一种气溶胶传感器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种气溶胶传感器，包括：气溶胶入口、气溶胶带电单元、沉积单元、电荷检测单元、控制单元、信号处理单元、气溶胶出口；所述气溶胶入口、所述气溶胶带电单元、所述沉积单元、所述电荷检测单元、所述气溶胶出口依次连接，所述电荷检测单元与所述信号处理单元相连，所述控制单元分别与所述沉积单元和所述电荷检测单元相连；所述电荷检测单元包括至少一个电荷检测子单元，所述电荷检测子单元依次连接，每个所述电荷检测子单元分别与所述控制单元相连，每个所述电荷检测子单元分别与所述信号处理单元相连。通过本发明提供的一种气溶胶传感器，能够实现较宽粒径测量范围的气溶胶颗粒的测量，同时易于小型化。
【专利说明】一种气溶胶传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及气溶胶测量【技术领域】，尤其涉及一种气溶胶传感器。
【背景技术】
[0002]气溶胶是一种液体或者固体颗粒悬浮于气体介质中形成的悬浮体系，其中颗粒相的特征粒径尺寸一般为Inm至100 μ m,但由于粒径大于I μ m的颗粒容易沉降,稳定悬浮时间较短，粒径小于1nm的颗粒又很难探测到，所以一般的气溶胶实时测量只针对1nm至Iym范围的气溶胶颗粒。
[0003]浓度和粒径是气溶胶的两个最重要的指标，针对这两个指标的现有气溶胶实时测量方法主要有基于光学原理的方法和基于电学原理的方法。传统的基于光学原理的仪器主要有光学粒子计数器和激光粒子计数器，而由于尺寸小于光波波长的微粒的光散射非常弱，所以单纯的光学方法一般只对粒径大于0.3μπι的颗粒有效。基于电学原理的测量仪器主要有利用带电粒子在电场中的电迁移率与粒径成反比原理的差分电迁移率分析器、扫描电迁移率谱仪(与凝结核粒子计数器结合使用)等，以及利用一定尺寸范围的粒子的带电量与粒径具有确定指数关系的气溶胶电探测器等。
[0004]现有技术中，能够实现宽范围气溶胶实时测量的仪器几乎都是结构复杂的大型仪器设备，不能满足有限空间环境中的多点、分布式应用要求。而一些小型化的气溶胶测量仪器的测量范围较小。
【发明内容】
[0005]本发明提供了一种气溶胶传感器，能够实现较宽粒径测量范围的气溶胶颗粒的测量，同时易于小型化。
[0006]本发明提供了一种气溶胶传感器，包括:
[0007]气溶胶入口、气溶胶带电单元、沉积单元、电荷检测单元、控制单元、信号处理单元、气溶胶出口 ；
[0008]所述气溶胶入口、所述气溶胶带电单元、所述沉积单元、所述电荷检测单元、所述气溶胶出口依次连接，所述电荷检测单元与所述信号处理单元相连，所述控制单元分别与所述沉积单元和所述电荷检测单元相连；
[0009]所述电荷检测单元包括至少一个电荷检测子单元,所述电荷检测子单元依次连接，每个所述电荷检测子单元分别与所述控制单元相连，每个所述电荷检测子单元分别与所述信号处理单元相连；
[0010]所述气溶胶带电单元，用于使流入的待测气溶胶中的气溶胶颗粒带电；
[0011]所述沉积单元，用于截留流入的带电的气溶胶颗粒中粒径小于等于初始预设值的气溶胶颗粒；
[0012]所述电荷检测子单元，用于截留流入的带电的气溶胶颗粒中粒径小于等于本电荷检测子单元的预设值的气溶胶颗粒，并输出产生的感应电流；
[0013]所述控制单元，用于根据所述初始预设值给所述沉积单元施加方波电压，并根据每个电荷检测子单元的预设值给每个所述电荷检测子单元分别施加与该预设值对应的恒定电压；
[0014]所述信号处理单元，用于根据所有所述电荷检测子单元输出的感应电流和解析表达式计算出每个电荷检测子单元中被截留的气溶胶颗粒的平均粒径和数量浓度，其中，所述解析表达式为满足预设精度要求的所述感应电流与所述平均粒径、所述数量浓度之间的多元多项式；
