CN206710257U - 一种大气颗粒物的检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大气颗粒物的检测装置。该装置包括压电换能器、内壳和位于所述内壳内的光源、光电探测器；所述内壳设置有第一气孔和第二气孔，内壳内部设置有腔室；所述腔室的内部或一侧壁体上设置有所述压电换能器；所述压电换能器用于在电压驱动下产生形变，从而引起腔室内部气压的变化，使腔室与内壳外部空间之间形成流动的气流；所述光源，用于发出光束并照射所述腔室内的颗粒物，然后发生散射；所述光电探测器，用于检测所述腔室内的散射光强度。该检测装置既可减小了检测装置的体积，又降低了整体功耗，有利于提升传感器应用系统的便携性和续航能力。

Description

一种大气颗粒物的检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种大气颗粒物的检测装置，尤其涉及一种能够检测大气中PM2.5和/或PM10的检测装置。

背景技术

随着空气污染问题的日趋严重，如何有效检测空气中的颗粒污染物浓度成为政府及民众非常关心的问题。现有评价体系下，PM2.5和PM10浓度是大气污染程度的关键指标之一。

目前，PM检测设备常利用电磁式风扇或是仅依靠空气介质的自身流动来实现传感器外部空间与检测腔室之间的空气介质交换过程，从而完成外界空气污染物的采集与浓度分析。但电磁式风扇由于结构复杂，效率低，电磁震动噪音高，特别是在小型移动式PM浓度传感器中配合使用时，将会导致传感器无法满足小型化和低功耗的使用需要。而仅依靠空气介质的自身流动将会导致传感器抗干扰能力弱，反应时间长等缺点。在人们日益追求空气质量的大背景下，亟待研究便携式、低功耗、高精度的PM传感器。

实用新型内容

针对上述现有技术中存在的不足之处，本实用新型提供了一种大气颗粒物的检测装置。该检测装置既可减小了检测装置的体积，又降低了整体功耗，有利于提升传感器应用系统的便携性和续航能力。

本实用新型提供一种大气颗粒物的检测装置，其包括压电换能器、内壳和位于所述内壳内的光源、光电探测器；

所述内壳设置有第一气孔和第二气孔，内壳内部设置有腔室；

所述腔室的内部或一侧壁体上设置有所述压电换能器；所述压电换能器用于在电压驱动下产生形变，从而引起所述腔室内部气压的变化，使所述腔室与所述内壳的外部空间之间形成流动的气流；

所述光源，用于发出光束并照射所述腔室内的颗粒物，然后发生散射；

所述光电探测器，用于检测所述腔室内的散射光强度。

所述检测装置还包括第一单向阀和第二单向阀；所述第一单向阀安装于所述第一气孔，所述第一单向阀的气流流通方向指向所述腔室的内部；所述第二单向阀安装在所述第二气孔，所述第二单向阀的气流流通方向指向所述腔室的外部。

所述检测装置还包括第一单向阀和第二单向阀；所述第一单向阀设置在所述第一气孔，所述第一单向阀的气流流通方向指向所述腔室的内部；所述第二单向阀设置在所述腔室内，所述第二单向阀的气流流通方向指向所述腔室的外部，所述第一单向阀、腔室、第二单向阀和第二气孔依次连通。

所述检测装置还包括第一单向阀、第二单向阀以及隔板；

所述隔板将腔室分隔为差压腔和检测腔；所述光源、光电探测器位于检测腔内；所述第一气孔和第二气孔位于隔板的两侧；

所述第一单向阀安装在第一气孔；所述第二单向阀设置在隔板上；所述第一单向阀、差压腔、第二单向阀、检测腔依次连通；其中，从所述第一单向阀和第二单向阀中选取一个单向阀，其气流流通方向指向所述差压腔的内部；另一个单向阀的气流流通方向指向所述差压腔的外部。

所述检测装置还包括第一单向阀、第二单向阀以及多个隔板；

所述多个隔板将所述腔室分隔为多个空间，所述多个空间包括差压腔、通道和检测腔，所述光源、光电探测器位于检测腔内；

所述第一单向阀安装在第一气孔；所述第二单向阀设置在围成差压腔的隔板上；所述第一单向阀、差压腔、第二单向阀、通道、检测腔依次连通；其中，从所述第一单向阀和第二单向阀中选取一个单向阀，其气流流通方向指向所述差压腔的内部；另一个单向阀的气流流通方向指向所述差压腔的外部。

