CN107884317A - 颗粒物传感器 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种颗粒物传感器，包括：LED光源，用于发出白光，对待检测的空气进行照射；光谱仪，接收从空气中的颗粒物散射回来的光，用以对空气中的颗粒物进行检测。上述颗粒物传感器还可包括：电极，布置在所述空气的通路中；电晕放电装置，对该电极施加高压直流电流以在其周围形成电晕场；以及静电计，感测所述空气中颗粒物的电荷状态，以形成感应电流。本发明能够扩大空气中颗粒物的粒度检测范围，并能够提高检测的精确性。

Description

颗粒物传感器
技术领域
本申请涉及一种颗粒物传感器，更具体地，涉及一种能够对较大粒度范围的颗粒物进行检测的颗粒物传感器。
背景技术
光学颗粒计数器或光度计通常用于测量环境空气中颗粒物(PM)的粒度分布和浓度。然而，它们的读数受到颗粒的形状和折射率的影响，而这些属性不容易确定；因此，在对物理粒径和质量进行估算时，这些和其他重要的因素通常不予考虑。此外，光学方法通常依赖于激光光源或探测器，其由于米氏散射理论的局限性而限定了可以检测的颗粒粒度范围的下限，导致城市或燃烧为主的地区的空气中许多颗粒未被检测到。
因此，如何提高颗粒物传感器的检测精度和扩大可检测的粒度范围，实为目前迫切需要解决的课题。
发明内容
有鉴于此，本发明主要致力于解决现有技术中所存在的上述问题。
本发明结合亚微米散射技术和基于静电计的电晕充电技术来提高现有技术的操作范围和精度。它包括在上游的大颗粒散射的多角度测量，同时使用白光LED以确定颗粒的粒度和折射率，或将单波长激光用于大颗粒浓度检测。此外，该系统集成了一个在光学传感器后面的下游微型电晕充电和静电计以检测更小的颗粒，其小至0.01微米。因此，这个紧凑的系统能测量超出目前可测的广泛范围的颗粒，并且结合这两种技术与新的算法也极大的扩展了颗粒物(PM)传感器的精确性。
本发明的主要目的在于提供一种能够对较大粒度范围的颗粒物进行检测的颗粒物传感器。
本发明的再一目的在于提供一种能够提高检测精确度的颗粒物传感器。
根据本发明的一个方案，提供一种颗粒物传感器，包括：
LED光源，用于发出白光，对待检测的空气进行照射；
光谱仪，接收从空气中的颗粒物散射回来的光，用以对空气中的颗粒物进行检测。
根据本发明的另一个方案，提供一种颗粒物传感器，包括：
激光光源，用于发出红光，对待检测的空气进行照射；
光探测器，接收从空气中的颗粒物散射回来的光，用以对空气中的颗粒物进行检测。
根据本发明，上述颗粒物传感器还可包括：电极，布置在所述空气的通路中；电晕放电装置，对该电极施加高压直流电流以在其周围形成电晕场；以及静电计，感测所述空气中颗粒物的电荷状态，以形成感应电流。
利用本发明，能够扩大颗粒物的粒度检测范围，并能够提高检测的精确性。
通过以下参照附图对优选实施例的说明，本申请的上述以及其它目的、特征和优点将更加明显。
附图说明
本申请的附图均为示意和说明性的，并非用以限制本发明。图中的尺寸、比例均为示意性的，即使有所偏差也不影响其对于本发明的精神和实质的阐释。附图和说明书一起用来提供对于本发明的进一步阐释，以帮助本领域技术人员更好地理解本发明。在附图中：
图1(a)示例性示出本发明颗粒物传感器的一实施例，图1(b)示例性示出本发明颗粒物传感器的另一实施例；
图2示例性示出颗粒物属性的仿真结果；
图3示例性示出光阱的结构图；
图4示例性示出鞘流装置的结构图；
图5示例性示出鞘流装置的原理图；
图6示例性示出不同颗粒物折射率的实部、虚部与颗粒物半径之间的关系图；
图7示例性示出不同波长对应于颗粒直径的变化的仿真结果；
图8示例性示出散射信号曲线与粒度分布的仿真结果；
图9示例性示出不同颗粒物浓度下的散射系数；及
图10示例性示出本发明颗粒物传感器的再一实施例，其中包括电晕放电装置。
具体实施方式
下面将参照图1至图10详细描述本申请的实施例。应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本申请。
