CN220382044U - 一种小型化复合结构离子迁移管 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种小型化复合结构离子迁移管，包括高电压大气离子化装置、迁移管前封盖、离子控制电路模块、迁移管主体、迁移管后封盖；其中，高电压大气离子化装置通过迁移管前封盖设于迁移管主体一端，迁移管后封盖设于迁移管主体另一端；迁移管主体由PEEK材料加工，PEEK材料上设有离化区，内部镶嵌有陶瓷内胆；在离化区与迁移区陶瓷内胆之间设置内部离子门栅网；离子控制电路模块设于迁移管主体侧面，离子控制电路模块通过两个第一弹性顶针与第一电极环和第二电极环连接，通过第二弹性顶针与内部离子门栅网连接。本实用新型调整了离化区与迁移区的长度比例，在保留迁移区长度的情况下，缩短了离化区，从而缩短了迁移管的总长度。
Description
技术领域
本实用新型涉及离子迁移谱仪制造领域，尤其是一种小型化复合结构的离子迁移管。
背景技术
迁移时间离子迁移谱（Ion Mobility Spectrometry，IMS）是一种类似飞行时间质谱的，以被测物分子、离子在常压气体环境下的间隙式离子团分离与检测技术。在一密闭的管体内，布置均匀的电极环，施加梯度的稳恒电场，注入的离子团因其分子质量和尺寸的不同而实现离子的分离，从而进行检测。
离子迁移谱的分辨率
R=Td/W0.5
其中，W0.5 为半峰宽，Td离子峰出峰位置的时间；
而离子峰出峰位置的时间
Td=L2/(K0U)
其中L为迁移区的长度，K0为被测物的迁移率，U为迁移电压。
显然，迁移管长度的减少，将以平方律降低迁移时间，从而显著降低分辨率。根据理论计算与工程经验，一般迁移管的迁移区应达到100mm，才能获得较好的分辨率。然而，以该长度的迁移区设计迁移管，加上离化区、壳体等，总长度达150mm，对于固定式应用没有问题，而一些特别的应用场景如手持式设备，无人飞行器搭载等，显然不能接受；
传统设计的迁移管，多采用金属陶瓷环在轴向交叉焊接而成，制造工艺、结构复杂，成本高，在冲击和振动的环境下容易造成漏气、断裂等而导致管体报废。
另一方面，迁移管在振动环境下，其谱图会严重叠加机械振动的波形，形成强烈的干扰，甚至导致设备无法工作。
实用新型内容
针对上述存在的问题，本实用新型提出一种复合结构的离子迁移管，将一体化镀膜技术的陶瓷内胆置于绝缘材料的外壳中，制成的迁移管适应恶劣环境变化，抗冲击振动、气密性好；离子门组件、高电压大气离子化装置整体植入绝缘体内，实现迁移管的小型化，整体组件化，实现离子迁移谱仪的小型化，为手持式单兵应用、无人飞行器挂载应用等场景提供核心传感器。
本实用新型的技术方案具体如下：
一种小型化复合结构离子迁移管，包括高电压大气离子化装置、迁移管前封盖、离子控制电路模块、迁移管主体、迁移管后封盖；
其中，高电压大气离子化装置通过迁移管前封盖设于迁移管主体一端，迁移管后封盖设于迁移管主体另一端；迁移管主体由PEEK材料加工，PEEK材料上设有离化区，内部镶嵌有陶瓷内胆；在离化区与迁移区陶瓷内胆之间设置内部离子门栅网；
离子控制电路模块设于迁移管主体侧面，离子控制电路模块通过两个第一弹性顶针与第一电极环和第二电极环连接，通过第二弹性顶针与内部离子门栅网连接。
进一步地，迁移管主体的管体外侧还设有测量迁移气进气压力和温度的传感器以及测量迁移气排气压力和温度的传感器。
进一步地，迁移管前封盖内部设置有正极性针状电极、正极性孔状电极；负极性针状电极和负极性孔状电极；
正极性高压与正极性针状电极连接，并与正极性孔状电极构成离化环境；负极性高压与负极性针状电极连接，并与负极性孔状电极构成离化环境；正极性针状电极、负极性针状电极的轴心处于负极性针状电极和负极性孔状电极的圆心轴线上，距离2-8mm。
进一步地，小型化复合结构离子迁移管还包括离子检测器屏蔽盖，离子检测器屏蔽盖设于离子检测器上。
进一步地，包括正极性高压电源输入端子和负极性电源输入端子，用于形成正负极公共电流回路的输入端，迁移电源的输入端子、正极性孔状电极、负极性孔状电极和用于形成迁移电场的平板电极。
进一步地，迁移管后封盖内部设置有离子检测器，离子检测器由第一电路板和第二电路板组成。
进一步地，离化区与迁移区的长度比例调整为1：2.5，缩短了离化区，从而缩短了迁移管的总长度。
与现有技术相比，本实用新型具有显著的有益效果：