所述差压腔一侧壁体或隔板上设置有所述压电换能器。

所述检测装置还包括电路模块，所述电路模块分别与光源、光电探测器、压电换能器电连接；所述电路模块用于对所述光源进行驱动控制、对所述压电换能器进行驱动控制、对所述光电探测器的输出信号进行采集和处理。

所述检测装置还包括电源或电源适配器，所述电源或电源适配器分别与电路模块、光源、光电探测器、压电换能器电连接。

所述压电换能器包括压电片和基片，所述压电片与基片粘合成层叠结构。

所述检测装置还包括外壳，所述内壳固定在外壳内，所述外壳设置有第三气孔和第四气孔。优选地，所述第三气孔与第一气孔相对，所述第四气孔与第二气孔相对。

与现有技术相比，本实用新型的大气颗粒物的检测装置具有如下优点：

本实用新型的大气颗粒物的检测装置，采用了压电换能器来实现外部空间与检测腔室之间的空气对流，从而减小了检测装置的体积，又降低了整体功耗，有利于提升传感器应用系统的便携性和续航能力。

附图说明

图1为本实用新型的实施例1的大气颗粒物的检测装置的示意图；

图2为本实用新型的实施例2的大气颗粒物的检测装置的示意图；

附图标记：1-外壳，2-内壳，3-腔室，4-第三气孔，5-第四气孔，6-光源，7-光电探测器，8-压电换能器，9-电路模块，10-第一单向阀，11-第二单向阀，12-颗粒物，13-隔板，14-差压腔，15-检测腔。

具体实施方式

下面通过附图来进一步说明本实用新型的大气颗粒物的检测装置，但不应认为本实用新型仅局限于以下的实施方式中。

本实用新型的大气颗粒物的检测装置，其包括压电换能器、内壳和位于内壳内的光源、光电探测器；内壳设置有第一气孔和第二气孔，内壳内部设置有腔室，第一气孔和第二气孔与腔室连通；腔室的内部或一侧壁体上设置有所述压电换能器；压电换能器用于在电压驱动下产生形变，从而引起腔室内部气压的变化，使腔室与内壳外部空间之间形成流动的气流；光源，用于发出光束并照射腔室内的颗粒物，然后发生散射；光电探测器，用于检测腔室内的散射光强度。

在本实用新型的一种实施方式中，检测装置还包括电路模块，电路模块分别与光源、光电探测器、压电换能器电连接；电路模块用于对光源进行驱动控制、对压电换能器进行驱动控制、对光电探测器的输出信号进行采集和处理。本实用新型的电路模块可以采用集成电路封闭设计。

在本实用新型实施方式中，为了便于腔室进气和出气更加精确，还可以设置第一单向阀和第二单向阀，具体的结构可以如下四种结构：

（1）检测装置还包括第一单向阀和第二单向阀；第一单向阀安装于第一气孔，第一单向阀的气流流通方向指向腔室的内部；第二单向阀安装在第二气孔，第二单向阀的气流流通方向指向腔室的外部。

当电压激励压电换能器时，压电换能器产生形变，向腔室的内部或者外部运动，并使腔室与外部大气之间产生压强差。当压电换能器向腔室内部施加压力时，第二单向阀打开，第一单向阀关闭，气流从腔室的第二气孔流出；当压电换能器减小腔室内部压力时，第一单向阀打开，第二单向阀关闭，气流从腔室的第一气孔流进。

（2）检测装置还包括第一单向阀和第二单向阀；第一单向阀设置在第一气孔，第一单向阀的气流流通方向指向腔室的内部；第二单向阀设置在腔室内，第二单向阀的气流流通方向指向腔室的外部，第一单向阀、腔室、第二单向阀和第二气孔依次连通。

当电压激励压电换能器时，压电换能器产生形变，向腔室的内部或者外部运动，并使腔室与外部大气之间产生压强差。当压电换能器向腔室内部施加压力时，第二单向阀打开，第一单向阀关闭，气流流经第二单向阀和第二气孔，然后流出腔室；当压电换能器减小腔室内部压力时，第一单向阀打开，第二单向阀关闭，气流从腔室的第一气孔流进。

（3）检测装置还包括第一单向阀、第二单向阀以及隔板；隔板将腔室分隔为差压腔和检测腔；光源、光电探测器位于检测腔内；第一气孔和第二气孔位于隔板的两侧；第一单向阀安装在第一气孔；第二单向阀设置在隔板上；第一单向阀、差压腔、第二单向阀、检测腔依次连通。这样差压腔通过第一单向阀与外部大气连通，差压腔通过第二单向阀与检测腔连通，检测腔再通过第一气孔也外部大气连通。