[0015]或，所述信号处理单元，用于根据所有所述电荷检测子单元输出的感应电流和神经网络模型计算出每个电荷检测子单元中被截留的气溶胶颗粒的平均粒径和数量浓度，其中，所述神经网络模型用于根据输入的所述感应电流得出所述平均粒径和所述数量浓度；
[0016]其中，所述方波电压的低电平满足:流入所述沉积单元的带电的气溶胶颗粒中粒径小于等于所述初始预设值的气溶胶颗粒被全部截留在所述沉积单元内；
[0017]所述方波电压的高电平满足:流入所述沉积单元的带电的气溶胶颗粒中除粒径小于等于所述初始预设值的气溶胶颗粒被全部截留在所述沉积单元内，还有部分粒径大于所述初始预设值的气溶胶颗粒也被截留在所述沉积单元内；
[0018]所述电荷检测子单元的预设值对应的恒定电压满足:流入每个所述电荷检测子单元的带电的气溶胶颗粒中粒径小于等于该电荷检测子单元的预设值的气溶胶颗粒全部截留在所述该电荷检测子单元内；
[0019]其中，所有所述预设值中至少有一个大于所述初始预设值。
[0020]进一步地，所述气溶胶入口内安装有滤膜，所述滤膜用于滤除粒径大于等于预设粒径阈值的气溶胶颗粒，所述预设粒径阈值等于最大的预设值。
[0021 ] 进一步地，所述气溶胶带电单元为针-板式离子源，所述针-板式离子源的正极为导电的尖端，负极为平板电极。
[0022]进一步地，所述导电的尖端，包括:导电的一维纳米结构、表面覆盖有金属层的绝缘的一维纳米结构、表面覆盖有金属层的半导体的一维纳米结构。
[0023]进一步地,所述一维纳米结构包括:纳米线、纳米管、纳米棒。
[0024]进一步地，所述气溶胶带电单元为线-筒式离子源，所述线-筒式离子源的正极为导电细丝，负极为柱面电极。
[0025]进一步地，所述沉积单元包括两块平行的电极板，其中一块电极板接地，另一块电极板与所述控制单元连接。
[0026]进一步地，每个所述电荷检测子单元包括两块平行的电极板和电流计，其中一块电极板与所述控制单元连接，另一块电极板与电流计连接，电流计与所述信号处理单元连接，所述电流计用于测量感应电流并输出测得的感应电流的大小。
[0027]进一步地，与所述气溶胶出口相连的电荷检测子单元为法拉第筒或法拉第盘。
[0028]进一步地，所述气溶胶传感器还包括:驱动单元，用于驱动待测气溶胶在气溶胶传感器内流动，所述驱动单元与所述气溶胶入口相连，或，所述驱动单元与所述气溶胶出口相连。
[0029]本发明提供的一种气溶胶传感器，通过多个电荷检测子单元的组合测量，并通过解析表达式或者神经网络模型对各电荷检测子单元的感应电流进行数据融合处理，能够实现较宽粒径测量范围的气溶胶颗粒的粒径分布测量，同时易于小型化。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0031]图1是本发明一实施例提供的一种气溶胶传感器的结构示意图；
[0032]图2是本发明一实施例提供的另一种气溶胶传感器的结构示意图；
[0033]图3是本发明一实施例提供的一种神经网络模型的结构图。
【具体实施方式】
[0034]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0035]本发明提供了一种气溶胶传感器，参见图1，包括:
[0036]气溶胶入口 101、气溶胶带电单元102、沉积单元103、电荷检测单元104、控制单元105、信号处理单元106、气溶胶出口 107。
[0037]所述气溶胶入口 101、所述气溶胶带电单元102、所述沉积单元103、所述电荷检测单元104、所述气溶胶出口 107依次连接，所述电荷检测单元104与所述信号处理单元106相连，所述控制单元105与所述沉积单元103和所述电荷检测单元104相连。
[0038]所述电荷检测单元104包括至少一个电荷检测子单元,所述电荷检测子单元依次连接，每个所述电荷检测子单元分别与所述控制单元相连，每个电荷检测子单元分别与所述信号处理单元相连；图中示出的电荷检测子单元1041至电荷检测子单元104η。