本实用新型采用了陶瓷材料的内胆作为迁移区，迁移区的物理特性更加稳定；不同于传统的陶瓷迁移管，本实用新型的陶瓷内胆使用整体陶瓷，没有焊接端，整体强度高、不易破损；进一步，本实用新型的陶瓷迁移管，置于绝缘材料的主体壳体内部，不承受安装机械应力和环境应力的影响，更加可靠，同时具有稳定的温度环境，检测的结构更精确、稳定；
本实用新型的离化区的环状电极与传统迁移管的数量少，仅使用两个环状电极，按传统需使用至少5个环状电极，本实用新型的离化区使用PEEK材料制作，与壳体一次加工成型，免去了使用陶瓷材料制作的高成本问题。
附图说明
图1为本实用新型的迁移管整体外形图；
图2为本实用新型的迁移管前封盖及离化组件；
图3为本实用新型的迁移管离化组件的细节结构图；
图4为本实用新型的迁移管主体；
图5为本实用新型的迁移管内部示意图；
图6为本实用新型的离子门及控制电路组件；
图7为本实用新型的陶瓷内胆；
图8为本实用新型的迁移管后封盖及离子检测器组件；
图9离化区无电极环时的离子峰图形；
图10离化区使用2个电极环时的离子峰图形。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
除非另外定义，本申请实施例中使用的技术术语或者科学术语应当为所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。“上”、“下”、“左”、“右”、“横”以及“竖”等仅用于相对于附图中的部件的方位而言的，这些方向性术语是相对的概念，它们用于相对于的描述和澄清，其可以根据附图中的部件所放置的方位的变化而相应地发生变化。
如图1所示，本实施例的小型化复合结构离子迁移管，包括高电压大气离子化装置1、迁移管前封盖2、离子控制电路模块3、迁移管主体4、迁移管后封盖5、离子检测器6、离子检测器屏蔽盖7；高电压大气离子化装置1通过迁移管前封盖2设于迁移管主体4一端，迁移管后封盖5设于迁移管主体4另一端，离子检测器6设于迁移管后封盖5上，离子检测器屏蔽盖7设于离子检测器6上。
本实施例的小型化复合结构离子迁移管，由PEEK材料通过数控机加工，制作迁移管主体4、迁移管前封盖2和迁移管后封盖5；迁移管前封盖2与高电压大气离子化装置1结合，迁移管后封盖5与离子检测器6、离子检测器屏蔽盖7结合。
如图2所示，本实用新型的高电压大气离子化装置1，包括正极性高压电源输入端子201和负极性电源输入端子203，用于形成正负极公共电流回路的输入端子202，迁移电源的输入端子204，正极性孔状电极205、负极性孔状电极206和用于形成迁移电场的平板电极207。上述输入端子201-204为高压输入端子，使用弹性顶针电极与主控制板相连接。
正极性孔状电极205、负极性孔状电极206和平板电极207设于迁移管前封盖2与迁移管主体4接触的一侧。平板电极207可以设于迁移管前封盖2突出部分，该平板电极207分别制作有正负孔状电极，即正极性孔状电极205、负极性孔状电极206，孔状电极还作为迁移管的排气出口。
该平板电极207还作为高电压大气离子化装置1的公共放电孔状电极，正极性孔状电极205和负极性孔状电极206还作为迁移管的两个并联的排气孔；平板电极207部分进入迁移管主体4内，与迁移管前封盖2组合后形成迁移管的闭合体，构成迁移管的气密性前段。
如图3所示，正极性高压与正极性针状电极215连接，并与正极性孔状电极205构成离化环境；负极性高压与负极性针状电极216连接，并与负极性孔状电极206构成离化环境；正极性针状电极215、负极性针状电极216的轴心处于正极性孔状电极205、负极性孔状电极206的圆心轴线上，距离2-8mm。
如图4、5所示，本实用新型的小型化复合结构离子迁移管，在迁移管主体4PEEK材料上加工制作了离化区450，离子门组件433用螺丝固定在迁移管主体内部；不同于传统的迁移管，本实施例的离化区仅使用2个电极环，分别是第一电极环431和第二电极环432；迁移管主体侧面布置有离子门控制电路435。离子门控制电路435通过两个第一弹性顶针430与第一电极环431和第二电极环432电气连接，通过第二弹性顶针434与内部离子门栅网433电气连接；迁移管主体4的侧面还装有测量迁移气进气压力和温度的传感器405以及测量迁移气排气压力和温度的传感器404。离子门控制电路435是离子门控制电路模块3电路基板。
