KR20240077724A - Apparatus for detecting aerosol - Google Patents
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Abstract
본 발명은 단순한 구조의 경량, 소형의 장치로써, 공기중 부유물인 미세먼지와, 알러지 유발인자(allergen), 미생물 등의 바이오입자(bio particle)를 하나의 검출소자로 검출하고 이들을 식별할 뿐 아니라, 바이오입자의 종류를 추정할 수 있으며 미세먼지 또는 바이오입자의 크기와 수량를 측정하고 형태를 추정할 수 있는 에어로졸 검출 기술에 관한 것이다. 에어로졸에 조사된 광은 미세먼지 표면에서 동일 파장의 빛으로 산란되므로 이 산란광으로 미세먼지의 존재를 인식할 수 있고, 미생물, 알러젠 등 바이오 입자들(bio particles)은 그 구성물질인 단백질의 조성에 따라 조사광이 여러 파장으로 분광되므로 이 분광된 광을 분석하여 미세먼지와 구별되는 바이오입자를 인식할 수 있다. The present invention is a lightweight, small-sized device with a simple structure, which not only detects and identifies bio particles such as fine dust suspended in the air, allergens, and microorganisms with a single detection element. , It is about aerosol detection technology that can estimate the type of bioparticles, measure the size and quantity of fine dust or bioparticles, and estimate the shape. The light irradiated to the aerosol is scattered as light of the same wavelength on the surface of the fine dust, so the presence of fine dust can be recognized through this scattered light, and bio particles such as microorganisms and allergens are determined by the composition of their constituent proteins. Accordingly, the irradiated light is split into several wavelengths, so bioparticles that are distinct from fine dust can be recognized by analyzing this split light.
Description
본 발명은 에어로졸에 포함된 성분을 검출하는 기술에 관한 것으로, 구체적으로는, 에어로졸에 포함된 미세먼지와 바이오입자(bio particle)를 식별하고, 바이오입자의 종류를 추정하고, 미세먼지 및 바이오입자의 크기와 수량를 측정하고 형태를 추정할 수 있는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a technology for detecting components contained in aerosol, and specifically, to identify fine dust and bio particles contained in aerosol, estimate the type of bio particles, and detect fine dust and bio particles. It is about technology that can measure the size and quantity and estimate the shape.
산업체, 가정, 도로 등에 존재하는 에어로졸에는 미세먼지와 미생물이 포함되어 있다. 에어로졸에서 미세먼지와 미생물을 검출하기 위한 선행기술로 국내 공개특허 10-2016-0029183(미세먼지 및 미생물 검출 장치)이 있다. 이는 에어로졸에 특정 파장의 빛을 조사하여 미세먼지 입자에서 반사·산란되는 산란광과 미생물에서 방출되는 형광신호를 검출하여 미세먼지와 미생물을 검출하는 기술이다.Aerosols present in industries, homes, roads, etc. contain fine dust and microorganisms. As a prior technology for detecting fine dust and microorganisms in aerosols, there is domestic patent publication 10-2016-0029183 (device for detecting fine dust and microorganisms). This is a technology that detects fine dust and microorganisms by irradiating light of a specific wavelength to aerosols and detecting scattered light reflected and scattered from fine dust particles and fluorescent signals emitted from microorganisms.
도 1은 상기 선행기술의 설명을 위한 단면도이다. 샘플실(11)에 측정 샘플(에어로졸)이 유입된다. 광원부(2)의 LED(21)는 제1광학계(3)를 통해 에어로졸에 광을 조사한다. 에어로졸 내의 미세먼지에 충돌하여 반사 및 산란된 산란광과 에어로졸 내의 미생물에 의해 발생한 형광은 제2광학계(5)의 분광요소(51)에 의해 45°로 분할되어 각각 제1검출부(6)와 제2검출부(7)에서 검출된다. 제1검출부(6)와 제2검출부(7)는 산란광과 형광을 각각 검출하여 신호처리부로 전송하고, 신호처리부는 이들 검출 신호를 각각 별도로 처리하여 미세먼지와 미생물의 존재 유무 및 그 양을 산출한다. Figure 1 is a cross-sectional view for explaining the prior art. A measurement sample (aerosol) flows into the sample chamber 11. The LED 21 of the light source unit 2 irradiates light to the aerosol through the first optical system 3. The scattered light reflected and scattered by colliding with the fine dust in the aerosol and the fluorescence generated by the microorganisms in the aerosol are split at 45° by the spectral element 51 of the second optical system 5 and transmitted to the first detector 6 and the second detector, respectively. It is detected by the detection unit 7. The first detection unit 6 and the second detection unit 7 respectively detect scattered light and fluorescence and transmit them to the signal processing unit, and the signal processing unit processes these detection signals separately to calculate the presence and amount of fine dust and microorganisms. do.
이 선행기술은 광학계가 두 개이고 검출부도 두 개이며 그 밖에 도 1에서 보듯이 구조가 복잡하고 그에 따라 무겁고 가격이 높아 산업용으로 적합하지, 개인용이나 가정용, 특히 휴대 사용하기가 어렵다.This prior art has two optical systems and two detection units, and as shown in FIG. 1, the structure is complex, and accordingly, it is heavy and expensive, so it is not suitable for industrial use and is difficult to use for personal or home use, especially portable use.