[0039]其中，待测气溶胶从所述气溶胶入口 101进入，依次流过所述气溶胶带电单元102、所述沉积单元103、所述电荷检测单元104,从气溶胶出口 107流出，在所述电荷检测单元中，待测气溶胶依次流过每个电荷检测子单元，即待测气溶胶从沉积单元流出后，依次流过电荷检测子单元1041至电荷检测子单元104η,从电荷检测子单元104η流出后,流入气溶胶出口 107。
[0040]所述气溶胶带电单元102，用于使流入的待测气溶胶中的气溶胶颗粒带电。
[0041]具体地，气溶胶颗粒流过该气溶胶带电单元102后通过扩散带电或者场带电的方式全部带电。气溶胶颗粒的带电量与气溶胶颗粒的粒径大小有关。
[0042]所述沉积单元103，用于截留流入的带电的气溶胶颗粒中粒径小于等于初始预设值的气溶胶颗粒。
[0043]所述电荷检测子单元1041?104η，用于截留流入的带电的气溶胶颗粒中粒径小于等于本电荷检测子单元的预设值的气溶胶颗粒，并输出产生的感应电流。
[0044]具体地,每个电荷检测子单元对应一个预设值,例如:电荷检测子单元1041对应第一预设值，电荷检测子单元104η对应第η预设值，每个电荷检测子单元对应的预设值是根据对气溶胶粒子的测量范围的要求来确定的。当气溶胶流过当前的电荷检测子单元时，粒径小于等于该电荷检测子单元对应的预设值的气溶胶颗粒就会被截留在本电荷检测子单元内。
[0045]所述控制单元105，用于根据所述初始预设值给所述沉积单元103施加方波电压，并根据每个电荷检测子单元的预设值给每个所述电荷检测子单元分别施加与该预设值对应的恒定电压。其中，带电的气溶胶颗粒进入沉积单元后，当沉积单元所加的电压为低电平时，粒径小于等于初始预设值的气溶胶颗粒被截留在沉积单元内，当沉积单元所加的电压为高电平时，除粒径小于等于初始预设值的气溶胶颗粒被截留在沉积单元内，还有部分粒径大于初始预设值的气溶胶颗粒也被截留在沉积单元内。
[0046]具体地，沉积单元103和每个电荷检测子单元1041?104η要实现对气溶胶颗粒的截留，需要通过控制单元施加的电压来实现。控制单元通过调节施加在所述沉积单元和每个电荷检测子单元上的电压来满足沉积单元和每个电荷检测子单元中所截留的气溶胶颗粒的粒径大小的要求。对于沉积单元的不同的初始预设值，控制单元要施加对应的电压，初始预设值与电压的对应关系可以通过实验得到。对于每个电荷检测子单元的不同的预设值，控制单元要施加不同的电压，该预设值与电压的对应关系可以通过实验得到。
[0047]所述信号处理单元106，用于根据所有所述电荷检测子单元输出的感应电流和解析表达式计算出每个电荷检测子单元中被截留的气溶胶颗粒的平均粒径和数量浓度，其中，所述解析表达式为满足预设精度要求的所述感应电流与所述平均粒径、所述数量浓度之间的多元多项式；
[0048]或，所述信号处理单元106，用于根据所有所述电荷检测子单元输出的感应电流和神经网络模型计算出每个电荷检测子单元中被截留的气溶胶颗粒的平均粒径和数量浓度，其中，所述神经网络模型用于根据输入的所述感应电流得出所述平均粒径和所述数量浓度。
[0049]其中，所述方波电压的低电平满足:流入所述沉积单元103的带电的气溶胶颗粒中粒径小于等于所述初始预设值的气溶胶颗粒被全部截留在所述沉积单元内。所述方波电压的高电平满足:流入所述沉积单元103的带电的气溶胶颗粒中除粒径小于等于所述初始预设值的气溶胶颗粒被全部截留在所述沉积单元内，还有部分粒径大于所述初始预设值的气溶胶颗粒也被截留在所述沉积单元内。优选地，所述方波电压的低电平满足:流入所述沉积单元103的带电的气溶胶颗粒中只有粒径小于等于所述初始预设值的气溶胶颗粒被全部截留在所述沉积单元内。
[0050]所述电荷检测子单元的预设值对应的恒定电压满足:流入每个所述电荷检测子单元的带电的气溶胶颗粒中粒径小于等于该电荷检测子单元的预设值的气溶胶颗粒全部截留在所述该电荷检测子单元内；