离化区450是关键之一，如图4，离化区450为平板电极207与离子门栅网433之间的圆管状区域，离化区450的内侧还嵌有第一电极环431和第二电极环432，第一电极环431和第二电极环432上施加有梯级电压，形成均匀的轴向电场，电场的方向与迁移管的梯级电场一致。进而，离化区的环状电极与传统迁移管的少，仅使用两个，而传统的应使用至少5个环状电极，同时，离化区450使用PEEK材料制作，与壳体一次加工成型，不使用陶瓷材料。
如图5、6、7所示，陶瓷内胆406内部有均匀分布有多个环状电极520，环状电极通过密封的过孔521穿过管壁与电场分配电路460相连接，电场分配电路460上的分压电阻，均匀分配迁移电压形成均匀的轴向迁移电场；电场分配电路460通过弹性顶针461与离子检测器6相连接。
离子门控制电路模块3通过第一弹性顶针430与离化区的第一环状电极431、第二环状电极432连接、使用第二弹性顶针434与离子门组件433连接；离子门控制电路模块3，使用申请人在CN202210368509.6公开的电路原理，由光电隔离器件与高压电源隔离，由桥式二极管实现微处理器单极性同时控制正负极性的栅网电压，实现正负极性的离子门控制。电路采用。
如图8所示，迁移管后封盖5使用螺栓与迁移管主体4结合后形成迁移管的闭合体，构成迁移管的气密性后段；离子检测器6由第一电路板601和第二电路板602组成，第一电路板601设计有离子接收电极，电极采用圆形、方形或环形，离子放大器由高精度集成运算放大器构成，放大器外侧装有屏蔽罩7，屏蔽罩用螺栓701固定到迁移管后封盖5上。
本实施例的陶瓷内胆，在陶瓷管内壁采用陶瓷金属化工艺，生成环状电极，环状电极具有均匀的宽度，宽度3mm，误差小于±0.05mm；电极通过引线密封穿过管壁并与电场分配电路相连接。
测量迁移气进气压力和温度的传感器使用MS5611或FBM320。
离子检测器由第一电路板601和第二电路板602，通过电气上使用弹性顶针相连接，该电路板采用自有技术制造，第一电路板601和第二电路板602是CN201920667808.3及CN201821955997.6涉及的方案；检测器使用高精度运算放大器OPA8605或MS8605。
测量迁移气进气压力和温度的传感器405以及测量迁移气排气压力和温度的传感器404，采用集成的数字化气压传感器，传感器的气孔与迁移管的内部相应的测量点的气路相通。
迁移管后封盖5使用螺栓与迁移管主体4结合，所述的陶瓷内胆上电场分配电路通过弹性顶针，穿过迁移管后封盖5后与离子检测器由第一电路板601上的电极触电相连接形成高压回路与系统参考地连接；离子检测器由第一电路板601和第二电路板602组合电气上使用弹性顶针连接。
本实用新型采取陶瓷材料内胆、PEEK材料、离子门组件、由壳体制作的离化区等制作工艺和技术，在分辨率可接受的范围内，充分缩短了迁移管的总体长度，最终获得的迁移管总成，长度小于120mm，该离子迁移谱技术可实现手持式仪器；也可应用于无人机吊载等应用。
迁移率K=L2/(Td*U)，离子迁移谱的分辨率跟长度的平方成正比，在迁移管的小型化研制中，分辨率的损失更加迅速，为尽可能的保持迁移区的长度，只能调整离化区的长度，为此，将离化区与迁移区的长度比例调整为1：2.5，远比常规迁移管的2：3小的多。并且尝试使用PEEK材料制作离化区，放弃常规迁移管的离化区与迁移区使用陶瓷的方案，由于PEEK材料方便数控车铣加工，可以与壳体一并加工，降低了离子迁移管的生产成本。对于迁移区，使用陶瓷结构的内胆，具有温度稳定性高、抗腐蚀、高绝缘等优点，对于冲击振动容易破碎的弱点，本实用新型采用了PEEK包裹陶瓷迁移区内胆的方法加以解决，取得良好的效果。采用该离子迁移管的车载样机，经过了国军标40G的冲击试验和三个方向的30分钟连续振动试验的考验，还进行了-43℃低温、55℃高温、30℃/95%的湿热试验。
本实用新型的最初意图是离化区不使用电极环，但是试验发现正极性的峰型不理想，如图9所示，通过大量的排查，发现离化区的电场不稳定，后经改进设计，仅增加了电极环431和432，比传统的相同长度的离化区电极环数少了三个，减少了迁移管的结构复杂度，取得的峰形、峰高达到满意效果，如图10所示。
本实施例的离子迁移管的使用方法：
