CN113447322A - 飞行器尤其旋翼无人机载低能耗气溶胶采样装置及飞行器 - Google Patents

飞行器尤其旋翼无人机载低能耗气溶胶采样装置及飞行器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种气溶胶采样装置，具体涉及一种飞行器尤其旋翼无人机载低能耗气溶胶采样装置及飞行器。其目的是解决现有气溶胶采样和观测中存在采用旋翼无人机载气溶胶采样装置采样时，采样器体积过大、能耗过高，以及所采样品代表性不佳的技术问题。该采样装置，包括壳体、排气管、无纺布滤材、压圈、压板、前盖和进气管；所述壳体的一端敞口、另一端带有底板；壳体敞口端的外壁上设有外螺纹，内壁上沿圆周设有环形凹槽；所述排气管安装于底板上；所述无纺布滤材为圆锥型，其开口处被压圈压紧在环形凹槽处，后利用前盖和压板压紧压圈，进气管设置于前盖上。该飞行器搭载该采样装置和流气式传感器。

Description

飞行器尤其旋翼无人机载低能耗气溶胶采样装置及飞行器
技术领域
本发明涉及一种气溶胶采样装置，具体涉及一种飞行器尤其旋翼无人机载低能耗气溶胶采样装置及飞行器。
背景技术
大气气溶胶是大气中常见的物质，很多污染物以大气气溶胶形式或者混合于大气气溶胶中的形式存在。对大气气溶胶污染物的监测和采样是大气环境监测的重要内容之一。而空中气溶胶采样，是获取空中气溶胶样品所采用的手段，是对气溶胶样品进行实验室详细分析的基础，也是许多大气监测工作的必要环节。
在各种飞行器载气溶胶采样器中，基于无人机(无人机包括固定翼无人机和旋翼无人机)尤其是旋翼无人机的气溶胶采样器，是近年来发展比较快速的环境监测设备。中国专利CN 107422747 A中，给出了旋翼无人机上搭载气溶胶采样器的方法，但并未提供所采用的气溶胶采样器的具体结构。罗中兴等于2019年在《环境监测管理与技术》31卷1期58-60页中发表的文章中提供了气溶胶采样器，但该采样器未考虑旋翼无人机对低能耗和低载荷的要求；中国专利CN 108146628 A和CN 109323893 A中的气溶胶采样器，未考虑旋翼无人机对气溶胶采样器布置方式的要求。
由于旋翼无人机对载荷比较敏感，挂载较小体积、较小重量的负载时，较小的重量有利于延长续航时间。因此，在气溶胶采样器的设计上需要尽量考虑减小采样器的重量或体积，即需要使用低阻高效的气溶胶采样装置，但现有采样器大多体积较大、能耗较高。被动式气溶胶采样器虽然可以不带电池，减少相应负载，但容易对旋翼无人机产生较大扰动，而影响飞行安全。
旋翼无人机对周围大气扰动区域的基本范围是上部影响范围较小(～1m)，而下部影响范围较大(～20m)。现有技术中，通常在机腹下安装气溶胶采样器，但这样采集到的样品是经过无人机旋翼扰动的大气，不能真实反映样品状态。并且，当污染气团的尺度显著大于采样尺度时，或监测中希望了解污染气团浓度的空间不均匀性时，气溶胶采样的空间代表性会受到明显的影响。故一般无人机采样中会依靠视频对污染气团进行观测来指导采样。但在很多情况下，这种观测是有困难的，比如污染气团往往在远处容易看到，近处却不容易发现等，故难以较好地指导采样，容易导致所采样品代表性不佳。
发明内容
本发明的目的是解决现有气溶胶采样和观测中存在采用旋翼无人机载气溶胶采样装置采样时，采样器体积过大、能耗过高，以及所采样品代表性不佳的技术问题，提供一种飞行器尤其旋翼无人机载低能耗气溶胶采样装置及飞行器。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：
一种飞行器尤其旋翼无人机载低能耗气溶胶采样装置，其特殊之处在于：
包括壳体、排气管、无纺布滤材、压圈、压板、前盖和进气管；
所述壳体的一端敞口、另一端带有底板，底板上设有第一通孔；壳体敞口端的外壁上设有外螺纹，内壁上沿圆周设有环形凹槽；
所述排气管安装于第一通孔处；
所述无纺布滤材为圆锥型；
所述压圈采用硬质材料，不可变形，如金属或硬质塑料等，无纺布滤材的开口端在压圈的压紧作用下，紧贴环形凹槽的槽壁和底面；
所述压板的内侧端面紧贴压圈外侧端面，边缘的一部分与环形凹槽的槽壁相配合，另一部分超出环形凹槽；