[0051]其中，所有所述预设值中至少有一个大于所述初始预设值。
[0052]本实施例提供的一种气溶胶传感器，通过两个以上的电荷检测子单元的组合测量，并通过解析表达式或者神经网络模型对感应电流进行数据融合处理，能够实现较宽粒径测量范围的气溶胶颗粒的测量，同时易于小型化。另外，本实施例通过多个电荷检测子单元能够使测量结果更加精细、准确。
[0053]在通入的气溶胶中有粒径大于等于最大预设值的气溶胶颗粒时，会有部分气溶胶颗粒不能截留在气溶胶传感器内，这会造成对气溶胶的测量不准确，为了使气溶胶传感器测量更准确，需要对气溶胶进行过滤。所述气溶胶入口内安装有滤膜，所述滤膜用于滤除粒径大于等于预设粒径阈值的气溶胶颗粒，所述预设粒径阈值等于最大的预设值。
[0054]在一种可能的实现方式中，所述气溶胶带电单元为针-板式离子源，所述针-板式离子源的正极为导电的尖端，负极为平板电极。其中，所述导电的尖端，包括:导电的一维纳米结构、表面覆盖有金属层的绝缘的一维纳米结构、表面覆盖有金属层的半导体的一维纳米结构。所述一维纳米结构包括:纳米线、纳米管、纳米棒。所述金属层耐高温且功函数较低。
[0055]所述导电的尖端也可以是完全由微加工而成的纳米级尖端。所述正极的尖端接高电平，所述平板电极接低电平或者接地。另外，气溶胶带电单元可以采用针尖电晕放电作为离子源，其中针尖电极可以采用钨针或纳米线、纳米管、纳米棒。
[0056]或者，所述气溶胶带电单元为线-筒式离子源，所述线-筒式离子源的正极为导电细丝，负极为柱面电极。
[0057]在一种可能的实现方式中，所述沉积单元包括两块平行的电极板，其中一块电极板接地，另一块电极板与所述控制单元连接。
[0058]在一种可能的实现方式中，每个所述电荷检测子单元包括两块平行的电极板和电流计，其中一块电极板与所述控制单元连接，另一块电极板与电流计连接，电流计与所述信号处理单元连接，所述电流计用于测量感应电流并输出测得的感应电流的大小。其中，与所述气溶胶出口相连的电荷检测子单元可以为法拉第筒或法拉第盘。
[0059]在一种可能的实现方式中，所述电荷检测单元由第一电荷检测子单元和第二电荷检测子单元组成；所述第一电荷检测子单元与所述沉积单元相连，所述第二电荷检测子单元与所述第一电荷检测子单元相连。
[0060]其中，所述信号处理单元，用于根据所有所述电荷检测子单元输出的感应电流和解析表达式计算出每个电荷检测子单元中被截留的气溶胶颗粒的平均粒径和数量浓度，其中，所述解析表达式为满足预设精度要求的所述感应电流与所述平均粒径、所述数量浓度之间的多元多项式。
[0061]其中，该解析表达式可以通过以下方法得出:
[0062]Sll:采集所述气溶胶传感器测量标定气溶胶得出的感应电流，其中，标定气溶胶的平均粒径和数量浓度为已知的；
[0063]S12:设置感应电流与平均粒径、数量浓度的多元多项式。
[0064]S13:采用最小二乘法拟合所述多元多项式，获得所述多元多项式的参数；
[0065]S14:将所述多元多项式输出的平均粒径和数量浓度与标定气溶胶中的气溶胶颗粒的平均粒径和数量浓度进行比较，若所述多元多项式输出的平均粒径和数量浓度与所述标定气溶胶中的气溶胶颗粒的平均粒径和数量浓度之间的误差小于等于第一预设阈值，则拟合结束，否则，修正所述多元多项式的次数并返回S13。
[0066]所述信号处理单元，还可以用于根据所有所述电荷检测子单元输出的感应电流和神经网络模型计算出每个电荷检测子单元中被截留的气溶胶颗粒的平均粒径和数量浓度，其中，所述神经网络模型用于根据输入的所述感应电流得出所述平均粒径和所述数量浓度。其中，所述神经网络模型可以为BP神经网络模型。
[0067]其中，所述神经网络模型的建模方法如下:
[0068]S21:采集所述气溶胶传感器测量标定气溶胶得出的感应电流，其中，标定气溶胶的平均粒径和数量浓度为已知的；
[0069]S22:设置神经网络模型，并对所述神经网络模型进行标定；