또한 상기 선행기술 뿐 아니라 여타 종래 기술에서, 미세먼지와 미생물을 구분할 수는 있으나 미생물의 종류를 파악하여 예를 들어 일반균인지 유해균인지를 구별하지는 못한다. 특히, 사람들이 코로나 19 등 전염병 만연 상황에서 실내 환경에서 주로 생활함에 따라 알러지 유발인자인 진드기, 곰팜이, 개 고양이 비듬, 꽃가루 등을 식별해야 할 필요성이 있으나, 종래 기술로는 이들을 식별할 수 없다. In addition, in the above prior art as well as other prior art, fine dust and microorganisms can be distinguished, but it is not possible to determine the type of microorganism and distinguish, for example, whether it is a normal bacterium or a harmful bacterium. In particular, as people mainly live in indoor environments in a situation where infectious diseases such as COVID-19 are prevalent, there is a need to identify allergens such as mites, bear mites, dog and cat dander, and pollen, but these cannot be identified using conventional technology. .
이에, 본 발명은 단순한 구조의 경량, 소형의 장치로써, 공기중 부유물인 미세먼지와, 알러지 유발인자(allergen), 미생물 등의 바이오입자(bio particle)를 하나의 검출소자로 검출하고 이들을 식별할 뿐 아니라, 바이오입자의 종류를 추정할 수 있으며 미세먼지 및 바이오입자의 크기와 수량를 측정하고 형태를 추정할 수 있는 에어로졸 검출 기술을 제안한다.Accordingly, the present invention is a lightweight, small-sized device with a simple structure, which detects and identifies bio particles such as fine dust suspended in the air, allergens, and microorganisms with a single detection element. In addition, we propose an aerosol detection technology that can estimate the type of bioparticles, measure the size and quantity of fine dust and bioparticles, and estimate the shape.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따르면, 광원을 집광하여 에어로졸 유입통로에 조사하여 미세먼지와 바이오입자에 광이 조사되면 일부는 각 입자의 표면에서 반사·산란되고 일부는 형광을 방출한다. 조사광은 미세먼지 표면에서 동일 파장의 빛으로 반사·산란되므로 이 반사·산란된 광으로 미세먼지의 존재를 인식할 수 있고 또 해당 미세먼지의 크기와 수량 정보를 얻을 수 있다. 그리고 미생물, 알러젠 등 바이오 입자들(bio particles)은 그 구성물질인 단백질의 조성에 따라 조사광이 여러 파장으로 분광된다. 이 분광된 광을 분석하여 미세먼지와 구별되는 바이오입자를 인식할 수 있다. 이때 바이오입자의 종류에 따라 분광 스펙트럼이 다르게 나타나며 이를 회절그리드(diffraction grid) 또는 격자(grating) 등을 통과시켜 세분화하여 분석하면 각 바이오입자의 종류를 명확하게 구분할 수 있게 된다.According to the present invention to solve the above problem, a light source is concentrated and irradiated to the aerosol inlet passage. When the light is irradiated to fine dust and bioparticles, some of it is reflected and scattered on the surface of each particle and some emits fluorescence. Since the irradiated light is reflected and scattered as light of the same wavelength on the surface of fine dust, the presence of fine dust can be recognized through this reflected and scattered light, and information on the size and quantity of the fine dust can be obtained. And bio particles such as microorganisms and allergens split the irradiated light into various wavelengths depending on the composition of their protein components. By analyzing this spectralized light, bioparticles that are distinct from fine dust can be recognized. At this time, the spectral spectrum appears differently depending on the type of bioparticle, and if this is passed through a diffraction grid or grating and analyzed in detail, the type of each bioparticle can be clearly distinguished.
바이오입자로부터 분광되어 방출되는 형광(분광) 스펙트럼을 이용하여 바이오입자의 종류를 추정하기 위해서는 분광정보를 좀 더 세분할 필요가 있다. 이를 위해 투과형 혹은 반사형의 회절 그리드 또는 격자를 이용하여 바이오입자의 단백질 및 형상에 따라 다르게 방출되는 형광 파장의 강도(intensity)를 각 파장별로 취득하고 이를 기계학습을 통해 데이터베이스화함으로써 더욱 분석 정밀도를 향상시킬 수 있다.In order to estimate the type of bioparticles using the fluorescence (spectroscopic) spectrum emitted from bioparticles, it is necessary to further subdivide the spectral information. For this purpose, the intensity of fluorescence wavelengths emitted differently depending on the protein and shape of the bioparticles is acquired for each wavelength using a transmission-type or reflection-type diffraction grid or grating, and the intensity of the fluorescence wavelength is converted into a database through machine learning to further improve analysis precision. It can be improved.
에어로졸에 광을 조사하고 검출하기 위한 광학 관련 요소와 검출 요소가 하나씩만 있으면 되므로, 선행기술 대비 구성이 단순하여 개인용, 가정용으로 제품화할 수 있고 간편하게 실시간 사용이 가능해진다. Since only one optical element and one detection element are required to irradiate and detect light in the aerosol, the composition is simpler than that of prior art, so it can be commercialized for personal and home use and can be used easily in real time.
또한 검출 및 분석에 기계학습 기술을 활용함으로써 바이오입자의 종류, 크기, 수량, 형태의 정밀한 분석이 가능해진다.Additionally, by using machine learning technology for detection and analysis, precise analysis of the type, size, quantity, and shape of bioparticles is possible.
본 발명의 더 상세한 구성 및 작용은 이후에 도면과 함께 설명하는 구체적인 실시예를 통하여 더욱 명확해질 것이다. A more detailed structure and operation of the present invention will become clearer through specific embodiments described later together with the drawings.
본 발명에 따르면 미세먼지와 부유 바이오입자(알러지 유발물질인 Polen, Mold, Mite, Pet dander 포함)을 구분 검출하고 바이오입자의 종류를 실시간으로 인식할 수 있고 그 크기와 수량을 추정할 수 있는 기술로, 각종 화학종의 식별, 환경 모니터링, 알러지 유발물질 확인, 임상 진단 등의 분야에 활용가능하다.According to the present invention, a technology that can detect fine dust and floating bioparticles (including allergens Polen, Mold, Mite, and Pet Dander), recognize the type of bioparticles in real time, and estimate their size and quantity. It can be used in fields such as identification of various chemical species, environmental monitoring, identification of allergens, and clinical diagnosis.