本发明提供了一种用于室内、环境空气或排放测量的检测来自于单个颗粒的侧向和后向的散射光的颗粒物(PM)传感器。后向散射角在包括室内空气在内的低浓度环境下，达到可用的高灵敏度。基于颗粒物(PM)传感器的光电计的原理图如图1(a)和图1(b)所示(后面是另一个探测角度)。其中，图1(a)示例性示出本发明颗粒物传感器的一实施例，图1(b)示例性示出本发明颗粒物传感器的另一实施例。
基于颗粒物(PM)传感器的光电计主要分为两部分：光学传感器和电子传感器。
对于光学传感器部分，主要涉及四个部分：1.光源；2.光阱；3.粒度选择和鞘流技术；4.光传感
对于电子传感器的一部分，它主要涉及三个组成部分：电极，传感器和微处理器(如图1(a)和图1(b)中的框5中的所示)。
光学传感器
光传感器部分用于室内空气PM 2.5的检测。
光源
用于颗粒物(PM)传感器的光源可以是来自于一白光LED的宽带光(如图1(a)所示)，相反其他更常见的光源是基于窄波长激光光源；或者，用于颗粒物(PM)传感器的光源可以是红光LED。要确定颗粒的粒度和折射率等重要因素，探测器响应函数必须是粒度的单调(函数)。这可以通过包括来自多个波长的信号，或通过不同的角度来获得。现有技术的系统通常只有一个角度和相当窄波段的光。基于白光的颗粒物(PM)传感器不如基于激光的颗粒物(PM)传感器灵敏，但传感器的响应曲线更单调。与激光光源相比，白光LED光源发光强度高、能量使用减少和且命长。
使用不同的波长的入射光计算颗粒的属性，如吸收率、散射率，消光率、非对称函数，粒度和相位函数的平均余弦(如图2所示)。从仿真结果中可以发现，一个基于白光LED的系统可以捕捉到很多所需的颗粒特性的信息，可以改进对PM浓度的估算。这些仿真已经得到确认我们的仿真的实际测量的验证。基于这些属性，对于空气中的颗粒可以了解得更多。
如图1(b)所示，也可以使用激光(波长为655纳米的红光)作为光源。在这种情况下，连同一个光探测器，也可以准确地得到颗粒物浓度。
光阱
在本基于颗粒物(PM)传感器系统的光电计中，采用了一种有效的光阱以捕捉杂散光和反射光，这样通过减少这种不需要的光进入探测器来提高整个系统的灵敏度。光阱的结构例如参见图3所示。
光传感
本发明的传感器系统使用一个扫描光谱仪来进行光传感和定量(如图1(a)所示)。与现有的基于光的窄波段的光源/探测器的光度测量系统相比，该光谱仪与在一波长范围内报告颗粒信息的白光光源配对。并且基于对所有波长的信号进行积分，可以确定颗粒的类型、消光系数、散射系数、浓度、折射率和粒度分布。该颗粒物(PM)传感器系统的该部分的时间分辨率可低至1秒。
当使用激光(655纳米)作为光源时，利用成本低、体积小的光探测器来得到准确的颗粒物浓度。
粒度选择入口和鞘流技术
用一泵来带动空气通过该系统。样品空气首先通过一个入口。如果需要的话可以使用一个冲击器(一种捕捉超过所需尺寸的颗粒但允许更小的颗粒通过的装置)来将非常大的颗粒从气流中去除。冲击器通过使用具有直径2.5微米/10微米过滤孔的过滤器将直径超过10微米(或其他尺寸)的颗粒物滤除，所以只有具有2.5微米/10微米或以下直径的颗粒物将通过过滤器。一旦PM2.5/PM 10通过泵和过滤器，余下的颗粒然后将被传递到基于颗粒物(PM)传感器和电晕放电探测器的光电计。鞘流装置的结构图如图4所示。
必须控制在气流中的样品空气流中的粒子的分布以优化检测和保持传感器的光学清洁。这是通过一鞘流概念的应用来实现的。样品气流在(样品气流)到达传感器的被照射的检测区域之前先被包含在过滤空气(鞘流)的圆柱形区域内。由于鞘层空气的挤压效应，空气流的宽度变窄，这被称为“流体动力聚焦”。鞘流和空气流在流动中均保持层流状态，互不干扰。通过控制气路的结构参数，可将样本空气流尽量汇聚在气路的轴心上，此时样本空气流中的待测颗粒物在流体力学聚焦作用下一次通过检测区，避免了偏离轴心的情况发生，从而实现对颗粒物的准确检测，鞘流装置的原理图如图5所示。