[0070]S23:将所述气溶胶传感器的各输出感应电流输入所述标定后的神经网络模型，得到神经网络模型输出的平均粒径和数量浓度。
[0071]其中，步骤S22中对所述神经网络模型进行标定，具体包括:
[0072]S221:设置神经网络模型，初始化所述神经网络模型，包括设置所述神经网络模型的权参数W1和W2的初值；
[0073]S222:采集所述气溶胶传感器测量标定气溶胶得出的感应电流；
[0074]S223:采用神经网络学习算法对神经网络模型中的权参数进行学习，将所述感应电流输入所述学习后的神经网络模型，得到所述神经网络模型的输出的平均粒径和数量浓度；
[0075]S224:将所述神经网络模型输出的平均粒径和数量浓度与所述标定气溶胶的气溶胶颗粒的平均粒径和数量浓度进行比较，若所述神经网络模型输出的平均粒径和数量浓度与所述标定气溶胶的气溶胶颗粒的平均粒径和数量浓度之间的误差小于等于第二预设阈值，则标定结束，否则，返回S223。
[0076]上述的两种信号处理单元采用数据融合的方法根据各电荷检测子单元上测得的感应电流反演得到待测气溶胶颗粒的粒径分布和数量浓度，突破了 Fuch扩散带电理论中颗粒带电量与粒径之间的简单近似线性关系只在10-300nm的范围内有效的限制，扩展了单纯基于电学原理的气溶胶传感器的测量范围。
[0077]另外，所述气溶胶传感器还包括:驱动单元，用于驱动待测气溶胶在气溶胶传感器内流动，所述驱动单元与所述气溶胶入口相连，或，所述驱动单元与所述气溶胶出口相连。其中，所述驱动单元可以是微型泵；所述驱动单元还可以是风扇或压缩机。
[0078]所述气溶胶传感器还包括:输出单元，用于输出所述平均粒径和所述数量浓度。
[0079]图2示出了一种气溶胶传感器，该气溶胶传感器包括:
[0080]位于气溶胶传感器外壳5上的气溶胶入口 6和气溶胶出口 7,气溶胶入口 6内安装有滤膜10 ;气溶胶入口 6、气溶胶带电单元1、沉积单元2、第一电荷检测子单元3、第二电荷检测子单元4、气溶胶出口 7依次连接；
[0081 ] 其中，气溶胶带电单元I为针-板式正电晕放电离子源，气溶胶颗粒流过该离子源后通过扩散带电或者场带电的方式全部带正电，该离子源的正极尖端为由电场辅助的湿化学法制备的ZnO纳米线16，该纳米线16可直接生长在电极板17上，也可以由预先生长好的纳米线转移至极板17上，并在该纳米线表面覆盖耐高温且功函数较低的金属层，比如钨金属层。测量时作为正极尖端的纳米线16经电极板17接高电压Vtl，与其相对的平面电极12接低电压或者接地。电极板17和电极板12分别经绝缘物18和绝缘物14安装在气溶胶传感器外壳5上。
[0082]沉积单元2包括:电极板21和电极板22，电极板21和电极板22相互平行，并分别经绝缘物23和绝缘物24安装在气溶胶传感器外壳5上，电极板21与控制单元8连接。
[0083]第一电荷检测子单元3包括:电极板31、电极板32、电流计35，电极板31和电极板32相互平行，并分别经绝缘物33和绝缘物34安装在气溶胶传感器外壳5上，电极板31与控制单元8连接，电极板32与电流计35连接，电流计35与信号处理单元9连接。
[0084]第二电荷检测子单元4包括:电极板41、电极板42、电流计45，电极板41和电极板42相互平行，并分别经绝缘物43和绝缘物44安装在气溶胶传感器外壳5上，电极板41与控制单元8连接，电极板42与电流计45连接，电流计45与信号处理单元9连接。
[0085]需要说明的是:滤膜10用于滤除粒径大于等于第二预设值d3的气溶胶颗粒。
