CN112504923A - 基于多频率saw阵列的大气颗粒物浓度与粒径分布测量方法 - Google Patents
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Abstract
基于多频率SAW阵列的大气颗粒物浓度与粒径分布测量方法，本发明属于电子技术领域，通过使用气溶胶发生器将粉尘生成颗粒物气溶胶，通过流速和时长控制测试腔室的气溶胶浓度，测试腔室之中有测量平台为基于多频率SAW组成的传感器阵列所设计的振荡电路，测量SAW敏感区域裸露，参考SAW敏感区域封闭，采用频率差分法去除温度、湿度等外部共模因素的影响，信号经过振荡电路后，输出的敏感频率与参考频率经过滤波器的滤波作用，多通道频率计数器得到较低的频率输出，多通道频率计数器接口连接至信号分析处理单元，以获得浓度和粒径分布信息，本发明测量方法原理清晰，操作简单、灵敏度高、功耗低、成本低，且能够同时获得大气颗粒物浓度与粒径。
Description
技术领域
本发明属于电子技术领域，涉及一种大气颗粒物浓度与粒径分布测量方法，具体的说是涉及一种基于多频率SAW阵列的大气颗粒物浓度与粒径分布测量方法。
背景技术
近年来大气颗粒物污染问题严重，其造成的危害与颗粒物粒径相关，因此大气颗粒物浓度和粒径分布测量成为研究热点。浓度测量的方法主要有：(1)重量法：采用过滤器或其他分离器收集粉尘并称重的方法，转换为颗粒的质量浓度；(2)光学法：由于气溶胶颗粒与入射光的相互作用，根据散射、吸收或消光原理，通过光度计或光子计数的方法，转换为颗粒的质量浓度或数量浓度；(3)微天平法：主要包含两类器件分别是锥形元件振荡微量天平和石英晶体微天平，它们分别工作在几kHz和几MHz，根据附着在器件表面的颗粒物质量改变器件振动频率的原理，将测量到的频率负增加转换为颗粒物质量浓度。粒径分布测量的主要方法有：(1)显微镜直接测量：利用光学显微镜和电镜观察得到颗粒物尺寸、形态、聚集情况等的特征；(2)间接测量：利用颗粒物的几何尺寸、质量、流动性、电流动性和光学特征，测量往往需要多种装置配合使用，包括充电装置、粒径分类装置、检测装置，间接得到颗粒物粒径分布。
采用这些传统的浓度或粒径分布测量方法的仪器设备大多体积大、结构复杂、成本高、功耗高，难以同时获得大气颗粒物浓度与粒径分布信息。
发明内容
本发明的目的是针对上述技术中存在的仪器设备体积大、结构复杂、成本高、功耗高等不足，提出一种基于多频率SAW阵列的大气颗粒物浓度与粒径分布测量方法，操作简单、灵敏度高、功耗低、成本低，且能够同时获得大气颗粒物浓度与粒径。
本发明的技术方案：基于多频率SAW阵列的大气颗粒物浓度与粒径分布测量方法，其特征在于，测量方法如下：
(1)准备测量仪器，由气溶胶发生器、SAW传感器阵列、气泵、多通道频率计数器接口和信号分析处理单元，所述气溶胶发生器与SAW传感器阵列的输入端连接，所述气泵与SAW传感器阵列的输入端连接，所述SAW传感器阵列的输出端与多通道频率计数器接口的输入端连接，所述多通道频率计数器接口的输出端与信号分析处理单元的输入端连接；
(2)使用粒径谱仪对低、中频率的SAW依照粒径分布的灵敏度进行标定，得到分布粒径与灵敏度的变化曲线；大气颗粒物的粒径分布是符合对数正态分布的，其粒径中位数很大程度反映了颗粒物粗细；在测量前，低频SAW和中频SAW的灵敏度需要由不同粒径分布的颗粒物与粒径谱仪共同标定；
(3)开启气溶胶发生器，用控制其时长和流速的方式来控制进入测试腔室内颗粒物的浓度和粒径；
(4)等待气溶胶悬浮物对敏感SAW扰动结束，敏感SAW频率输出不再改变即为扰动结束；
(5)开启气泵，用气泵排去测试腔室内的气溶胶；