传感器的几何因素
颗粒物(PM)传感器采用了一种新的将在两个散射角的测量相结合的方法。第一个采用约90°角，其中散射光在很大程度上对气溶胶(aerosols)性质的通常的因素不敏感，这允许获取到粒度分布。第二散射角在135°，其中散射光对气溶胶的折射率的敏感度很强。此外，因为这两个角度，光学传感器与光束传输方向之间包含的夹角较大(分别为90°和45°，)，这能够减少系统光信号噪声。
双角传感设计(90°、135°)因此被选中是因为它有一个与颗粒属性直接相关的角度响应率，且选择的角度对颗粒折射率敏感。
图6示例性示出不同颗粒物折射率的实部、虚部与颗粒物半径之间的关系图。
为了进行仿真研究，将一白光光源(从350至850纳米)用于计算。颗粒的直径从1到3微米。图7示例性示出不同波长对应于颗粒直径的变化的仿真结果。从图7中可以发现，对于不同的波长，CR(135O)/CR(90O)对应于颗粒的直径的变化是不同的。对比短波长(350～450纳米)与长波长(650～800纳米)，可以观察到系统对颗粒直径的变化显示出相当的敏感性。
为了确定在一个范围内的波长的传感器信号与粒度分布之间的关系，仿真了一组正态分布的颗粒，并计算出每一波长(从350到850纳米)在90度角处的散射信号，然后对不同波长的信号进行积分。图8示例性示出散射信号曲线与粒度分布的仿真结果。
从图8中可以看到，在90度角处的散射信号曲线与粒度分布相同，这表明可以通过使用这种白光LED颗粒物(PM)传感器得到粒度分布。计算了不同颗粒物浓度(浓度相关的计算)的散射信号(对在90度角处所有波长的散射信号进行积分)，然后根据散射信号，可以观察到总散射系数，如图9所示。图9示例性示出不同颗粒物浓度下的散射系数。正如从计算结果可以看到的那样，从在90度角处的散射信号得到散射系数，并且可以通过使用该基于颗粒物(PM)传感器系统的光电计确定颗粒浓度。
电子传感器(亚微米颗粒的电晕放电检测方法)
由于光散射的限制，光学粒子计数器和光度计无法检测或评估小于300纳米左右的颗粒。因此，他们不能被用来进行非常细小颗粒的测量，特别是那些小于100纳米的称为超细颗粒的颗粒。这些颗粒通常是某种燃烧源(如交通工具等)排放，被认为对健康相当有害。为了扩大颗粒的测量范围以覆盖上述较小的粒度，将基于电晕放电/静电计的检测方法加入白光LED颗粒物(PM)传感器。在得到由白光LED系统测得的颗粒的粒度和质量信息的报告的同时，得到上述较小颗粒的颗粒表面积和估计的颗粒数(对比于质量)的报告。
该方法用以评估亚300nm粒度范围内的颗粒数，该方法包括：获取离开白光LED传感器的空气，将所述空气通过一电极阵列，其中对所述电极施加一高压直流电流以在其周围形成一电晕场。颗粒通过该检测区域，其中静电计感测颗粒的电荷状态形成感应电流。产生的电流脉冲被静电计检测。该传感器系统的静电计部分报告具有可用的低至1秒的时间分辨率的数据。这一部分的设计如图10所示。图10示例性示出本发明颗粒物传感器的再一实施例，其中包括电晕放电装置。
本发明将亚微米粒子的电晕放电检测方法引入到颗粒物(PM)传感器系统中。颗粒物(PM)传感器系统独特地组合光学测量和电子测量，实现广粒度范围内的颗粒检测。
算法
粒度分布
通过积分在90度处全波段上的信号，可以得到颗粒的近似粒度分布。
粒子浓度
对于光学传感器而言，输出信号是光子，而电子传感器的输出信号是电流。选择一个特定的波长(如655纳米)。假设光学传感器输出信号S1(90度在选定的波长)，电子传感器输出信号S2。可以通过以下方程得到颗粒浓度(C)：
C＝m·S1 3/2+(a·S2+b)
其中，m,a和b是颗粒物浓度修正系数，可以通过与其他颗粒物测量仪器进行校准而得到。
