气溶胶粒子浓度传感器的制造方法
【专利摘要】一种气溶胶粒子浓度传感器，包括在一个腔体内的光路模块、气路模块和信号处理模块组成，光路模块包括：光源和光路通道，气路模块，包括风机与气路通道，气路通道的气流入口处和气流出口处设有弯道结构和挡板结构，在风机驱动下含有气溶胶粒子的气体经气流入口、气路通道从气流出口输出，信号处理模块包括光电探测器、信号处理电路和集成接口，光电探测器置于气路通道中，光源发出的光照射在光电探测器的光敏面上方的气路通道中，信号处理电路对光电探测器输出的电脉冲信号进行电流-电压转换以及电压放大后，从信号输出端输出。本实用新型体积小巧，重量轻，可同时测量气溶胶粒子的数量浓度和质量浓度，充分满足民用市场的需求。
【专利说明】气溶胶粒子浓度传感器
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及粒子浓度传感器，特别是一种气溶胶粒子浓度传感器及其检测方 法。
【背景技术】
[0002] 气溶胶是指大气与悬浮于其中的固体和液体微粒所组成的多相体系，其中的粒子 为气溶胶粒子。气溶胶粒子浓度直接影响着环境空气质量。弹性光散射测量法具有速度快、 灵敏度高等特点，是监测气溶胶粒子浓度的主要方法之一。气体中的粒子在光的照射下会 发生散射，散射光强度和粒子大小有一个基本规律，就是微粒散射光的强度随微粒的表面 积的增加而增大。这样只要测定散射光的强度就可推知粒子的大小。
[0003] 采用弹性光散射测量法的气溶胶粒子浓度传感器的基本工作过程如下：空气中的 粒子在光束的照射下会产生与粒子大小成比例的散射光信号，该散射光信号通过光电探测 器和前置放大电路后转换为适当幅度的电压脉冲信号，再经过电子线路的甄别，从而完成 对电脉冲信号的分档计数。此时，电压脉冲数量对应于微粒的个数，电压脉冲的幅值对应于 粒子的大小。
[0004] 在先技术的采用弹性光散射测量法的气溶胶粒子浓度传感器存在如下缺点：
[0005] (1)结构复杂，体积大。现有的气溶胶粒子浓度传感器大多采用复杂的光学结构实 现散射光信号的收集，采用复杂的包含进气嘴与出气嘴的气路结构把气溶胶粒子引入传感 器，气路结构中还有提供气流的采样泵。这些都使得气溶胶粒子浓度传感器的结构复杂、体 积大。
[0006] (2)成本高。现有的气溶胶粒子浓度传感器由于采用了复杂的光路结构与气路结 构，所以对光学零件与机械零件的加工精度要求高，这些都大大增加了它的成本，限制了其 在民用领域的广泛应用。 实用新型内容
[0007] 本实用新型的目的在于克服在先技术的不足，提供一种气溶胶粒子浓度传感器及 其检测方法，该传感器能满足民用空气质量检测要求，具有结构简单、制造容易、成本低的 特点。
[0008] 本实用新型的技术解决方案如下：
[0009] -种气溶胶粒子浓度传感器，特点在于其构成包括在一个腔体内的光路模块、气 路模块和信号处理模块，所述的光路模块包括：光源和光路通道，所述的气路模块，包括风 机与气路通道，所述气路通道的气流入口处和气流出口处设有弯道结构和挡板结构，在所 述的风机驱动下含有气溶胶粒子的气体经气流入口、气路通道从气流出口输出，所述的信 号处理模块包括光电探测器、信号处理电路和集成接口，所述集成接口包括第一电源接口 端、第二电源接口端和信号输出端，所述的第一电源接口端、第二电源接口端分别与所述的 光源和风机相连，所述的光电探测器置于所述的气路通道中，所述的光源发出的光照射在 所述的光电探测器的光敏面上方的气路通道中，所述的气路通道的气溶胶粒子产生散射 光，所述的光电探测器将所述的散射光转换为电脉冲信号，所述的信号处理电路对光电探 测器输出的电脉冲信号进行电流-电压转换以及电压放大后，从所述的信号输出端输出。 [0010] 所述光源为半导体激光器。