도 1은 선행기술에 따른 검출 장치의 단면도
도 2는 본 발명에 따른 에어로졸 검출 장치의 구성도
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에어로졸 검출 장치의 구성도
도 4는 투과형 회절격자의 예시도
도 5는 반사형 회절격자의 예시도
도 6은 분석부(700)의 일 실시형태의 구성도
도 7a, 7b는 바이오입자별 분광 스펙트럼의 예시도
도 8은 분석부(700)의 다른 실시형태의 구성도
도 9는 본 발명을 구현하기 위해 활용할 수 있는 컴퓨터 시스템의 구성도
도 10과 도 11은 본 발명의 에어로졸 검출 장치를 제품화한 에어로졸 검출기의 외관 예시도로, 도 10은 외관 사시도, 도 11은 내부 평면도
도 12는 검출 신호로부터 미세먼지 또는 바이오입자의 크기를 측정하는 원리 설명도
도 13은 검출 신호로부터 미세먼지 또는 바이오입자의 수량을 측정하는 원리 설명도1 is a cross-sectional view of a detection device according to the prior art
Figure 2 is a configuration diagram of an aerosol detection device according to the present invention
Figure 3 is a configuration diagram of an aerosol detection device according to a preferred embodiment of the present invention.
Figure 4 is an example of a transmission type diffraction grating.
Figure 5 is an example of a reflective diffraction grating.
Figure 6 is a configuration diagram of one embodiment of the
Figures 7a and 7b are examples of spectral spectra for each bioparticle.
8 is a configuration diagram of another embodiment of the
Figure 9 is a configuration diagram of a computer system that can be used to implement the present invention
Figures 10 and 11 are examples of the exterior of an aerosol detector commercialized with the aerosol detection device of the present invention, Figure 10 is an external perspective view, and Figure 11 is an internal plan view.
Figure 12 is a diagram explaining the principle of measuring the size of fine dust or bioparticles from a detection signal
Figure 13 is a diagram explaining the principle of measuring the quantity of fine dust or bioparticles from a detection signal
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하 설명에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니다. 본 명세서에서 단수형에는 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한 명세서에 사용된 '포함한다(comprise, comprising 등)'라는 용어는 언급된 구성요소, 단계, 동작, 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작, 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 의미로 사용된 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The terms used in the following description are intended to describe preferred embodiments of the present invention and are not intended to limit the present invention. In this specification, the singular also includes the plural unless specifically stated. Additionally, the term 'comprise, comprising, etc.' used in the specification refers to the presence or absence of one or more other components, steps, operations, and/or elements other than the mentioned elements, steps, operations, and/or elements. It is used in the sense that it does not exclude addition.
도 2는 본 발명에 따른 에어로졸 검출 장치의 구성도이다.Figure 2 is a configuration diagram of an aerosol detection device according to the present invention.
에어로졸 검출 장치는, 측정 대상 에어로졸이 투입되는 에어로졸 챔버(100); 에어로졸 챔버(100)에 있는 에어로졸에 조사할 광을 방출하는 광원(200); 에어로졸 챔버(100)에 있는 에어로졸에 조사할 광을 집중하는 집광부(300); 에어로졸의 미세먼지 또는 바이오입자에서 산란 또는 분광된 광을 평행광으로 만드는 출사부(400); 출사부(400)에서 형성된 평행광을 받아 분광정보를 세분화하여 분광 스펙트럼을 현출하는 스펙트럼 현출부(500); 스펙트럼 현출부(500)에 의해 현출된 분광 스펙트럼을 수광하여 전기적 신호인 스펙트럼 검출신호로 출력하는 검출부(600); 검출부(600)로부터 수신된 스펙트럼 검출신호를 분석하여 미세먼지와 바이오입자의 식별, 바이오입자의 종류 추정, 및 미세먼지와 바이오입자의 크기와 수량 추정을 수행하는 분석부(700); 분석부(700)에서 분석된 결과를 출력하는 출력부(800); 상기 구성된 에어로졸 검출 장치의 구성요소들을 제어하는 제어부(900)를 포함한다.The aerosol detection device includes an
이하, 각 구성요소에 대해서 세부적으로 설명한다. 이하의 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내는 도 3을 주로 참조한다. Hereinafter, each component will be described in detail. The following description primarily refers to Figure 3, which shows a preferred embodiment of the present invention.