其中，从第一单向阀和第二单向阀中选取一个单向阀，其气流流通方向指向差压腔的内部；另一个单向阀的气流流通方向指向差压腔的外部。

隔板上设置有所述压电换能器，差压腔的一侧壁体（非隔板）设置有所述压电换能器。

例如，当第一单向阀的气流流通方向指向差压腔的内部时，第二单向阀的气流流通方向指向差压腔的外部（检测腔）。若压电换能器向差压腔内部施加压力，第二单向阀打开，第一单向阀关闭，气流从差压腔流入检测腔；若压电换能器减小差压腔内部压力，第一单向阀打开，第二单向阀关闭，气流从第一单身阀流进差压腔。

当第二单向阀的气流流通方向指向差压腔时，第一单向阀的气流流通方向指向差压腔的外部（内壳外大气）。若压电换能器向差压腔内部施加压力，第一单向阀打开，第二单向阀关闭，气流从第一单身阀流出差压腔；若压电换能器减小差压腔内部压力，第二单向阀打开，第一单向阀关闭，气流从检测腔流入差压腔。

（4）检测装置还包括第一单向阀、第二单向阀以及多个隔板；多个隔板将腔室分隔为多个空间；多个空间包括差压腔、通道和检测腔，光源、光电探测器位于检测腔内；第一单向阀安装在第一气孔；第二单向阀设置在围成差压腔的隔板上；第一单向阀、差压腔、第二单向阀、通道、检测腔依次连通；其中，从第一单向阀和第二单向阀中选取一个单向阀，其气流流通方向指向差压腔的内部；另一个单向阀的气流流通方向指向检测腔。

隔板上设置有所述压电换能器，差压腔的一侧壁体（非隔板）设置有所述压电换能器。

例如，当第一单向阀的气流流通方向指向差压腔的内部时，第二单向阀的气流流通方向指向差压腔的外部（检测腔和通道）。若压电换能器向差压腔内部施加压力，第二单向阀打开，第一单向阀关闭，气流从差压腔流入通道和检测腔；若压电换能器减小差压腔内部压力，第一单向阀打开，第二单向阀关闭，气流从第一单身阀流进差压腔。

当第二单向阀的气流流通方向指向差压腔时，第一单向阀的气流流通方向指向差压腔的外部（内壳外大气）。若压电换能器向差压腔内部施加压力，第一单向阀打开，第二单向阀关闭，气流从第一单身阀流出差压腔；若压电换能器减小差压腔内部压力，第二单向阀打开，第一单向阀关闭，气流从检测腔和通道流入差压腔。

在本实用新型的一种实施方式中，检测装置还包括电源或电源适配器，电源或电源适配器分别与电路模块、光源、光电探测器、压电换能器电连接。光源可以选用激光发生器，光电探测器可以选用硅光二极管。

在本实用新型的一种实施方式中，压电换能器为片状结构。作为优选实施方式，压电换能器可以包括压电片和基片，压电片与基片粘合成层叠结构。压电片可以为本领域常规使用压电片，如压电陶瓷片。基片可以为金属片、碳纤板、玻纤板、塑料板和有机高分子膜片中的一种或几种。

为了保护内壳碰撞或摔坏，本实用新型的检测装置还设置有外壳，内壳固定在外壳内，外壳设置有第三气孔和第四气孔。第三气孔与第一气孔相对，第四气孔与第二气孔相对。其中，外壳内设置与内壳相配合的安装槽。

实施例1：

本实施例的大气颗粒物的检测装置的示意图如图1所示，其元件组成和结构如下：

外壳1，外壳采用非完整框架结构，对内壳2进行加固保护，外壳1采用不锈钢薄板材质，外壳1上对应内壳2设有安装槽，以便与内壳2的安装与固定。外壳设置有第三气孔4和第四气孔5。

内壳2，采用工程塑料材质。内壳2设置有第一气孔和第二气孔，还设置有开口；压电换能器8盖合或嵌合于开口，形成一侧壁，压电换能器8与内壳2围成仅有第一气孔和第二气孔供气体流动的腔室3；

光源6，采用激光发生器，发出650nm波长的线形激光光束，激光光束的方向与第二单向阀的气流方向呈一定夹角。光源6设置在内壳2的腔室3里。

光电探测器7，采用硅光二极管，产生的电压脉冲信号峰值与颗粒物所产生的散射光强度成正比，而散射光强度又和颗粒物大小成正比。因此可用电压脉冲峰值法反推出颗粒物大小。同理，所产生的电压脉冲个数与颗粒物个数相等，因此可统计电压脉冲个数之和来反推得到颗粒物浓度。光电探测器7设置在内壳2的腔室3里。