[0086]气溶胶由气溶胶入口 6进入后，流过气溶胶带电单元1，气溶胶颗粒经过气溶胶带电单元I后带电；控制单元8在电极板21上施加低电平为V1、高电平为V2的方波电压，电极板22接地。方波电压的低电平V1、高电平V2在电极板21和电极板22之间分别产生强度为E1和E2电场，进入到沉积单元2的带正电的气溶胶颗粒在电场E1和E2的作用下，会向电极板22偏转。由于粒径较小的带电气溶胶颗粒具有较大的电迁移率，所以控制单元8施加与初始预设值Cl1对应的低电平V1可使得此时粒径小于等于Cl1的所有带电气溶胶颗粒均沉积在电极板22上。而粒径大于Cl1的带电气溶胶颗粒由于其相对较小的电迁移率而在低电平V1时不被沉积而全部进入第一电荷检测子单元3，同时高电平V2使在此时粒径大于Cl1的带电气溶胶颗粒中有一部分沉积在电极板22上，其余的粒径大于Cl1的带电气溶胶颗粒进入第一电荷检测子单元3。这样，由于加在沉积单元2上方波电压高低电平的变换使得流过沉积单元2的带电气溶胶颗粒实现了两种不同浓度的变换。
[0087]控制单元8在电极板31上施加恒定电压V3，恒定电压V3使得在电极板31和电极板32之间产生强度为E3的电场，进入到第一电荷检测子单元3的带正电的气溶胶颗粒在电场E3的作用下,会向电极板32偏转，同时在电流计35中感应出感应电流。控制单元8施加与第一预设值d2对应的V3使得粒径小于等于d2的带电气溶胶颗粒全部沉积在电极板32上，而粒径大于d2的带电气溶胶颗粒在沉积单元2上的电压为低电平时全部进入第二电荷检测子单元4，在沉积单元2上的电压为高电平时粒径大于d2的带电气溶胶颗粒部分沉积在电极板22和32上、部分进入第二电荷检测子单元4。同时由于沉积单元2上方波电压的作用，使得流入第一电荷检测子单元3中的带电气溶胶颗粒的粒径大于Cl1且在一个测量周期内具有两种不同的数量浓度，所以在电流计35中感应出高低电流分别为I1和I2的方波电流。另外，粒径大于d2的带电气溶胶颗粒在流过第一电荷检测子单元3的过程中也会在电流计35中感应电流，所以电流I1和I2中不只包含粒径范围为C^cKd2的气溶胶颗粒的特征信息，还包含了粒径大于d2的带电气溶胶颗粒的特征信息。
[0088]控制单元8在电极板41上施加恒定电压V4，恒定电压V4使得在电极板41和电极板42之间产生强度为E4的电场，进入到第二电荷检测子单元4的带正电的气溶胶颗粒在电%E4的作用下,会向电极板42偏转，同时在电流计45中感应出感应电流。控制单元8施加与第二预设值d3对应的V4使得进入到第二电荷检测子单元4中的所有带电气溶胶颗粒全部沉积在电极板42上。同时由于沉积单元2上方波电压所实现的粒径大于Cl1的带电气溶胶颗粒在流出沉积单元2后浓度的高低变化，以及第一电荷检测子单元3中截留粒径小于等于d2的全部气溶胶颗粒的作用，使得流入第二电荷检测自单元4中的带正电的气溶胶颗粒的粒径范围为(12〈(1〈(13且在一个测量周期内具有两种不同的数量浓度，所以在电流计45中感应出高低电流分别为I3和I4的方波电流。而且I3和I4中只包含粒径范围为d2〈d〈d3的带电气溶胶颗粒的特征信息。
[0089]信号处理单元9获得所述感应电流Ip 12、I3和I4，根据所述感应电流分别求出粒径范围为C^cKd2的气溶胶颗粒的平均粒径和数量浓度，以及粒径范围为d2〈d〈d3的气溶胶颗粒的平均粒径和数量浓度。
[0090]由于本发明的气溶胶传感器的测量范围超过了 Fuch扩散带电理论中颗粒粒径与带电量间成线性关系的范围(10-300nm)，而且在第一电荷检测子单元3的感应的感应电流I1和I2中耦合了粒径大于d2的带电气溶胶颗粒的信息，使得在感应电流I1和I2与C^cKd2范围内的气溶胶颗粒的平均粒径和数量浓度之间不具备通用的简单关系式，所以在信号处理单元8中采用多元多项解析式或神经网络数据融合算法将第一电荷检测子单元3上的感应电流IJP I2以及第二电荷检测子单元4上的感应电流I3和I4转换为粒径范围为G^cKd2的气溶胶颗粒平均粒径C^1和数量浓度N1以及粒径范围为d2〈d〈d3的气溶胶颗粒的平均粒径dav，2和数量浓度N2，其数据融合原理在采用神经网络模型时可用如图3所示的三层神经网络结构表示，I1和I2以及I3和I4构成网络的输入节点，平均粒径cLy dav，2和数量浓度K、N2构成网络的输出节点。