에어로졸 챔버(100)는 측정 대상 에어로졸(110)이 유입되는 입구(120)와 통로(130)와 이 통로를 지나 빠져나가는 출구(140)를 포함할 수 있다. 에어로졸이 입구, 통로, 출구로 지나가는 동안에 광이 계속해서 조사되므로 실시간으로 에어로졸 검출 동작이 수행될 수 있다. The
에어로졸(110)의 유입과 유출은 자연적인 대기 흐름에 의해 이루어지도록 챔버(100)의 구조적 설계를 할 수 있다. 다른 실시형태로, 블로워 또는 팬(150)을 이용하여 에어로졸(110)의 유입, 유출을 유도할 수도 있다. 이때 블로워 또는 팬(150)은 제어부(900)에 의해 제어되어 온/오프될 수 있고 에어로졸 챔버(100)를 지나가는 에어로졸(110)의 유속을 조절할 수 있다. 도 3에서 팬(150)의 위치가 출구(140)에 있는 것으로 도시되어 있으나, 그 위치는 임의적인 것으로, 입구(120)에 위치할 수도 있고 통로(130)에 위치할 수도 있다. The
에어로졸 챔버(100)의 벽은 광원(200)에서 방출된 광이 에어로졸에 조사되도록 투명 재질로 제작될 수 있다. 아니면, 에어로졸 챔버(100) 내에 집광부(300)가 직접 설치되어 내부적으로 에어로졸에 조사광을 조사하도록 제작될 수 잇다. 그리고 여기서는 챔버라는 용어를 사용하였으나, 실제로 그 형태는 다양하게 구현할 수 있다. 예를 들어, 챔버 형태, 관(튜브) 형태 등으로 제작할 수 있다. 또한 별도의 공간으로 설계할 수도 있고, 다른 구성요소, 예를 들어, 광학 관련 요소와 함께 공간을 이루도록 설계할 수도 있다(도 11 참조).The wall of the
광원(200)은 상기 에어로졸 챔버(100) 내의 에어로졸(110)에 조사할 광(방출광(210))을 방출한다. 광원(200)으로는 레이저다이오드, LED 등의 광소자를 사용할 수 있고, 방출 파장이 적외선(UV) 대역인 광소자를 사용할 수 있다. 광원(200)도 제어부(900)에 의해 그 온/오프, 광량, 나아가 방출파장 등이 제어될 수 있다.The
집광부(300)는 에어로졸 챔버(100)에 있는 에어로졸(110)에 광을 집중 조사하기 위하여 에어로졸 챔버(100)의 소정 지점에 광 초점(310)을 형성하고 이 위치에 조사광(220)이 집중되도록 한다. 이를 위해 집광부(300)를 하나의 또는 여러 조합의 렌즈 어셈블리(320)로 구현할 수 있다. 정확한 위치로의 자동 집광 또는 사용자가 원하는 위치로의 수동 집광을 위해 집광부(300)의 위치, 각도 등을 제어하도록 제어부(900)를 설계할 수 있다. 예를 들어, 제어부(900)는 모터나 액추에이터, 기타 변위 소자를 사용하여 전기적 또는 기계적으로 집광부(300)를 제어할 수 있을 것이다.The
이와 같이 에어로졸(110)에 조사광(220)이 조사되면 에어로졸 내의 미세먼지와 바이오 입자에서 광이 산란되거나 분광된다. 즉, 미세먼지 표면에서는 광이 반사·산란되어서 조사광과 동일한 파장의 반사·산란광(230)이 발생하고, 알러젠, 미생물, 기타 바이오 입자들에 조사된 광은 여러 파장으로 분광되어 분광정보가 포함된 분광 또는 형광(240)이 발생한다(물론, 바이오 입자에서도 반사·산란 작용은 일어남). 분광(240)에 포함된 분광정보는 바이오입자의 종류에 따라 다양한 파장 분포를 갖고 있다. 출사부(400)는 이렇게 미세먼지와 바이오입자에서 반사 내지 산란된 광(230)과 분광된 광(240)을 평행광(250)으로 만드는 역할을 한다. 평행광(250)을 만들기 위하여 출사부(400)를 포물경(410)으로 구현할 수 있다. 그러나 출사부(400)를 포물경이 아닌 렌즈로 구현하는 것도 가능하다. In this way, when the
여기서, 출사부(400)도 또한 제어부(900)에 의해 그 기능이 제어될 수 있다. 예를 들어, 정확한 평행광(250)을 만들기 위해 자동 또는 수동으로 출사부(400)의 포물경이나 렌즈, 기타 메카니즘을 제어하도록 제어부(900)를 설계할 수 있다. Here, the function of the emitting
스펙트럼 현출부(500)는 출사부(400)에서 출사된 평행광(250)을 받아 평행광(250)에 포함된 분광정보를 세분화하여 분광 스펙트럼으로 현출한다. 이를 위해 스펙트럼 현출부(500)를 회절격자(diffraction grating)또는 회절그리드(diffraction grid)로 구현할 수 있다. 도 3을 보면, 평행광(250)에 포함되어 있는 파장 정보(λ1, λ2, λ3, ...)가 회절격자(510)에 의해 세분화되어 현출된 분광 스펙트럼(520)을 볼 수 있다. 바이오입자의 종류에 따라 다른 분광정보가 나타나며 이를 회절그리드 또는 격자를 통과하여 세분화시켜서 스펙트럼으로 현출하여 이후의 검출부(600)로 보내는 것이다. The
도 3에서는 회절격자로 투과형 회절격자(510)를 사용한 것을 나타내었지만, 반사형 회절격자를 사용하는 것도 가능하다. 도 4에 투과형 회절격자(510)와 그에 의해 현출된 분광 스펙트럼(520)을 예시하였고, 도 5에 반사형 회절격자(515)와 그에 의해 현출된 분광 스펙트럼(520)을 예시하였다. 또한 여기서도 스펙트럼 현출부(500)는 제어부(900)에 의해 제어될 수 있다. 제어부(900)에 의한 전기적 제어에 의해 회절격자의 회절 기능의 조절, 위치 조절 등이 가능하다.Although FIG. 3 shows that a transmission
검출부(600)는 이렇게 스펙트럼 현출부(500)에 의해 현출된 분광 스펙트럼(520)을 감지하여 전기적 신호인 검출 신호(610)로 변환한다. 이 검출 신호(610)에는, 에어로졸의 성분이 바이오입자인 경우에는 해당 바이오입자에 대한 고유의 파장 분포 특성(분광 스펙트럼)이 포함되어 있겠지만, 만일 에어로졸의 성분이 미세먼지인 경우라면 상기 조사광(220)의 파장과 동일한 파장 정보가 포함되어 있을 것이다.The
