CN108709848A - 一种空气颗粒计数方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种空气颗粒计数方法，激光束和流体通道垂直相交产生散射光，产生的散射光被两块散射光采集板同时从两个空间方向收集；两块散射光采集板产生电信号并经不同的后续信号放大电路分别放大，放大倍数不同；对放大后的各电信号和幅值分布进行统计分析处理，测出不同强度电信号的峰值形貌，通过计算获得不同大小颗粒的数量。本发明结构简单、成本低，而且能对散射光提供更加全面的信号采集，有利于实现不同大小空气颗粒的全面统计，有利于提高各种大小空气颗粒数量统计的准确性，能够消除空气颗粒形态、形状对计数的影响。本发明还提供一种空气颗粒计数装置。
Description
技术领域
本发明涉及空气检测技术领域，尤其涉及一种空气颗粒计数方法及装置。
背景技术
通过光散射测量气溶胶中粒子的存在、大小和个数是一种常见的粒子计数手段。光(如激光)照在粒子上，产生散射(如米氏散射)，散射光被空间中的光敏原件探测到，就可以探知粒子的存在。由于空气样本中粒子大小范围很大(比如从一微米到10微米)，其散射光的光强分布变化区间也非常大，按米氏散射理论，如果尺寸相差十倍，则大小光强的差异达1000000(十的六次方)倍。目前，没有任何一个系统能对所有颗粒进行大小，数量的精确计算，尤其是在空气中含有水分子的情况或者气体中颗粒物含量较大的时候。空气污染物检测可以采用称重法和光学散射法，其中光学散射法适用于定性快速分析，适用于民居和便携的场合。空气(气溶胶)中的粒子来自不同根源，大小从0.1微米到几十微米不等。在不同的场合，如北方某采石场或者南方某陶瓷生产基地，粒子大小的分布可能不同。
由于光散射很弱，一个光检测仪的光敏器件需要信号放大。现有技术中，一个光检测仪的信号放大倍数是既定的，而噪音底线(接地)和饱和上限(电源或电池电压)是有限的。对于大部分便携现代产品，饱和电源电压一般是3.7V。如果使用一个光检测仪很难观测到整个范围(因电信号强度的差异也高达1000000倍甚至更大)，因而不能对所有气溶胶中悬浮粒子大小产生正确的估算。比如在粒子尺寸较大时候，散射信号强度大的信号占比大，信号很容易达到电平饱和。单一电子放大系统能覆盖的电压差只有十或者二十倍，只能估算粒子大小和数量在一个很窄的光强接收范围的分布，导致颗粒计数和大小估算准确度十分受限。
另外，单一的从一个固定空间位置观测的光度也很难确定是和颗粒大小有关还是和颗粒形状/材料有关。这些限制造成现有设备的检测手段不完备，测试结果不准确。比如，现有设备并不能直接判断颗粒大小是否满足PM2.5，即颗粒尺寸是2.5微米。
发明内容
本发明的目的在于提供一种信号和幅值分布全面、能准确判断颗粒大小、数目及形态的空气颗粒计数方法。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案。
一种空气颗粒计数方法，其特征在于，将激光束和流体通道垂直相交产生散射光；产生的散射光用两块散射光采集板同时从两个空间方向收集；两块散射光采集板产生的电信号经不同的后续信号放大电路分别放大，放大倍数不同；对放大后的各电信号和幅值分布进行统计分析处理，测出不同强度电信号的峰值形貌；通过计算获得不同大小颗粒的数量。
作为上述方案的进一步说明，两个散射光采集板大小一致，平行设置在流体通道的两侧位置。
作为上述方案的进一步说明，调节各后续信号放大电路的放大倍数，使两块后续信号放大电路的放大倍数相同，通过计算消除颗粒形状对颗粒大小估算带来的影响。
作为上述方案的进一步说明，所述测量点为两个，照射在不同测量点的激光具有不同的波长。
作为上述方案的进一步说明，所述测量点为两个，照射在不同测量点的激光具有相同的波长，根据同一粒子先后经过两个测量点的时间差计算出粒子飞行速度。
本发明还提供一种空气颗粒计数装置，其特征在于，包括：激光发生器、流体通道、若干散射光采集板、后续信号放大电路、以及信号处理电路，所述激光发生器发出的激光束与所述流体通道垂直相交，所述散射光采集板设置在所述流体通道的两侧，对应每一个所述散射光采集板设有相应的后续信号放大电路，所述信号处理电路与各所述后续信号放大电路连接。
作为上述方案的进一步说明，所述激光发生器为一个，在所述激光束与所述流体通道相交位置的两侧分别设有一个所述散射光采集板。
作为上述方案的进一步说明，所述激光发生器为两个，分别照射在所述流体通道的不同位置；对应每个位置设有两块所述散射光采集板，两块所述散射光采集板平行设置在所述流体通道的两侧。
作为上述方案的进一步说明，两个所述激光发生器的信号相同或不同。
作为上述方案的进一步说明，对应各所述后续信号放大电路设有相应的放大倍数调整装置。
本发明的有益效果是：
一、不采用集光镜，直接利用两块散射光采集板在不同空间方向接收散射光斑发出的散射光，能对散射光提供更加全面的信号采集，有利于实现不同大小空气颗粒的全面统计，有利于提高各种大小空气颗粒数量统计的准确性，能够消除空气颗粒形态、形状对计数的影响。比如，参照本专利可以更好的判断固体粒子和大的水分子(如直径1-10微米的水分子)。再比如，参照本专利可以提高空气污染程度(AQI)(air quality index)的判断准确度。(现有系统对高密度污染的准确度下降)。
二、针对不同的散射光采集板通过采用不同的放大倍数，可以对空气中的大水汽粒子进行准确监测，从而可以更好地对湿度影响进行预测和补偿。本系统中的放大倍数也可以在使用过程中调控，从而根据空气粒子大小分布而智能适应性的适配灵敏度安排。
三、本发明提供的一种空气颗粒计数装置，无需集光镜，也无需各种特殊的光电探测器，结构简单，体积小巧，成本低。经实际生产对比，本发明提供的空气颗粒计数装置，其体积约为目前市场同类产品的1/3，进一步提高空气颗粒检测装置的微型化程度，且价格低，极具市场应用价值。
附图说明
图1所示为现有的空气颗粒计数方法原理图。
图2所示为现有的空气颗粒计数方法的电信号放大图。
图3所示本发明提供的空气颗粒计数方法的电信号放大图。
图4所示为本发明实施例五提供的空气颗粒计数装置原理示意图。
图5所示为本发明实施例五提供的空气颗粒计数装置结构示意图。
图6所示为图5的A-A剖视图。
图7所示为本发明实施例六提供的空气颗粒计数装置结构示意图。
图8所示为图7的B-B剖视图。
附图标记说明：
1：激光发生器，2：激光束，3：空气粒子，4：光电器件，5：电子放大器，6：小信号，7：大信号，8：电平，9：流体通道，10：散射光采集板，11：后续信号放大电路，12：信号处理电路。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙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、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。
此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本发明描述中，“至少”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除另有明确规定和限定，如有术语“组装”、“相连”、“连接”术语应作广义去理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；也可以是机械连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部相连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述的术语在本发明中的具体含义。
在发明中，除非另有规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一特征和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅是表示第一特征水平高度高于第二特征的高度。第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。
下面结合说明书的附图，对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。下面通过参考附图描述实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例一
一种空气颗粒计数方法，将激光束和流体通道垂直相交产生散射光，产生的散射光被两块散射光采集板同时从两个空间方向收集；两块散射光采集板产生电信号并经不同的后续信号放大电路分别放大，放大倍数不同；对放大后的各电信号和幅值分布进行统计分析处理，测出不同强度电信号的峰值形貌，通过计算获得不同大小颗粒的数量。两个散射光采集板大小一致，平行设置在流体通道的两侧位置。
由于光信号、电信号和集光器件分别在三个轴线，我们用一张三维图表示关系。如图1所示，激光发生器1产生的激光束2照到达聚焦点内的空气粒子3。这里的空气粒子有意标识出不同大小以示区别。这里我们选取三个典型空气粒子。当使用一个光电器件4集光的时候，这个光电器件4的光信号被电子放大器5放大，产生输出信号。
该输出信号中，当电子放大倍数很大时，小光电信号6被放大到噪音范围之上，可是大信号7达到饱和，饱和信号受电平8限制，使得信号的具体大小信息不详，如图2所示。
本实施例使用两个散射光采集板，每个散射光采集板的后续电子放大倍数可以不一致。比如，一个高(H)，一个低(L)。最终形成两个如图3所示的信号图，该信号图中具有两个不同放大倍数的电信号，通过这两个电信号的结合，既可以清楚地看到小信号的峰值形貌，也可以清楚地看到大信号的峰值形貌，可以取得更多有关颗粒的信息，从而更好的判断颗粒大小和物质形态。比如，如果气溶胶中含有大的水分子(如来自北方常见的空气加湿器)，则该分子的信号较强。由于信号饱和过早，目前无法测到峰值的形貌。而本实施例就能很好地解决这个问题。这样的系统不会将空气中大的水分子颗粒误判为PM2.5颗粒。
实施例二
本实施例提供的一种空气颗粒计数方法，其与实施例一基本一致，区别在于，调节各后续信号放大电路的放大倍数，使两块后续信号放大电路的放大倍数相同。这样，通过计算消除颗粒形状对颗粒大小估算带来的影响。在两个光收集器放大倍数一样的情况，光接收增强两倍，可以降低光源的能量输出，降低能耗，延长产品续航时间。
实施例三