[0091]信号处理单元在采用BP神经网络模型进行数据融合时，BP神经网络模型建立的步骤包括:
[0092]S1:采集所述气溶胶传感器测量标定气溶胶得出的感应电流，其中，标定气溶胶的平均粒径和数量浓度为已知的；
[0093]S2:构造BP神经网络模型，并对所述BP神经网络模型进行标定；
[0094]S3:将所述气溶胶传感器的各输出感应电流输入所述标定后的BP神经网络模型，得到气溶胶颗粒的平均粒径cU1、dav,2和数量浓度H
[0095]其中，在使用传感器进行气溶胶测量之前，需要对神经网络模型的各参数(W1和W2)进行标定，也即神经网络的参数学习，步骤S2包括:
[0096]S21:构造BP神经网络模型，并初始化所述BP神经网络模型，包括设置所述BP神经网络模型的加权参数W1和W2的初值；
[0097]S22:针对标定气溶胶的粒径和数量浓度，分别抽取m个和η个样本点…、dav,ffl, %、…、Nn，这些样本点覆盖所述气溶胶传感器的整个测量范围，采集所述气溶胶传感器测量标定气溶胶得出的感应电流，具体地，将在已知的各平均粒径cLy…、dav，m和数量浓度K、…、Nn下采集得到气溶胶传感器的各输出电流组If、If、If > IP作为数据样本，其中i = 1、2、…、m, j = 1、2、…、η,输出电流组为一组感应电流；
[0098]S23:采用BP学习算法对权参数进行学习，将所述气溶胶传感器的各输出电流组输入学习后的BP神经网络模型，得到所述BP神经网络模型输出的平均粒径和数量浓度；
[0099]S24:将所述BP神经网络模型的输出数据与所述标定气溶胶的气溶胶颗粒的平均粒径和数量浓度分别对应地进行比较，若所述BP神经网络模型的输出的平均粒径和数量浓度与所述标定气溶胶的气溶胶颗粒的平均粒径和数量浓度之间的误差小于等于第二预设阈值，则标定结束，否则，修正所述BP神经网络模型的权参数并返回S23 ;其中，修正神经网络参数的具体步骤为将所述BP神经网络模型的输出的平均粒径和数量浓度与所述标定气溶胶的气溶胶颗粒的平均粒径和数量浓度对应地进行比较后，根据误差的均方差最小原则计算出加权参数1、W2的修正值[AW1, Λ W2]，将W1+Λ Wp W2+Λ W2作为新的加权参数。
[0100]完成标定后，使用传感器进行气溶胶平均粒径和数量浓度的测量时，将实时采集到的各电流输出^、、、、、^输入至神经网络，网络模型的输出即为待测气溶胶颗粒的平均粒径dav，!、dav； 2和数量浓度H
[0101]上述的气溶胶传感器的气溶胶带电单元中采用纳米线等一维纳米结构作为放电阳极，其它电极结构采用简单平板结构，使得传感器结构简单、加工容易，可实现对传感器的微加工，进一步实现微型气溶胶传感器，满足有限空间内的气溶胶多点、分布式测量的要求。
[0102]需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。
[0103]本领域普通技术人员可以理解:实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储在计算机可读取的存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括:R0M、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质中。