(6)通过信号分析处理单元进行信号分析处理；分析方法如下：根据低频SAW实际测得的频率变化量f低频和标定的低频SAW灵敏度S低频得到颗粒物质量浓度C＝f低频/S低频；根据中频SAW实际测得的频率变化量f中频和已测得的质量浓度C，得到此时中频SAW灵敏度S中频；由标定得到的分布粒径与灵敏度的变化曲线S中频d中位数推出颗粒物粒径中位数d中位数。
所述SAW传感器阵列至少由一个低频传感器和一个中频传感器组成。
所述低频SAW的灵敏度S低频是常数，与颗粒物粒径中位数无关；而中频SAW的灵敏度是粒径中位数的函数S中频d中位数，随着粒径中位数逐渐增加到dc，S中频从S低频过渡到零；在测量时，根据低频SAW实际测得的频率变化量f低频和标定的低频SAW灵敏度S低频得到颗粒物质量浓度C＝f低频/S低频。
所述中频SAW实际测得的频率变化量f中频和已测得的质量浓度C，得到此时中频SAW灵敏度S中频，由标定得到的分布粒径与灵敏度的变化曲线S中频d中位数推出颗粒物粒径中位数d中位数。
所述不同频率的SAW的变化曲线适配粒径分布中位数在一定区间的颗粒物，若需得到更细颗粒物粒径信息，则需要频率更高的SAW，若颗粒物粒径中位数变化范围很大，则采用多个频率的SAW。
本发明的有益效果为：本发明提出的基于多频率SAW阵列的大气颗粒物浓度与粒径分布测量方法，测量方法原理清晰，通过使用气溶胶发生器将粉尘生成颗粒物气溶胶，气溶胶发生器与测试腔室通过管道连通，通过流速和时长控制测试腔室的气溶胶浓度。测试腔室之中有测量平台为基于多频率SAW组成的传感器阵列所设计的振荡电路。采用双通道SAW，测量SAW敏感区域裸露，参考SAW敏感区域封闭，采用频率差分法去除温度、湿度等外部共模因素的影响。测试腔室外的频率计数器与腔室内的振荡电路相连，其中信号经过振荡电路后，输出的敏感频率与参考频率经过混频器混频和低通滤波器的滤波作用，多通道频率计数器得到较低的频率输出。多通道频率计数器接口连接至信号分析处理单元，以获得浓度和粒径分布信息，本发明操作简单、灵敏度高、功耗低、成本低，且能够同时获得大气颗粒物浓度与粒径。
附图说明
图1为本发明测量方法流程示意图。
图2为本发明信号传递模块示意图。
图中：气溶胶发生器1、SAW传感器阵列2、气泵3、多通道频率计数器接口4、信号分析处理单元5。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1-2所示，基于多频率SAW阵列的大气颗粒物浓度与粒径分布测量方法，其特征在于，测量方法如下：
(1)准备测量仪器，由气溶胶发生器1、SAW传感器阵列2、气泵3、多通道频率计数器接口4和信号分析处理单元5，气溶胶发生器1与SAW传感器阵列2的输入端连接，气泵3与SAW传感器阵列2的输入端连接，SAW传感器阵列2的输出端与多通道频率计数器接口4的输入端连接，多通道频率计数器接口4的输出端与信号分析处理单元5的输入端连接。
(2)使用粒径谱仪对低、中频率的SAW依照粒径分布的灵敏度进行标定，得到分布粒径与灵敏度的变化曲线；大气颗粒物的粒径分布是符合对数正态分布的，其粒径中位数很大程度反映了颗粒物粗细；在测量前，低频SAW和中频SAW的灵敏度需要由不同粒径分布的颗粒物与粒径谱仪共同标定。
(3)开启气溶胶发生器1，用控制其时长和流速的方式来控制进入测试腔室内颗粒物的浓度和粒径。
(4)等待气溶胶悬浮物对敏感SAW扰动结束，敏感SAW频率输出不再改变即为扰动结束。
(5)开启气泵3，用气泵3排去测试腔室内的气溶胶。
(6)通过信号分析处理单元5进行信号分析处理；分析方法如下：根据低频SAW实际测得的频率变化量f低频和标定的低频SAW灵敏度S低频得到颗粒物质量浓度C＝f低频/S低频；根据中频SAW实际测得的频率变化量f中频和已测得的质量浓度C，得到此时中频SAW灵敏度S中频；由标定得到的分布粒径与灵敏度的变化曲线S中频d中位数推出颗粒物粒径中位数d中位数。