[0011] 所述的风机用于使气路模块产生气流。
[0012] 所述气路通道在气流入口处和出口处设有弯道结构和挡板结构，以防止外界杂光 进入干扰粒子散射光的检测。
[0013] 所述光电探测器用于将散射光信号转换为电脉冲信号。
[0014] 所述信号处理电路对光电探测器输出的电脉冲信号进行电流-电压转换以及电 压放大。
[0015] 所述气路通道的横截面面积大于光电探测器光敏面面积，使光电探测器的光敏面 能够充分探测到粒子散射光。
[0016] 所述集成接口包括第一电源接口端、第二电源接口端和信号输出端。
[0017] 所述的光路模块、气路模块和信号处理模块集成在一个腔体内。
[0018] 一种气溶胶粒子浓度检测方法，该检测方法包括以下步骤：
[0019] 1)确定0.3μπι粒径档的甄别电压：在洁净空气中测量所述的气溶胶粒子浓度传 感器输出的噪声脉冲信号，待气溶胶粒子浓度传感器运行稳定后，取〇. 3 μ m粒径档的甄电 压Vl略高于噪声脉冲峰值的最大值；
[0020] 2)确定0. 5 μ m粒径档的甄别电压：在0. 5 μ m标准粒子气溶胶中测量所述的气溶 胶粒子浓度传感器输出的脉冲信号，待气溶胶粒子浓度传感器运行稳定后，计算一定测量 时间周期内峰值电压大于等于〇. 3 μ m粒径档甄别电压Vl的脉冲总数Nl、峰值电压大于一 个高于Vl的电压值V2的脉冲个数N2,当N2/N1达到50%时，即把电压值V2作为0. 5 μ m 粒径档的甄别电压；
[0021] 3)按照步骤2)的方法确定其他粒径档的甄别电压；
[0022] 4)测量dx粒径档的数量浓度校正因子：以标准的尘埃粒子计数器作为参照仪器， 在相同测量条件下，计算相同测量周期内本实用新型的气溶胶粒子浓度传感器和参照仪器 的d x粒径档的气溶胶粒子计数值的比值，测试多组比值，取平均值作为气溶胶粒子浓度传 感器dx粒径档的数量浓度校正因子a x ;
[0023] 5)确定被测粒子的质量浓度转换系数根据步骤4)中的方法测量得到的4粒 径档粒子数量浓度为N，按下列公式计算D粒径以下的气溶胶粒子质量浓度m :
[0024] m = 1.324x10 llDossi/;
[0025] 以标准的颗粒物质量浓度检测仪作为参照仪器，在相同条件下测量多组N和多组 m，经过多次测量，算出密度P的平均值，作为质量浓度转换系数;^
[0026] 6)测量dx粒径档的粒子数量浓度：在一定测量时间周期内测量超过由步骤2)确 定的d x档位甄别电压的脉冲数Nx，并将Nx与dx档位对应的校正因子a x的乘积做为dx粒径 档的气溶胶粒子的数量浓度Ndx ;
[0027] 7)测量D粒径以下的粒子质量浓度：由dx粒径档的粒子数量浓度Ndx和步骤5)确 定的粒子质量浓度转换系数i，按下列公式计算D粒径以下的气溶胶质量浓度m :
[0028] /? = 1.324x10 NdJy
[0029] 与在先技术相比，本实用新型具有如下优点：
[0030] (1)结构简单，体积小巧，可任意集成到其他设备上。由于不需要复杂的光学元件 和机械零件，传感器的体积小巧，重量轻，便于仪器的集成。
[0031] (2)成本低，便于加工。由于对零件的精度要求不高，光学元器件的减少都降低了 传感器的制造成本，便于集成到民用产品；该结构便于开模加工，因此在大批量生产的情况 下可显著降低生产成本。
[0032] (3)可同时测量气溶胶粒子的数量浓度和质量浓度，充分满足民用市场的需求。
【专利附图】
【附图说明】
[0033] 图1是本实用新型的气溶胶粒子浓度传感器示意图；
[0034] 图2是本实用新型的气溶胶粒子浓度传感器集成接口的示意图；