所述前盖包括圆筒体，和设置于圆筒体一端的凸缘，圆筒体的内壁上设有与壳体的所述外螺纹配合的内螺纹；凸缘的内端面顶紧压板的外端面；
所述压板上设有第二通孔，所述进气管安装于第二通孔处。
进一步地，所述圆锥型的无纺布滤材在叠成圆锥时形成的接合部a，通过超声波热熔处理后连接成一体。
进一步地，所述压圈的壁厚为1～2mm。
进一步地，所述壳体的外径为40mm，长度为80mm。
本发明还提供一种飞行器，包括飞行器本体、上述飞行器尤其旋翼无人机载低能耗气溶胶采样装置、直流抽气泵和锂离子电池，直流抽气泵设置于所述排气管上，锂离子电池为直流抽气泵供电，其特殊之处在于：
所述飞行器尤其旋翼无人机载低能耗气溶胶采样装置安放在飞行器腹下，其进气管的管口设置于飞行器上方1m以上区域，或者设置于飞行器下方20～ 30m区域；
或者，所述飞行器尤其旋翼无人机载低能耗气溶胶采样装置通过绳索悬挂在飞行器下方20～30m位置处，其进气管的管口位于该区域内；
还包括流气式的传感器，用于获取气体浓度数据；
所述传感器的进气管路与飞行器尤其旋翼无人机载低能耗气溶胶采样装置的进气管的管口位置相同，或者，通过转接头与飞行器尤其旋翼无人机载低能耗气溶胶采样装置气溶胶采样装置共用进气管。
进一步地，所述传感器为流气式气体传感器或流气式气溶胶传感器。
进一步地，所述直流抽气泵的流速为40L/min，飞行器尤其旋翼无人机载低能耗气溶胶采样装置的采样流速达25～30L/min。
本发明相比现有技术具有的有益效果如下：
1、本发明提供的飞行器尤其旋翼无人机载低能耗气溶胶采样装置，使用圆锥形结构的无纺布滤材，减小了过滤流速，降低了过滤的压阻，提高了过滤的效率，实现了低能耗，采样装置有效利用空间，减少采样器载荷，结构简单轻巧，满足飞行器尤其旋翼无人机对的低能耗和低载荷要求，体积小，壳体的外径为40mm，长度为80mm，便于搭载，满足布置要求。
2、本发明提供的飞行器尤其旋翼无人机载低能耗气溶胶采样装置，采用的超声波热熔连接处理可以将有机纤维式的滤材在任意交叠位置进行连接，不漏气，不降低拉伸强度。不可变形的压圈利用了圆锥形无纺布滤材的有限弹性，保证了侧面不漏气，同时还方便拆装。
3、本发明提供的飞行器，将飞行器尤其旋翼无人机载低能耗气溶胶采样装置进气管的管口延伸到飞行器扰动流场之外区域，可以有效提高监测的时效性和空间准确性。
4、本发明提供的飞行器，增设了流气式的传感器，与飞行器尤其旋翼无人机载低能耗气溶胶采样装置同时进入空气污染气团进行实时观测，以获得采样航线上气溶胶或污染气体浓度(具体取决于传感器)的相对值，从而便于计算对应的空气浓度，进而结合气体浓度数据和视频观测，判断无人机是否需要进入污染气团，以及决定是否开启采样，可以弥补常规单纯视频观测的不足，提高对污染物浓度计算的准确性，提高污染物采样器的有效性。这种飞行器便于及时发现污染云团，提高采样的有效性。
附图说明
图1为本发明飞行器尤其旋翼无人机载低能耗气溶胶采样装置的结构示意图；
附图标记说明：
1－进气管、2－前盖、3－压板、4－压圈、5－无纺布滤材、6－壳体、7 －排气管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。
一种飞行器尤其旋翼无人机载低能耗气溶胶采样装置，如图1所示，包括壳体6、排气管7、无纺布滤材5(即低阻高效有机纤维滤材)、压圈4、压板3、前盖2和进气管1；所述壳体6的外径为40mm，长度为80mm，其一端敞口、另一端带有底板，底板上设有第一通孔；壳体6敞口端的外壁上设有外螺纹，内壁上沿圆周设有环形凹槽；所述排气管7安装于第一通孔处；所述无纺布滤材5为圆锥型；所述压圈4需要为硬质薄壁的不可变形材质，壁厚为1～2mm，无纺布滤材5的开口端在压圈4的压紧作用下，紧贴环形凹槽的槽壁和底面；所述压板3的内侧端面紧贴压圈4外侧端面，边缘的一部分与环形凹槽的槽壁相配合，另一部分超出环形凹槽；所述前盖2包括圆筒体，和设置于圆筒体一端的凸缘，圆筒体的内壁上设有与壳体6的所述外螺纹配合的内螺纹；凸缘的内端面顶紧压板3的外端面；所述压板3上设有第二通孔，所述进气管1安装于第二通孔处。所述圆锥型的无纺布滤材5在叠成圆锥时形成的接合部a，通过超声波花边机热熔处理后连接成一体。