검출부(600)로 사용하는 소자는 일반적으로 포토다이오드가 사용되나, 바이오입자의 종류를 정확하게 추정하기 위해서 컬러 포토다이오드를 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 미세한 분광(형광) 정보를 감지하기 위하여는 PMT(photo multiplying tube)나 SiPM(silicon photomultiplier)를 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 검출부(600)도 제어부(900)에 의해 그 온/오프, 감도 조절, 위치 조절 등이 제어될 수 있다.The device used as the
분석부(700)는 검출부(600)로부터 수신한 검출 신호(610)를 분석하여 미세먼지와 바이오입자의 구분 식별, 바이오입자의 종류 추정, 및 미세먼지와 바이오입자의 크기와 수량을 측정하고 형태를 추정한다. The
도 6은 분석부(700)의 세부 구성도이다.Figure 6 is a detailed configuration diagram of the
검출부(600)로부터 수신한 검출 신호(610)에서 에어로졸에 포함된 성분이 미세먼지인지 바이오입자인지를 구분하는 미세먼지/바이오입자 식별부(710); 에어로졸 성분이 바이오입자인 것으로 식별된 경우에 상기 검출 신호(610)에 내재된 바이오입자의 분광 스펙트럼을 분석하는 스펙트럼 분석부(720); 분석된 스펙트럼에 상응하는 바이오입자의 종류를 추정하는 바이오입자 종류 추정부(730)를 포함한다.A fine dust/
수신한 검출 신호(610)에는 에어로졸의 성분이 바이오입자인 경우에는 해당 바이오입자에 대한 분광(형광) 정보가 포함되어 있겠지만, 에어로졸의 성분이 미세먼지인 경우라면 에어로졸에 조사된 조사광(도 3의 220)의 파장과 동일한 파장 정보가 포함되어 있을 것이다. 따라서 미세먼지/바이오입자 식별부(710)는 검출 신호(610)를 분석하여 에어로졸에 포함된 성분이 미세먼지인지 바이오입자인지를 식별할 수 있다. 나아가, 미세먼지/바이오입자 식별부(710)는 에어로졸에 미세먼지와 바이오입자가 어느 정도의 비율로 포함되어 있는지를 식별할 수 있다. 가령, "미세먼지 70%, 바이오입자 30%"와 같은 식별 결과를 출력할 수 있을 것이다. If the component of the aerosol is bioparticles, the received
식별의 정밀도를 향상하기 위하여 딥러닝 등의 기계학습 기법을 활용할 수 있다. 예를 들어, 다양한 미세먼지와 바이오입자의 파장 특징데이터를 학습하여 학습모델과 데이터베이스를 구축해 놓고, 실시간으로 입력되는 검출 신호(610)를 신경망으로 분석하여 상기 학습모델로부터 해당 검출 신호(610)가 미세먼지에 대한 것인지 바이오입자에 대한 것인지 추론할 수 있다.To improve the precision of identification, machine learning techniques such as deep learning can be used. For example, by learning the wavelength characteristic data of various fine dust and bioparticles to build a learning model and database, and analyzing the
미세먼지/바이오입자 식별부(710)에서 해당 에어로졸의 성분이 미세먼지인 것으로 식별되면 미세먼지 식별 결과(715)가 분석부(700)에서 출력되고, 반면에 바이오입자인 것으로 식별된 경우에는 바이오입자 스펙트럼 분석부(720)는 상기 검출 신호(610)에 포함된 바이오입자 스펙트럼을 분석한다. 바이오입자 스펙트럼은 예를 들어 도 7a,b에 나타낸 것과 같다. 도 7a는 대장균에 대한 분광 스펙트럼을, 도 7b는 곰팡이에 대한 분광 스펙트럼을 나타낸다.If the fine dust/bio
바이오입자 종류 추정부(730)는 해당 바이오입자 스펙트럼에 해당하는 바이오입자의 종류를 추정하여 종류 추정 결과(735)를 출력한다. 도 7a,b에 예시한 것과 같은 분광 스펙트럼에서 피크 파장(들)의 분포는 각 바이오입자의 고유 특성이므로, 바이오입자 종류 추정부(730)는 이들 파장 분포의 양태로부터 해당 바이오입자의 종류를 추정할 수 있는 것이다. 분석 및 추정의 정밀도를 향상하기 위하여 딥러닝 등의 기계학습 기법을 활용할 수 있다. 예를 들어, 다양한 바이오입자별 파장 스펙트럼에서 추출된 특징데이터를 학습하여 학습모델과 데이터베이스를 구축해 놓고, 실시간으로 입력되는 검출 신호(610)에 포함된 바이오입자 분광 스펙트럼을 신경망으로 분석하여 해당 스펙트럼이 어느 종류의 바이오입자에 대한 것인지 추론할 수 있다.The bioparticle
도 8은 분석부(700)의 다른 실시형태의 구성도이다. Figure 8 is a configuration diagram of another embodiment of the
도 6에 나타낸 미세먼지/바이오입자 식별부(710), 바이오입자 스펙트럼 분석부(720), 바이오입자 종류 추정부(730)에 추가하여, 검출 신호(610)로부터 미세먼지 또는 바이오입자의 크기를 측정하는 크기 측정부(740)가 포함될 수 있다. 미세먼지 또는 바이오입자의 크기 측정은 앞에서 언급한 제어부(900) 및 블로워 또는 팬(150)에 의한 에어로졸(110)의 유속 제어 기능과 검출부(600)로부터 수신한 검출 신호(610)를 이용할 수 있다. 에어로졸 챔버(100)를 통과하는 에어로졸(110)의 속도, 즉, 유속(V)은 제어부(900)가 알고 있다. 제어부(900)가 블로워 또는 팬(150)을 작동시켜서 에어로졸(110)을 유동시키기 때문이다. 에어로졸(110)의 유속 V를 알고 있으므로 에어로졸(110)이 유동되는 시간(T)을 알면 에어로졸(110)의 크기(L)는 L=VT를 계산하여 구할 수 있다. 도 12는 검출부(600)에 의해 검출된 검출신호를 시간-강도 차원으로 나타낸 것이다. 도 12를 참조하면 에어로졸(110)에 미세먼지 또는 바이오입자가 없을 때의 검출신호의 강도(Intensity)는 광원(200)의 방출광이 검출부(600)에 100% 검출되고 미세먼지 또는 바이오입자에 의해 광이 산란 또는 분광되면 소정의 y%로 검출되는 것을 알 수 있다. 이러한 검출신호에서 에어로졸(110)의 유동 시간 T는 검출 강도가 100%에서 y%로 떨어진 시간 t1과 다시 100%로 올라간 시간 t2의 차이이다. 따라서 L=VT를 계산하여 미세먼지 또는 바이오입자의 크기 L을 구할 수 있다.In addition to the fine dust/bio