如图1-2所示，SAW传感器阵列至少由一个低频传感器和一个中频传感器组成；低频SAW的灵敏度S低频是常数，与颗粒物粒径中位数无关；而中频SAW的灵敏度是粒径中位数的函数S中频d中位数，随着粒径中位数逐渐增加到dc，S中频从S低频过渡到零；在测量时，根据低频SAW实际测得的频率变化量f低频和标定的低频SAW灵敏度S低频得到颗粒物质量浓度C＝f低频/S低频；中频SAW实际测得的频率变化量f中频和已测得的质量浓度C，得到此时中频SAW灵敏度S中频，由标定得到的分布粒径与灵敏度的变化曲线S中频d中位数推出颗粒物粒径中位数d中位数；不同频率的SAW的变化曲线适配粒径分布中位数在一定区间的颗粒物，若需得到更细颗粒物粒径信息，则需要频率更高的SAW，若颗粒物粒径中位数变化范围很大，则采用多个频率的SAW。
Claims (5)
1.基于多频率SAW阵列的大气颗粒物浓度与粒径分布测量方法，其特征在于，测量方法如下：
(1)准备测量仪器，由气溶胶发生器(1)、SAW传感器阵列(2)、气泵(3)、多通道频率计数器接口(4)和信号分析处理单元(5)，所述气溶胶发生器(1)与SAW传感器阵列(2)的输入端连接，所述气泵(3)与SAW传感器阵列(2)的输入端连接，所述SAW传感器阵列(2)的输出端与多通道频率计数器接口(4)的输入端连接，所述多通道频率计数器接口(4)的输出端与信号分析处理单元(5)的输入端连接；
(2)使用粒径谱仪对低、中频率的SAW依照粒径分布的灵敏度进行标定，得到分布粒径与灵敏度的变化曲线；大气颗粒物的粒径分布是符合对数正态分布的，其粒径中位数很大程度反映了颗粒物粗细；在测量前，低频SAW和中频SAW的灵敏度需要由不同粒径分布的颗粒物与粒径谱仪共同标定；
(3)开启气溶胶发生器(1)，用控制其时长和流速的方式来控制进入测试腔室内颗粒物的浓度和粒径；
(4)等待气溶胶悬浮物对敏感SAW扰动结束，敏感SAW频率输出不再改变即为扰动结束；
(5)开启气泵(3)，用气泵(3)排去测试腔室内的气溶胶；
(6)通过信号分析处理单元(5)进行信号分析处理；分析方法如下：根据低频SAW实际测得的频率变化量f低频和标定的低频SAW灵敏度S低频得到颗粒物质量浓度C＝f低频/S低频；根据中频SAW实际测得的频率变化量f中频和已测得的质量浓度C，得到此时中频SAW灵敏度S中频；由标定得到的分布粒径与灵敏度的变化曲线S中频d中位数推出颗粒物粒径中位数d中位数。
2.根据权利要求1所述的基于多频率SAW阵列的大气颗粒物浓度与粒径分布测量方法，其特征在于：所述SAW传感器阵列至少由一个低频传感器和一个中频传感器组成。
3.根据权利要求1所述的基于多频率SAW阵列的大气颗粒物浓度与粒径分布测量方法，其特征在于：所述低频SAW的灵敏度S低频是常数，与颗粒物粒径中位数无关；而中频SAW的灵敏度是粒径中位数的函数S中频d中位数，随着粒径中位数逐渐增加到dc，S中频从S低频过渡到零；在测量时，根据低频SAW实际测得的频率变化量f低频和标定的低频SAW灵敏度S低频得到颗粒物质量浓度C＝f低频/S低频。
4.根据权利要求1所述的基于多频率SAW阵列的大气颗粒物浓度与粒径分布测量方法，其特征在于：所述中频SAW实际测得的频率变化量f中频和已测得的质量浓度C，得到此时中频SAW灵敏度S中频，由标定得到的分布粒径与灵敏度的变化曲线S中频d中位数推出颗粒物粒径中位数d中位数。
5.根据权利要求1所述的基于多频率SAW阵列的大气颗粒物浓度与粒径分布测量方法，其特征在于：所述不同频率的SAW的变化曲线适配粒径分布中位数在一定区间的颗粒物，若需得到更细颗粒物粒径信息，则需要频率更高的SAW，若颗粒物粒径中位数变化范围很大，则采用多个频率的SAW。
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