根据本发明，该基于颗粒物(PM)传感器系统的光电计可用于颗粒物检测、确定粒度和定量。它可用于评价颗粒的物理性质，如浓度、粒度分布、消光系数、后向散射系数、折射率、形状等。此外，该装置引入电晕放电/静电计检测方法的设计可用于超细颗粒的测量，从而扩展了颗粒物(PM)传感器的应用范围。它可以提供更完整的关于在从0.01μm到10μm范围(或更大，如果需要的话)内任何大小的颗粒的信息。该装置可直接与在线分析设备集成。该装置还可用于分析特定粒度的颗粒。它是室内可吸入颗粒物(例如PM 2.5等)检测与分析的理想设备。其他应用也是可能的，包括微环境和源相关的颗粒物评估。
关键的优势是，在一个小仪器包内，用LED传感器测量大跨度的粒度范围内颗粒的能力，适用于从10μm到300纳米(0.3微米)以及那些小于300纳米至10纳米的颗粒。
相对于现有的市场上的颗粒物(PM)传感器，该设备还可以测量更多有关颗粒性质的因素。
根据本发明，使用一白光LED作为光源和一光谱仪作为光传感器，这样可以测量更多的有关颗粒性质的因素(例如，粒度分布)。
根据本发明，使用一激光(655纳米)作为光源和一光探测器作为光传感器，可以得到更精确的颗粒物浓度信息，在这种情况下，系统需要低成本和小体积。
根据本发明，将亚微米粒子的电晕放电检测方法引入到颗粒物(PM)传感器系统中。颗粒物(PM)传感器系统独特地组合光学测量和电子测量，实现广粒度范围内的颗粒检测。
应当注意，本领域技术人员能够理解的是，前述参照某一实施例描述的特征并非只限于该实施例，而是可以与参照其它实施例描述的特征组合应用。
虽然已参照典型实施例描述了本申请，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本申请能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (19)

1.一种颗粒物传感器，包括：
LED光源，用于发出白光，对待检测的空气进行照射；
光谱仪，接收从空气中的颗粒物散射回来的光，用以对空气中的颗粒物进行检测。
2.如权利要求1所述的颗粒物传感器，还包括光阱，用以捕捉杂散光和反射光。
3.如权利要求2所述的颗粒物传感器，其中，该光阱由吸光材料构成。
4.如权利要求1所述的颗粒物传感器，还包括鞘流装置，用以使空气形成鞘流。
5.如权利要求4所述的颗粒物传感器，其中，该鞘流装置包括冲击器，用于滤除大于参考粒度的颗粒物。
6.如权利要求5所述的颗粒物传感器，其中，该参考粒度为2.5微米或10微米。
7.如权利要求1所述的颗粒物传感器，其中，该颗粒物传感器在两个散射角处进行检测。
8.如权利要求7所述的颗粒物传感器，其中，第一散射角为90°，第二散射角为135°。
9.如权利要求1所述的颗粒物传感器，还包括：
电极，布置在所述空气的通路中；
电晕放电装置，对该电极施加高压直流电流以在其周围形成电晕场；以及
静电计，感测所述空气中颗粒物的电荷状态，以形成感应电流。
10.一种颗粒物传感器，包括：
激光光源，用于发出红光，对待检测的空气进行照射；
光探测器，接收从空气中的颗粒物散射回来的光，用以对空气中的颗粒物进行检测。
11.如权利要求10所述的颗粒物传感器，还包括光阱，用以捕捉杂散光和反射光。
12.如权利要求11所述的颗粒物传感器，其中，该光阱由吸光材料构成。
13.如权利要求10所述的颗粒物传感器，还包括鞘流装置，用以使空气形成鞘流。
14.如权利要求13所述的颗粒物传感器，其中，该鞘流装置包括冲击器，用于滤除大于参考粒度的颗粒物。
15.如权利要求14所述的颗粒物传感器，其中，该参考粒度为2.5微米或10微米。
16.如权利要求10所述的颗粒物传感器，其中，该颗粒物传感器在两个散射角处进行检测。
17.如权利要求16所述的颗粒物传感器，其中，第一散射角为90°，第二散射角为135°。
18.如权利要求10所述的颗粒物传感器，还包括：
电极，布置在所述空气的通路中；
电晕放电装置，对该电极施加高压直流电流以在其周围形成电晕场；以及
静电计，感测所述空气中颗粒物的电荷状态，以形成感应电流。
19.如权利要求10至18中任一项所述的颗粒物传感器，其中，该红光的波长为655纳米。
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