또한, 검출 신호(610)로부터 미세먼지 또는 바이오입자의 수량을 측정하는 수량 측정부(750)가 추가로 포함될 수 있다. 미세먼지 또는 바이오입자의 수량 측정도 상기 크기 측정의 경우처럼 도 12와 같은 시간-강도 차원에서 나타나는 검출신호를 이용하여 행할 수 있다. 에어로졸(110)에 포함되어 있는 다수의 미세먼지 또는 바이오입자가 에어로졸 챔버(100)를 지나간다면 도 13과 같은 펄스 형태의 신호가 검출될 것이다. 100%의 신호강도와 y%의 신호강도가 에어로졸에 포함된 입자들에 대해서 각각 검출되기 때문이다. 이러한 펄스 형태의 검출신호에서 각 펄스 조각 P1, P2, ..., PN의 수를 카운트하면 미세먼지 또는 바이오입자의 수량을 구할 수 있다. (도 13에서 각 펄스 조각들의 폭(duration)이 상이한 것은 각 입자의 크기가 상이한 것 내지는 입자의 밀도의 상이함을 의미한다.)In addition, a
또한, 검출 신호(610)로부터 바이오입자의 형태를 추정하는 형태 추정부(760)가 추가로 포함될 수 있다. 바이오입자의 형태(구형, 장형, 환형, 부정형 등)는 바이오입자의 종류와 상관관계가 있으므로, 기본적으로 바이오입자 분광 스펙트럼을 분석하여 추정할 수 있다. 나아가, 동일 종류에서의 형태 차이는 분광 스펙트럼의 미세한 파장 분포와 결부될 수 있을 수 있으므로 기계학습 기법을 이용하여, 비교적 많은 수의 학습데이터로 학습모델을 학습시킨 후 신경망에 실시간으로 입력되는 검출 신호(610)로부터 바이오입자의 형태를 추론할 수 있다.Additionally, a
다시 도 2로 돌아가, 출력부(800)는 상기 분석부(700)에서 식별, 측정, 및 추정된 결과(715, 735, 745)를 출력한다. 출력부(800)는 소정 UI를 포함하는 디스플레이를 이용하여 구현하거나, 다른 외부 기기(PC, 모바일기기 등)에서의 표시를 위해 해당 기기로 유선 또는 무선(블루투스, WiFi, LTE 등)으로 결과를 전송하도록 구현할 수 있다. 출력부(800)의 동작도 다른 구성요소들과 유사하게 상기 제어부(900)에 의해 제어될 수 있다.Returning to FIG. 2, the
본 발명의 에어로졸 검출장치에서의 제어, 분석, 및 동작, 특히, 상기 분석부(700)와 제어부(900)에서 실행되는 프로세스는 마이크로컴퓨터 또는 마이크로프로세서 등을 이용한 컴퓨터 시스템으로 설계할 수 있다. 즉, 범용 구조의 컴퓨터 시스템 하드웨어를 이용하고 적절한 소프트웨어 프로그램으로 상술한 기능들을 수행하도록 구성할 수 있다. The control, analysis, and operation of the aerosol detection device of the present invention, especially the processes executed in the
도 9는 본 발명의 에어로졸 검출장치 및 방법을 구현하기 위해 활용할 수 있는 컴퓨터 시스템의 블록도이다. 도 9에 나타낸 컴퓨터 시스템(computer system)은, 공통버스(common bus)를 통해 통신하는 프로세서(processor), 메모리(memory), 입력 인터페이스 장치(input interface device), 출력 인터페이스 장치(output interface device), 및 저장 장치(storage device) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 컴퓨터 시스템은 또한 네트워크에 연결되는 통신 장치(communication device)를 포함할 수 있다. 프로세서는 CPU(central processing unit)이거나, 또는 메모리 또는 저장 장치에 저장된 명령을 실행하는 반도체 장치일 수 있다. 통신 장치는 유선 신호 또는 무선 신호를 송신 또는 수신할 수 있다. 메모리 및 저장 장치는 다양한 형태의 휘발성 또는 비휘발성 저장 매체를 포함할 수 있다. 그리고 메모리는 ROM(read only memory) 및 RAM(random access memory)를 포함할 수 있다. 메모리는 프로세서의 내부 또는 외부에 위치할 수 있고, 공지의 다양한 수단을 통해 프로세서와 연결될 수 있다. Figure 9 is a block diagram of a computer system that can be utilized to implement the aerosol detection device and method of the present invention. The computer system shown in FIG. 9 includes a processor, memory, input interface device, output interface device, and and a storage device. A computer system may also include a communication device coupled to a network. A processor may be a central processing unit (CPU) or a semiconductor device that executes instructions stored in memory or a storage device. A communication device can transmit or receive wired or wireless signals. Memory and storage devices may include various forms of volatile or non-volatile storage media. And the memory may include read only memory (ROM) and random access memory (RAM). Memory may be located inside or outside the processor and may be connected to the processor through various known means.