采用迁移时间离子迁移谱技术，其工作过程是通过30kV/cm的高电场将空气离化后从正极性孔状电极205和负极性孔状电极206注入离化区，正极性针状电极215仅在离子迁移管正模式时工作，同样负极性针状电极216仅在离子迁移管负模式时工作，此时离化的离子与迁移电场一致，大大增强了离化效果；正极性和负极性工作模式交替工作，能同时检测不同化学性质的被测物，本实施例的典型交替时间1300ms；
注入的离子与进入离化区的被监测物的分子相结合后被迁移电场推向迁移区，由于离子门的存在，约99%的时间，被测物分子被离子门所吸收，只有在离子门开启后，离子才进入迁移区，通过一定长度的迁移区后，不同质量和形状的离子将会被分离，分别到达离子接收电极601，形成中和电流，中和电流的大小与离子群的数量成正比，中和电流的非常微弱，通过高精度运算放大器放大后得到离子峰信号，该信号送到单片机进行模拟数字转换后形成谱图数据，每帧谱图有2048-8192个点，根据分辨力的需求确定；
迁移管内还有与离子迁移方向相反的气流，用于冲洗迁移管，将进入关内的被测物分子带出，并由分子筛进行过滤。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种小型化复合结构离子迁移管，其特征在于：包括高电压大气离子化装置（1）、迁移管前封盖（2）、离子控制电路模块（3）、迁移管主体（4）、迁移管后封盖（5）；其中，高电压大气离子化装置（1）通过迁移管前封盖（2）设于迁移管主体（4）一端，迁移管后封盖（5）设于迁移管主体（4）另一端；迁移管主体（4）由PEEK材料加工，PEEK材料上设有离化区（450）；内部镶嵌有陶瓷内胆（406）作为迁移区；在离化区与迁移区陶瓷内胆（406）之间设置内部离子门栅网（433）；
离子控制电路模块（3）设于迁移管主体（4）侧面，离子控制电路模块（3）通过两个第一弹性顶针（430）与第一电极环（431）和第二电极环（432）连接，通过第二弹性顶针（434）与内部离子门栅网（433）连接。
2.根据权利要求1所述的小型化复合结构离子迁移管，其特征在于：迁移管主体（4）的管体外侧还设有测量迁移气进气压力和温度的传感器（405）以及测量迁移气排气压力和温度的传感器（404）。
3.根据权利要求1所述的小型化复合结构离子迁移管，其特征在于：迁移管前封盖（2）内部设置有正极性针状电极（215）、正极性孔状电极（205）；负极性针状电极（216）和负极性孔状电极（206）；
正极性高压与正极性针状电极（215）连接，并与正极性孔状电极（205）构成离化环境；负极性高压与负极性针状电极（216）连接，并与负极性孔状电极（206）构成离化环境；正极性针状电极（215）、负极性针状电极（216）的轴心处于负极性针状电极（216）和负极性孔状电极（206）的圆心轴线上，距离2-8mm。
4.根据权利要求1所述的小型化复合结构离子迁移管，其特征在于：所述小型化复合结构离子迁移管还包括离子检测器屏蔽盖（7），离子检测器屏蔽盖（7）设于离子检测器（6）上。
5.根据权利要求1所述的小型化复合结构离子迁移管，其特征在于：所述的高电压大气离子化装置（1），包括正极性高压电源输入端子（201）和负极性电源输入端子（203），用于形成正负极公共电流回路的输入端（202），迁移电源的输入端子（204）、正极性孔状电极（205）、负极性孔状电极（206）和用于形成迁移电场的平板电极（207）。
6.根据权利要求1所述的小型化复合结构离子迁移管，其特征在于：迁移管后封盖（5）内部设置有离子检测器（6），离子检测器（6）由第一电路板（601）和第二电路板（602）组成。
7.根据权利要求1所述的小型化复合结构离子迁移管，其特征在于：离化区与迁移区的长度比例调整为1：2.5。
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| CN202321840392.3U Active CN220382044U (zh) | 2023-07-13 | 2023-07-13 | 一种小型化复合结构离子迁移管 |
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-
2023
- 2023-07-13 CN CN202321840392.3U patent/CN220382044U/zh active Active
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |