流流入了左出气端7和右出气端9，而大于2.5μm切割粒径的粒子则随气流进入中气流通道10；流入右出气端9的PM2.5粒子通过加热源3产生的热泳场时，由于通道内存在温度梯度场，颗粒物将受到沿低温方向的热泳力作用而被捕获到收集板上，即声表面波检测器12的压电基片表面，从而引起声表面波传播速度的变化，导致声表面波器件输出频率的相应改变，进而实现对空气中PM2.5质量浓度的检测。

PM2.5质量浓度C的计算公式表示如下：

其中，V表示采样体积，Δm表示颗粒物质量的变化量，ρ表示颗粒物密度，s表示颗粒物沉积面积，v₀表示无负载时声表面波传播速度，Δv表示有负载与无负载之间声表面波传播速度的变化量，f_c表示声表面波检测器的工作频率，k_c表示声表面波传播速度变化与沉积层归一化厚度变化的线性比例系数，Δf表示有负载与无负载之间声表面波检测器的工作频率变化量。

所述的虚拟冲击器气流通道内的口径尺寸比例为中气流通道10/进气端8＝1.4、右出气端9/进气端8＝1.5、左出气端7/进气端8＝1.5。上述各通道的比例设置是为了实现虚拟冲击器陡峭的分离曲线，使颗粒物按切割粒径的要求分离得更彻底，即小于2.5μm切割粒径的基本都流入左出气端7、右出气端9，大于2.5μm切割粒径的基本都流入中气流通道10。

因为气流通道高度和左、中、右气流通道的尺寸比直接影响虚拟冲击器对PM2.5的采样效率及微通道热泳对PM2.5的沉积效率，同时声表面波检测器的性能(如中心频率、插入损耗和Q值)的好坏直接影响检测器对PM2.5质量浓度的检测下限，所以在具体的实际操作中，应根据通道内的气流总流量、加热源的加热温度、声表面波传感器检测下限等实际需要，选择合适的气流通道高度和左、中、右气流通道尺寸比以及声表面波器件等，以优化基于声表面波的PM2.5检测器性能。

所述的左气流通道13和右气流通道15宽度可设计为中气流通道10宽度的3-6倍(该范围由通道内的气流总流量和加热源的加热温度进行调整)。所述下壳体6的气流通道高度范围在150μm-300μm之间(该范围由通道内的气流总流量和加热源的加热温度进行调整)。

在本实施例中，为了提高虚拟冲击器对PM2.5的分离效率、微通道热泳对PM2.5的沉积效率，以及获得声表面波传感器更优的质量检测下限，故下壳体6的气流通道高度采用200μm，左气流通道和右气流通道宽度为中气流通道宽度的4.1倍，该PM2.5检测器整体尺寸约为50mm×15mm×3mm。

利用上述结构的PM2.5检测器对无颗粒物的纯净氮气和香烟颗粒待测物进行检测，检测结果如图3所示，可见：频率变化就线性地反应出质量的变化，差频越大，说明测量的质量越多，即本发明实施例提供的基于声表面波的PM2.5检测器对PM2.5颗粒物有十分明显的响应。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于声表面波的PM2.5检测器，其特征在于，包括：上壳体(1)、下壳体(6)、虚拟冲击器(5)、声表面波检测器(12)、加热源(3)、左气流通道(13)、中气流通道(10)和右气流通道(15)；所述下壳体(6)的两端分别设有入气口(4)和出气口(14)，所述的入气口(4)与虚拟冲击器(5)的进气端(8)连通，所述的左气流通道(13)、中气流通道(10)和右气流通道(15)之间相互并行地连通虚拟冲击器(5)的三个出气端和出气口(14)，所述的声表面波检测器(12)设置于右气流通道(15)的下表面，并与上壳体(1)内表面上设置的加热源(3)相对，使得右气流通道(15)形成热泳微通道；所述虚拟冲击器(5)的进气端(8)设有加速喷嘴，用于将入气口(4)流入的空气加速后吸入该虚拟冲击器(5)内，并根据空气中不同粒径的颗粒物随气流流动的惯性大小不同，将其中大于2.5μm切割粒径的粒子分流进入中气流通道(10)，将小于2.5μm切割粒径的粒子分流进入左气流通道(13)和右气流通道(15)；所述的声表面波检测器(12)通过检测沿其捕获粒子后的表面产生的声表面波传播速度的变化量，以获得该声表面波检测器(12)工作频率的变化量，进而计算得到空气中PM2.5质量浓度；

所述的声表面波检测器(12)采用延迟线器件，其包括：压电基片和设置于该压电基片两端的两个叉指换能器，其中一侧的叉指换能器通过逆压电效应将电信号转换成声信号后沿压电基片表面传播，并由另一个叉指换能器将接收到的声信号再转换成电信号进行输出，以实现声表面波的激发与检测；所述的下壳体(6)上开设有下矩形窗口(11)，用于填充该延迟线器件。

2.根据权利要求1所述的基于声表面波的PM2.5检测器，其特征在于，所述的声表面波检测器(12)采用谐振器器件，其包括：单端对谐振器或双端对谐振器，由压电基片和设置于该压电基片表面中间位置的单个或多个叉指换能器和换能器两侧放置的反射器构成，所述的叉指换能器通过加载电信号产生从叉指换能器向其两侧传输的声表面波，声表面波在反射器内引起相干的多次反射，形成驻波式的谐振腔，以实现声表面波的激发与检测；所述的下壳体(6)上开设有下矩形窗口(11)，用于填充该谐振器器件。

3.根据权利要求1所述的基于声表面波的PM2.5检测器，其特征在于，所述的上壳体(1)上开设有上矩形窗口(2)，用于填充由半导体制冷片或电阻加热片或硅胶加热片制作的加热源(3)。

4.根据权利要求1所述的基于声表面波的PM2.5检测器，其特征在于，所述的上壳体(1)和下壳体(6)采用硅材料或二氧化硅材料经刻蚀制成，该上壳体(1)与下壳体(6)之间键合连接或采用导热胶粘接在一起。

5.根据权利要求1所述的基于声表面波的PM2.5检测器，其特征在于，所述的虚拟冲击器(5)与中气流通道(10)连接的出气端口径是其进气端(8)口径的1.4倍，该虚拟冲击器(5)与右气流通道(15)连接的出气端口径是其进气端(8)口径的1.5倍，该虚拟冲击器(5)与左气流通道(13)连接的出气端口径是其进气端(8)口径的1.5倍。

6.根据权利要求1所述的基于声表面波的PM2.5检测器，其特征在于，所述PM2.5质量浓度C的计算公式表示为：

其中，V表示采样体积，Δm表示颗粒物质量的变化量，ρ表示颗粒物密度，s表示颗粒物沉积面积，v₀表示无负载时声表面波传播速度，Δv表示有负载与无负载之间声表面波传播速度的变化量，f_c表示无负载时声表面波检测器的工作频率，k_c表示声表面波传播速度变化与沉积层归一化厚度变化的线性比例系数，Δf表示有负载与无负载之间声表面波检测器的工作频率变化量。