따라서, 본 발명은 컴퓨터에 구현된 방법으로 구현되거나, 컴퓨터 실행가능 명령이 저장된 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체로 구현될 수 있다. 한 실시예에서, 프로세서에 의해 실행될 때, 컴퓨터 판독가능 명령은 본 명세서에 기재된 적어도 하나의 양태에 따른 방법을 수행할 수 있다.Accordingly, the present invention may be implemented as a computer-implemented method or as a non-transitory computer-readable medium storing computer-executable instructions. In one embodiment, when executed by a processor, computer readable instructions can perform a method according to at least one aspect described herein.
또한, 본 발명의 동작 소프트웨어는 다양한 컴퓨터 수단을 통해 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어, 컴퓨터 판독가능 매체에 기록될 수 있다. 이 컴퓨터 판독가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 컴퓨터 판독가능 매체에 기록되는 프로그램 명령은, 본 발명의 실시예를 위해 특별히 설계되어 구성된 것이거나, 컴퓨터 소프트웨어 분야의 통상의 기술자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독가능 기록 매체는 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 구성된 하드웨어 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터 판독가능 기록 매체는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기광 매체(magneto-optical media), 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등일 수 있다. 프로그램 명령은 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라, 인터프리터 등을 통해 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급언어 코드를 포함할 수 있다.Additionally, the operating software of the present invention may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded on a computer-readable medium. This computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc., singly or in combination. The program instructions recorded on the computer-readable medium may be specially designed and configured for embodiments of the present invention, or may be known and usable by those skilled in the computer software field. A computer-readable recording medium may include a hardware device configured to store and perform program instructions. For example, computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and floptical disks. It may be the same magneto-optical media, ROM, RAM, flash memory, etc. Program instructions may include not only machine language code such as that created by a compiler, but also high-level language code that can be executed by a computer through an interpreter, etc.
도 10과 도 11은 이상에서 설명한 본 발명의 에어로졸 검출 장치를 제품화한 에어로졸 검출기의 외관 예시도로, 도 10은 외관 사시도, 도 11은 내부 평면도이다.Figures 10 and 11 are exemplary exterior views of an aerosol detector commercialized with the aerosol detection device of the present invention described above, where Figure 10 is an external perspective view and Figure 11 is an internal plan view.
앞에서 언급한 것과 같이 본 발명은 하나의 검출부(600)로 미세먼지와 바이오입자를 동시에 식별할 수 있기 때문에 이에 수반되는 광원(200)과 광학 관련 요소들(집광부(300), 출사부(400), 스펙트럼 현출부(500))가 하나만 있으면 되고 분석부(700), 출력부(800), 제어부(900)를 하나의 PCB에 실장하거나 ASIC으로 제작하는 것이 가능해져, 컴팩트한 외관(대략, 100×80×30mm)으로 제품화가 가능해진다. 구체적으로 설명하면 다음과 같다.As mentioned above, the present invention can simultaneously identify fine dust and bioparticles with a
도 11을 참조하면, 외관 케이싱(1000) 내부 공간에 광학 모듈(1100)이 있다. 이 광학 모듈(1100)의 내부에는 에어로졸 챔버(100)의 통로(130)가 형성되어 있고 에어로졸 입구(120)와 출구(140)가 광학 모듈(1100)에서 나와 광케이싱(1000)의 측면에 형성된다. 출구(140)에는 팬(150)이 설치되어 화살표 방향으로 측정 대상 에어로졸이 지나가도록 하였다. 에어로졸 챔버(100)의 주위에는 광원(200)과 검출부(600)가 위치하는데, 이들은 집광부(300), 출사부(400), 스펙트럼 현출부(500)와 함께 광학 모듈(1100)의 적소에 설치된다. 또한 광학 모듈(1100)은 도 3에 나타낸 것과 같은 렌즈 어셈블리(320)와 회절격자(510)가 포함되며, 광경로를 단축하기 위해 포물경(410)을 사용하였기 때문에 작은 크기로 모듈화할 수 있고, 유지관리도 용이해진다. 이와 같이, 도 11에서는 에어로졸 챔버(100)와 다른 광학 관련 요소들을 하나의 광학 모듈(1100)로 통합 설계하였지만, 에어로졸 챔버(100)를 별도의 모듈로 분리하여 다른 광학 관련 요소들과 독립되게 설계할 수도 있다. Referring to FIG. 11, there is an
케이싱(1000) 내부에 광학 모듈(1100)의 측면에는 분석부(700), 출력부(800), 제어부(900)가 실장된 전자 모듈(1200)이 위치한다. 이 전자 모듈(1200)은 PCB에 상기 전자적 요소들을 실장하여 구성될 수 있다(PCB에는 연산시 발생하는 열을 방출하는 히트싱크나 냉각팬 등이 설치될 수 있다). 전자 모듈(1200)의 단순화를 위해 상기 전자적 요소들의 전부 또는 일부분을 집적 설계하여 커스텀 IC(ASIC)로 제작할 수 있다. Inside the
그 밖에, 케이싱(1000)에는 상태 표시와 사용자 조작 등을 위한 표시/조작부(1300)가 설치될 수 있으며, 출력부(800)로부터의 출력 신호를 외부 장치로 전송하기 위한 출력단자(1400)가 설치될 수 있다. 또한 전자 모듈(1200)과 팬(150) 및 광학 모듈(1100) 사이에는 제어와 데이터 수발신을 위한 케이블(1500)이 연결된다. 도 10에서 각 구성요소에 전력을 공급하는 전원장치는 도시를 생략하였다. 전력은 케이싱(1000) 내부에 설치되는 독립 전원장치로부터 공급받을 수도 있고 외부의 어댑터로부터 공급받을 수도 있다.In addition, a display/
이상과 같이 본 발명에 따르면 그 자체의 구성이 단순할 뿐 아니라, 여러 구성요소들을 통합하여 모듈화가 용이하기 때문에 소형 경량 저전력소비의 제품화가 가능해져 개인용, 휴대용, 가정용으로 구현할 수 있다.As described above, according to the present invention, not only is the structure itself simple, but it is also easy to modularize by integrating various components, so it is possible to commercialize it as a small, lightweight, low-power consumption product, and can be implemented for personal, portable, and home use.