压电换能器8，为片状结构，由压电片和黄铜片粘接组合而成，压电片采用PZT-5H压电陶瓷片，厚度方向极化；压电片和黄铜片由环氧胶粘接成构成压电换能器8。压电换能器8设置在内壳2的腔室3里。

第一单向阀10和第二单向阀11，第一单向阀10安装在与第三气孔4相对的第一气孔处，第一单向阀10的气流流通方向指向腔室3的内部，第二单向阀11安装在第四气孔5相对的第二气孔处，第二单向阀11的气流流通方向指向腔室3的外部；压电换能器8安装在腔室3的一端，压电换能器8的一个表面与腔室3构成一个内部空间，压电换能器8的另外一个表面与外部大气相接；当电压激励压电换能器8时，压电换能器8产生形变，向腔室3的内部或者外部运动，并使腔室3与外部大气之间产生压强差。当压电换能器8向腔室3内部施加压力时，第二单向阀11打开，第一单向阀10关闭，气流从第二单向阀11流出，当压电换能器8减小腔室3内部压力时，第一单向阀10打开，第二单向阀11关闭，气流从第一单向阀10流进。腔室3内部每正负压力交替循环一次即完成一次介质（空气）交换，通过该过程将外界所需检测的介质（空气）采集进入腔室3内。

电路模块9，采用集成电路封装设计，与光源6、光电探测器7、压电换能器8实现电连接，具有对光源6进行驱动控制、对光电探测器7的输出信号进行采集和处理、对压电换能器8进行驱动控制的功能；电路模块9设置在内壳2的腔室3里。

粒径为2.5μm的颗粒物12，对应一定的电压脉冲信号峰值，统计一定时间内该电压信号脉冲个数之和，即为PM2.5的个数。

进一步的，进出检测器的气体流量，用M表示，可通过测单位时间内流过主腔室的气体体积得到；PM2.5的浓度，用C表示；单位时间内通过主腔室的PM2.5 的颗粒物12的个数，用N表示，C＝N÷M。

实施例2：

本实施例的大气颗粒物的检测装置的示意图如图2所示，其元件组成和结构如下：

外壳1，外壳采用非完整框架结构，对内壳2进行加固保护，外壳1采用不锈钢薄板材质，外壳1上对应位置开有安装槽，以便与内壳2的安装与固定。外壳设置有第三气孔4和第四气孔5。

内壳2，采用工程塑料材质。内壳2设置有第一气孔和第二气孔，还设置有开口；压电换能器8盖合或嵌合于开口。压电换能器8安装在内壳2的顶端开口，形成一侧壁。

隔板13，将内壳2的腔室分隔成差压腔14和检测腔15，压电换能器8与隔板13之间的空间为差压腔14，另一空间为检测腔15，这样压电换能器8的一个表面面向差压腔14的内部，压电换能器8的另外一个表面与外部大气相接；光源6、光电探测器7位于检测腔15内；第一气孔和第二气孔位于隔板13的两侧。

光源6，采用激光发生器，发出650nm波长的线形激光光束，激光光束的方向与第二单向阀的气流方向呈一定夹角。光源6位于检测腔15内。

光电探测器7，采用硅光二极管，产生的电压脉冲信号峰值与颗粒物所产生的散射光强度成正比，而散射光强度又和颗粒物大小成正比。因此可用电压脉冲峰值法反推出颗粒物大小。同理，所产生的电压脉冲个数与颗粒物个数相等，因此可统计电压脉冲个数之和来反推得到颗粒物浓度。光电探测器7位于检测腔15内。

压电换能器8，压电换能器8为片状结构，由压电片和黄铜片粘接组合而成，压电材料采用PZT-5H压电陶瓷，厚度方向极化；压电片和黄铜片由环氧胶粘接成构成压电换能器8。压电换能器8位于检测腔15内。

第一单向阀10和第二单向阀11，第一单向阀10安装在在与第三气孔4相对的第一气孔处，差压腔14通过第一单向阀10与外部大气连通，第一单向阀10的气流流通方向指向差压腔14的内部，差压腔14通过第二单向阀11与检测腔15连通，第二单向阀11的气流流通方向指向检测腔15；当电压激励压电换能器8时，压电换能器8产生形变，使差压腔14与外部大气之间产生压强差。当压电换能器8向差压腔14内部施加压力时，第二单向阀11打开，第一单向阀10关闭，气流从差压腔14流入检测腔15；当压电换能器8减小差压腔14内部压力时，第一单向阀10打开，第二单向11阀关闭，气流从第三气孔4和第一单向阀10流进差压腔14。差压腔14内部每正负压力交替循环一次即完成一次介质（空气）交换，通过该过程将外界所需检测的介质（空气）采集进入检测腔15内。