本发明还提供一种飞行器，包括飞行器本体、上述飞行器尤其旋翼无人机载低能耗气溶胶采样装置、直流抽气泵和锂离子电池，直流抽气泵设置于所述排气管7上，锂离子电池为直流抽气泵供电，所述飞行器尤其旋翼无人机载低能耗气溶胶采样装置安放在飞行器腹下，从飞行器上部进气，进气管1 的管口设置于飞行器上方1m以上区域，或者从飞行器下部进气，进气管1的管口设置于飞行器下方20～30m区域；或者，从飞行器下部进气，所述飞行器尤其旋翼无人机载低能耗气溶胶采样装置通过绳索悬挂在飞行器下方20～ 30m位置处，其进气管1的管口位于该区域内；还包括流气式的传感器，可以为流气式气体传感器或流气式气溶胶传感器，用于获取气体浓度数据；所述传感器可与飞行器尤其旋翼无人机载低能耗气溶胶采样装置协同工作，传感器的进气管路与飞行器尤其旋翼无人机载低能耗气溶胶采样装置的进气管 1的管口位置相同，各自独立抽气，或者，利用转接头与飞行器尤其旋翼无人机载低能耗气溶胶采样装置共用进气管。所述直流抽气泵的流速为40L/min，飞行器尤其旋翼无人机载低能耗气溶胶采样装置的采样流速可达25～30L/min。
采样判断过程：
将传感器信号实时回传到地面站，将回传的传感器信号处理为气体浓度数据，将气体浓度数据和视频观测结合，判断飞行器是否需要进入污染气团，和决定是否开启采样。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种飞行器尤其旋翼无人机载低能耗气溶胶采样装置，其特征在于：
包括壳体(6)、排气管(7)、无纺布滤材(5)、压圈(4)、压板(3)、前盖(2)和进气管(1)；
所述壳体(6)的一端敞口、另一端带有底板，底板上设有第一通孔；壳体(6)敞口端的外壁上设有外螺纹，内壁上沿圆周设有环形凹槽；
所述排气管(7)安装于第一通孔处；
所述无纺布滤材(5)为圆锥型；
所述压圈(4)采用硬质材料，无纺布滤材(5)的开口端在压圈(4)的压紧作用下，紧贴环形凹槽的槽壁和底面；
所述压板(3)的内侧端面紧贴压圈(4)外侧端面，边缘的一部分与环形凹槽的槽壁相配合，另一部分超出环形凹槽；
所述前盖(2)包括圆筒体，和设置于圆筒体一端的凸缘，圆筒体的内壁上设有与壳体(6)的所述外螺纹配合的内螺纹；凸缘的内端面顶紧压板(3)的外端面；
所述压板(3)上设有第二通孔，所述进气管(1)安装于第二通孔处。
2.根据权利要求1所述飞行器尤其旋翼无人机载低能耗气溶胶采样装置，其特征在于：
所述圆锥型的无纺布滤材5在叠成圆锥时形成的接合部a，通过超声波热熔处理后连接成一体。
3.根据权利要求2所述飞行器尤其旋翼无人机载低能耗气溶胶采样装置，其特征在于：
所述压圈(4)的壁厚为1～2mm。
4.根据权利要求1至3任一所述飞行器尤其旋翼无人机载低能耗气溶胶采样装置，其特征在于：
所述壳体(6)的外径为40mm，长度为80mm。
5.一种飞行器，包括飞行器本体、权利要求1至4任一所述飞行器尤其旋翼无人机载低能耗气溶胶采样装置、直流抽气泵和锂离子电池，直流抽气泵设置于所述排气管(7)上，锂离子电池为直流抽气泵供电，其特征在于：
所述飞行器尤其旋翼无人机载低能耗气溶胶采样装置安放在飞行器腹下，其进气管(1)的管口设置于飞行器上方1m以上区域，或者设置于飞行器下方20～30m区域；
或者，所述飞行器尤其旋翼无人机载低能耗气溶胶采样装置通过绳索悬挂在飞行器下方20～30m位置处，其进气管(1)的管口位于该区域内；
还包括流气式的传感器，用于获取气体浓度数据；
所述传感器的进气管路与飞行器尤其旋翼无人机载低能耗气溶胶采样装置的进气管(1)的管口位置相同，或者，通过转接头与飞行器尤其旋翼无人机载低能耗气溶胶采样装置共用进气管。
6.根据权利要求5所述飞行器，其特征在于：
所述传感器为流气式气体传感器或流气式气溶胶传感器。
7.根据权利要求5或6所述飞行器，其特征在于：
所述直流抽气泵的流速为40L/min，飞行器尤其旋翼无人机载低能耗气溶胶采样装置的采样流速达25～30L/min。
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