[0104]最后需要说明的是:以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种气溶胶传感器，其特征在于，包括: 气溶胶入口、气溶胶带电单元、沉积单元、电荷检测单元、控制单元、信号处理单元、气溶胶出口 ； 所述气溶胶入口、所述气溶胶带电单元、所述沉积单元、所述电荷检测单元、所述气溶胶出口依次连接，所述电荷检测单元与所述信号处理单元相连，所述控制单元分别与所述沉积单元和所述电荷检测单元相连； 所述电荷检测单元包括至少一个电荷检测子单元，所述电荷检测子单元依次连接，每个所述电荷检测子单元分别与所述控制单元相连，每个所述电荷检测子单元分别与所述信号处理单元相连； 所述气溶胶带电单元，用于使流入的待测气溶胶中的气溶胶颗粒带电； 所述沉积单元，用于截留流入的带电的气溶胶颗粒中粒径小于等于初始预设值的气溶胶颗粒； 所述电荷检测子单元，用于截留流入的带电的气溶胶颗粒中粒径小于等于本电荷检测子单元的预设值的气溶胶颗粒，并输出产生的感应电流； 所述控制单元，用于根据所述初始预设值给所述沉积单元施加方波电压，并根据每个电荷检测子单元的预设值给每个所述电荷检测子单元分别施加与该预设值对应的恒定电压； 所述信号处理单元，用于根据所有所述电荷检测子单元输出的感应电流和解析表达式计算出每个电荷检测子单元中被截留的气溶胶颗粒的平均粒径和数量浓度，其中，所述解析表达式为满足预设精度要求的所述感应电流与所述平均粒径、所述数量浓度之间的多元多项式； 或，所述信号处理单元，用于根据所有所述电荷检测子单元输出的感应电流和神经网络模型计算出每个电荷检测子单元中被截留的气溶胶颗粒的平均粒径和数量浓度，其中，所述神经网络模型用于根据输入的所述感应电流得出所述平均粒径和所述数量浓度； 其中，所述方波电压的低电平满足:流入所述沉积单元的带电的气溶胶颗粒中粒径小于等于所述初始预设值的气溶胶颗粒被全部截留在所述沉积单元内； 所述方波电压的高电平满足:流入所述沉积单元的带电的气溶胶颗粒中除粒径小于等于所述初始预设值的气溶胶颗粒被全部截留在所述沉积单元内，还有部分粒径大于所述初始预设值的气溶胶颗粒也被截留在所述沉积单元内； 所述电荷检测子单元的预设值对应的恒定电压满足:流入每个所述电荷检测子单元的带电的气溶胶颗粒中粒径小于等于该电荷检测子单元的预设值的气溶胶颗粒全部截留在所述该电荷检测子单元内； 其中，所有所述预设值中至少有一个大于所述初始预设值。
2.根据权利要求1所述的气溶胶传感器，其特征在于，所述气溶胶入口内安装有滤膜，所述滤膜用于滤除粒径大于等于预设粒径阈值的气溶胶颗粒，所述预设粒径阈值等于最大的预设值。
3.根据权利要求1所述的气溶胶传感器，其特征在于，所述气溶胶带电单元为针-板式离子源，所述针-板式离子源的正极为导电的尖端，负极为平板电极。
4.根据权利要求3所述的气溶胶传感器，其特征在于，所述导电的尖端，包括:导电的一维纳米结构、表面覆盖有金属层的绝缘的一维纳米结构、表面覆盖有金属层的半导体的一维纳米结构。
5.根据权利要求4所述的气溶胶传感器，其特征在于，所述一维纳米结构包括:纳米线、纳米管、纳米棒。
6.根据权利要求1所述的气溶胶传感器，其特征在于，所述气溶胶带电单元为线-筒式离子源，所述线-筒式离子源的正极为导电细丝，负极为柱面电极。
7.根据权利要求1所述的气溶胶传感器，其特征在于，所述沉积单元包括两块平行的电极板，其中一块电极板接地，另一块电极板与所述控制单元连接。
8.根据权利要求1所述的气溶胶传感器，其特征在于，每个所述电荷检测子单元包括两块平行的电极板和电流计，其中一块电极板与所述控制单元连接，另一块电极板与电流计连接，电流计与所述信号处理单元连接，所述电流计用于测量感应电流并输出测得的感应电流的大小。
9.根据权利要求1所述的气溶胶传感器，其特征在于，与所述气溶胶出口相连的电荷检测子单元为法拉第筒或法拉第盘。
10.根据权利要求1所述的气溶胶传感器，其特征在于，所述气溶胶传感器还包括:驱动单元，用于驱动待测气溶胶在气溶胶传感器内流动，所述驱动单元与所述气溶胶入口相连，或，所述驱动单元与所述气溶胶出口相连。
【文档编号】G01N15/02GK104181084SQ201410425996
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月26日 优先权日:2014年8月26日
【发明者】朱荣, 杨文明 申请人:清华大学