本实施例提供一种空气颗粒计数方法，其与实施例一基本一致，区别在于，所述测量点为两个，照射在不同测量点的激光具有不同的波长，采用两种不同波长的激光束来实现综合检测，提高空气粒子颗粒大小估算的精度。
实施例四
本实施例提供一种空气颗粒计数方法，其与实施例一基本一致，区别在于，所述测量点为两个，照射在不同测量点的激光具有相同的波长，根据同一粒子先后经过两个测量点的时间差计算出粒子飞行速度。
实施例五
如图4-图6所示，一种空气颗粒计数装置，其特征在于，包括：激光发生器1，流体通道9，散射光采集板10，后续信号放大电路11，以及信号处理电路12；所述激光发生器1发出的激光束2与所述流体通道9垂直相交，所述散射光采集板10设置在所述流体通道9的两侧，对应每一个所述散射光采集板10设有相应的后续信号放大电路11，所述信号处理电路12与各所述后续信号放大电路11连接。
本实施例中，所述激光发生器1为一个，在所述激光束2与所述流体通道9相交位置的两侧分别设有一个所述散射光采集板10。优选两块所述散射光采集板10为相互平行设置，以保证最大接收面积。在其他实施方式中，两块所述散射光采集板不平行，不限于本实施例。
本实施例提供的一种空气颗粒计数装置，无需集光镜，也无需各种特殊的光电探测器，结构简单，体积小巧，成本低。经实际生产对比，本实施例提供的空气颗粒计数装置，其体积约为目前市场同类产品的1/3，进一步提高空气颗粒检测装置的微型化程度，且价格低，极具市场应用价值。特别地，针对不同的散射光采集板采用不同的放大倍数，能对散射光提供更加全面的信号采集，能实现1-10μm不同大小空气颗粒的全面统计，还能对空气中的大水汽粒子进行准确监测，从而可以更好地对湿度影响进行预测和补偿。
实施例六
如图7、图8所示，本实施提供一种空气颗粒计数装置，其结构与实施例五基本一致，区别在于，在所述流体通道9的上下游分别设置两个激光发生器1，对应每个激光发生器1产生的散射光斑分别设有两个散射光采集板10，两块所述散射光采集板10平行设置在所述流体通道9的两侧，对应各所述散射光采集板10分别设有相应的信号放大电路11。
两个所述激光发生器的信号相同或不同，两个所述激光发生器1发出的波长可以相同，也可以不同；对应各所述信号放大电路的放大倍数可以相同，也可以不同；根据用户实际需要进行设定。
实施例七
本实施提供一种空气颗粒计数装置，其结构与实施例五基本一致，区别在于，对应各所述后续信号放大电路设有相应的放大倍数调整装置，以便根据实际需要进行放大倍数的调整。
通过上述的结构和原理的描述，所属技术领域的技术人员应当理解，本发明不局限于上述的具体实施方式，在本发明基础上采用本领域公知技术的改进和替代均落在本发明的保护范围，本发明的保护范围应由各权利要求项及其等同物限定之。具体实施方式中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。
Claims (10)
1.一种空气颗粒计数方法，其特征在于，将激光束和流体通道垂直相交产生散射光；产生的散射光用两块散射光采集板同时从两个空间方向收集；两块散射光采集板产生的电信号经不同的后续信号放大电路分别放大，放大倍数不同；对放大后的各电信号和幅值分布进行统计分析处理，测出不同强度电信号的峰值形貌；通过计算获得不同大小颗粒的数量。
2.根据权利要求1所述的一种空气颗粒计数方法，其特征在于，两个散射光采集板大小一致，平行设置在流体通道的两侧位置。
3.根据权利要求1所述的一种空气颗粒计数方法，其特征在于，调节各后续信号放大电路的放大倍数，使两块后续信号放大电路的放大倍数相同，通过计算消除颗粒形状对颗粒大小估算带来的影响。
4.根据权利要求1所述的一种空气颗粒计数方法，其特征在于，所述测量点为两个，照射在不同测量点的激光具有不同的波长。
5.根据权利要求1所述的一种空气颗粒计数方法，其特征在于，所述测量点为两个，照射在不同测量点的激光具有相同的波长，根据同一粒子先后经过两个测量点的时间差计算出粒子飞行速度。
6.一种空气颗粒计数装置，其特征在于，包括：激光发生器、流体通道、若干散射光采集板、后续信号放大电路、以及信号处理电路，所述激光发生器发出的激光束与所述流体通道垂直相交，所述散射光采集板设置在所述流体通道的两侧，对应每一个所述散射光采集板设有相应的后续信号放大电路，所述信号处理电路与各所述后续信号放大电路连接。
7.根据权利要求6所述的一种空气颗粒计数装置，其特征在于，所述激光发生器为一个，在所述激光束与所述流体通道相交位置的两侧分别设有一个所述散射光采集板。
8.根据权利要求6所述的一种空气颗粒计数装置，其特征在于，所述激光发生器为两个，分别照射在所述流体通道的不同位置；对应每个位置设有两块所述散射光采集板，两块所述散射光采集板平行设置在所述流体通道的两侧。
9.根据权利要求8所述的一种空气颗粒计数装置，其特征在于，两个所述激光发生器的信号相同或不同。
10.根据权利要求6所述的一种空气颗粒计数装置，其特征在于，对应各所述后续信号放大电路设有相应的放大倍数调整装置。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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