电路模块9，采用集成电路封装设计，与光源6、光电探测器7、压电换能器8实现电连接，具有对光源6进行驱动控制、对光电探测器7的输出信号进行采集处理、对压电换能器8进行驱动控制的功能。电路模块9位于检测腔15内。

粒径为2.5μm的颗粒物12，对应一定的电压脉冲信号峰值，统计一定时间内该电压信号脉冲个数之和，即为PM2.5的个数。

进一步的，进出检测器的气体流量，用M表示，可通过测单位时间内流过主腔室的气体体积得到；PM2.5 的浓度，用C表示；单位时间内通过主腔室的PM2.5 颗粒物12的个数，用N表示，C＝N÷M。

需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，可以通过任何合适的方式进行任意组合，其同样落入本实用新型所公开的范围之内。另外，本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。

以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种大气颗粒物的检测装置，其特征在于，其包括压电换能器、内壳和位于所述内壳内的光源、光电探测器；

所述内壳设置有第一气孔和第二气孔，内壳内部设置有腔室；

所述腔室的内部或一侧壁体上设置有所述压电换能器；所述压电换能器用于在电压驱动下产生形变，从而引起所述腔室内部气压的变化，使所述腔室与所述内壳的外部空间之间形成流动的气流；

所述光源，用于发出光束并照射所述腔室内的颗粒物，然后发生散射；

所述光电探测器，用于检测所述腔室内的散射光强度。

2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：所述检测装置还包括第一单向阀和第二单向阀；所述第一单向阀安装于所述第一气孔，所述第一单向阀的气流流通方向指向所述腔室的内部；所述第二单向阀安装在所述第二气孔，所述第二单向阀的气流流通方向指向所述腔室的外部。

3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：所述检测装置还包括第一单向阀和第二单向阀；所述第一单向阀设置在所述第一气孔，所述第一单向阀的气流流通方向指向所述腔室的内部；所述第二单向阀设置在所述腔室内，所述第二单向阀的气流流通方向指向所述腔室的外部，所述第一单向阀、腔室、第二单向阀和第二气孔依次连通。

4.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：所述检测装置还包括第一单向阀、第二单向阀以及隔板；

所述隔板将腔室分隔为差压腔和检测腔；所述光源、光电探测器位于检测腔内；所述第一气孔和第二气孔位于隔板的两侧；

所述第一单向阀安装在第一气孔；所述第二单向阀设置在隔板上；所述第一单向阀、差压腔、第二单向阀、检测腔依次连通；其中，从所述第一单向阀和第二单向阀中选取一个单向阀，其气流流通方向指向所述差压腔的内部；另一个单向阀的气流流通方向指向所述差压腔的外部。

5.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：所述检测装置还包括第一单向阀、第二单向阀以及多个隔板；

所述多个隔板将所述腔室分隔为多个空间，所述多个空间包括差压腔、通道和检测腔，所述光源、光电探测器位于检测腔内；

所述第一单向阀安装在第一气孔；所述第二单向阀设置在围成差压腔的隔板上；所述第一单向阀、差压腔、第二单向阀、通道、检测腔依次连通；其中，从所述第一单向阀和第二单向阀中选取一个单向阀，其气流流通方向指向所述差压腔的内部；另一个单向阀的气流流通方向指向所述差压腔的外部。

6.根据权利要求4或5所述的检测装置，其特征在于：所述差压腔一侧壁体或隔板上设置有所述压电换能器。

7.根据权利要求1-5中任意一项所述的检测装置，其特征在于：所述检测装置还包括电路模块，所述电路模块分别与光源、光电探测器、压电换能器电连接；所述电路模块用于对所述光源进行驱动控制、对所述压电换能器进行驱动控制、对所述光电探测器的输出信号进行采集和处理。

8.根据权利要求1-5中任意一项所述的检测装置，其特征在于：所述检测装置还包括电源或电源适配器，所述电源或电源适配器分别与电路模块、光源、光电探测器、压电换能器电连接。

9.根据权利要求1-5中任意一项所述的检测装置，其特征在于：所述压电换能器包括压电片和基片，所述压电片与基片粘合成层叠结构。

10.根据权利要求1-5中任意一项所述的检测装置，其特征在于：所述检测装置还包括外壳，所述内壳固定在外壳内，所述外壳设置有第三气孔和第四气孔。