이상에서 본 발명의 사상을 구체적으로 구현한 실시예를 설명하였다. 그러나 본 발명의 기술적 범위는 이상에서 설명한 실시예 및 도면에 한정되는 것이 아니라 특허청구범위의 합리적 해석에 의해 정해지는 것이다.Above, an embodiment that specifically implements the idea of the present invention has been described. However, the technical scope of the present invention is not limited to the embodiments and drawings described above, but is determined by a reasonable interpretation of the claims.
Claims (15)
에어로졸 챔버에 있는 에어로졸에 조사할 광을 방출하는 광원;
에어로졸의 미세먼지 또는 바이오입자에서 산란 또는 분광된 광을 수광하여 검출신호를 출력하는 검출부; 및
상기 검출부로부터 수신된 검출신호를 분석하여 미세먼지와 바이오입자의 식별 및 바이오입자의 종류 추정을 수행하도록 구성된 분석부를 포함하는 에어로졸 검출 장치.An aerosol chamber into which the aerosol to be measured is introduced;
A light source that emits light to irradiate aerosols in the aerosol chamber;
A detection unit that receives light scattered or split from aerosol fine dust or bioparticles and outputs a detection signal; and
An aerosol detection device comprising an analysis unit configured to identify fine dust and bioparticles and estimate the type of bioparticles by analyzing the detection signal received from the detection unit.
상기 광원에서 방출되는 광을 에어로졸에 조사하기 위해 집중시키는 집광부; 및
상기 에어로졸의 미세먼지 또는 바이오입자에서 산란 또는 분광된 광을 평행광으로 만드는 출사부를 추가로 포함하는 에어로졸 검출 장치.According to paragraph 1,
a light condenser that focuses the light emitted from the light source to illuminate the aerosol; and
An aerosol detection device further comprising an emitter that converts the light scattered or split from the fine dust or bioparticles of the aerosol into parallel light.
미세먼지 및 바이오입자에서 산란된 광 및 분광된 광을 반사하여 평행광으로 출사되도록 하는 포물경을 포함하는 에어로졸 검출 장치.The method of claim 2, wherein the emitting unit
An aerosol detection device including a paraboloid that reflects light scattered and split from fine dust and bioparticles and emits it as parallel light.
상기 검출부로부터 수신된 검출신호를 분석하여 미세먼지 또는 바이오입자의 크기와 수량을 측정하도록 추가로 구성되는 에어로졸 검출 장치.The method of claim 1, wherein the analysis unit
An aerosol detection device further configured to measure the size and quantity of fine dust or bioparticles by analyzing the detection signal received from the detection unit.
상기 미세먼지 또는 바이오입자의 크기를 측정하기 위해, 상기 에어로졸 챔버를 통과하는 에어로졸의 속도와 에어로졸이 유동되는 시간을 이용하도록 구성되는 에어로졸 검출 장치.The method of claim 6, wherein the analysis unit
An aerosol detection device configured to use the speed of the aerosol passing through the aerosol chamber and the time the aerosol flows to measure the size of the fine dust or bioparticles.
상기 미세먼지와 바이오입자의 수량을 측정하기 위해, 에어로졸이 상기 에어로졸 챔버를 지나갈 때에 상기 검출부에 의해 검출되는 시간-강도 차원의 검출신호를 이용하도록 구성되는 에어로졸 검출 장치.The method of claim 6, wherein the analysis unit
An aerosol detection device configured to use a time-intensity detection signal detected by the detection unit when an aerosol passes through the aerosol chamber to measure the quantity of fine dust and bioparticles.
상기 검출부로부터 수신된 검출신호를 분석하여 바이오입자의 형태를 추정하도록 추가로 구성되는 에어로졸 검출 장치.The method of claim 1, wherein the analysis unit
An aerosol detection device further configured to estimate the shape of bioparticles by analyzing the detection signal received from the detection unit.
상기 바이오입자의 형태를 추정하기 위해, 바이오입자의 분광 스펙트럼을 학습한 신경망을 이용하여 바이오입자의 형태를 추론하도록 구성되는 에어로졸 검출 장치.The method of claim 9, wherein the analysis unit
An aerosol detection device configured to infer the shape of the bioparticles using a neural network that has learned the spectral spectrum of the bioparticles in order to estimate the shape of the bioparticles.
상기 검출부로부터 수신한 검출 신호에서 에어로졸에 포함된 성분이 미세먼지인지 바이오입자인지를 구분하는 미세먼지/바이오입자 식별부;
에어로졸 성분이 바이오입자인 것으로 식별된 경우에 상기 검출 신호에 내재된 바이오입자의 분광 스펙트럼을 분석하는 스펙트럼 분석부; 및
분석된 스펙트럼을 이용하여 바이오입자의 종류를 추정하는 바이오입자 종류 추정부를 포함하는 에어로졸 검출 장치.The method of claim 1, wherein the analysis unit
a fine dust/bio-particle identification unit that distinguishes whether the component contained in the aerosol is fine dust or bio-particles from the detection signal received from the detection unit;
a spectrum analysis unit that analyzes the spectral spectrum of the bioparticles contained in the detection signal when the aerosol component is identified as bioparticles; and
An aerosol detection device including a bioparticle type estimation unit that estimates the type of bioparticles using the analyzed spectrum.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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