[0035] 图3是本实用新型的气溶胶粒子浓度传感器结构示意图；
[0036] 图4是本实用新型的气溶胶粒子浓度传感器的上腔体的结构图；
[0037] 图5是本实用新型的气溶胶粒子浓度传感器的上腔体光路通道示意图；
[0038] 图6是本实用新型的气溶胶粒子浓度传感器的上腔体气路通道示意图；
[0039] 图7是本实用新型的气溶胶粒子浓度传感器的气路通道遮挡外界光线的示意图；
[0040] 图8是本实用新型气溶胶粒子浓度传感器的光束、气路通道与光电探测器示意 图；
[0041] 图9是本实用新型中气溶胶粒子浓度传感器的检测方法流程图。
【具体实施方式】
[0042] 如图1、2、3、4所示，气溶胶粒子浓度传感器包括用于提供光束的光路模块，用于 引入被检空气的气路模块，用于分析和处理信号的信号处理模块，光路模块、气路模块和信 号处理模块集成在一腔体内。光路模块包括光源1和光路通道41 ;气路模块包括气路通道 42和风机2 ;信号处理模块包括光电探测器32、信号处理电路板33和集成接口 5。所述的 集成接口 5包括用于外接直流5V电源的第一电源接口端35和第二电源接口端36以及信 号输出端37,信号输出端37为本实用新型的总输出端。第一电源接口端35和第二电源接 口端36接通电源后，信号输出端37即有信号输出。信号输出端37将检测结果通过电压脉 冲信号的方式传递给所集成的装置（如空气净化仪器或设备）。
[0043] 光源1米用体积小巧、功耗低、成本低的半导体激光器。风机2米用叶片抽风风扇， 提供负压使气体流过检测区域的装置。
[0044] 信号处理电路板33上安装了光源固定板31、光电探测器32。光源固定板31用 于固定光源1，并且设有光阑孔，以消除光束中的杂散光；光电探测器32采用响应速度较高 的PIN型光电二极管，将光信号转换为电脉冲信号；信号处理电路板33上含有供电模块和 散射光信号处理模块，供电模块为光源1和风机2供电，散射光信号处理模块对光电探测器 32输出的电脉冲信号进行电流-电压转换以及电压放大，从而形成适当幅度的电压脉冲信 号，用于后续分析和处理。
[0045] 图5为光路通道41示意图，其中箭头表示光束的照射方向；激光光束经过光路通 道41之后，进入特定的光陷阱结构而被吸收，以有效消除反射光干扰粒子散射光的检测； 光陷阱可采用与光束方向成一定角度的空腔结构，光束进入该空腔后经多次反射被完全吸 收。图6为气路通道42示意图，其中箭头表示气体流动方向；被测粒子从气流入口进入所 述的气路通道42,经过光束的照射之后，在风机2的驱动下从排气口流出。所述的气路通道 42在气流入口和风机2的出口处使用弯道结构和挡板结构，以防止外界光进入传感器内部 而干扰粒子散射光的检测，图7所示为气路通道42遮挡外界光线的示意图，其中阴影部分 是外界光线能够直接照射的区域，光电探测器32不在该区域内。
[0046] 光源1发出的光束以贴近光电探测器32光敏面的形式经过光敏面正上方，且保证 光束的焦面位于光敏面上方的中心位置；图8为光束、气路通道42与光电探测器32示意 图，其中箭头表示气体流动方向。气路通道42保证含有被测粒子的气体从光电探测器32 的上方流过，气路通道尺寸大于光电探测器32光敏感区尺寸，使光电探测器32的光敏面能 够充分探测到粒子散射光。
[0047] 本实用新型的气溶胶粒子浓度传感器的工作过程是：通电后，光源1发出激光束， 在光电探测器32的正上方形成照射区域，激光束通过光电探测器32上方之后进入光陷阱； 含被测粒子的气体在所述的风机2驱动下匀速地通过光电探测器32上方时被激光束照射 后发出散射光脉冲，该散射光脉冲被光电探测器32接收并转化为电脉冲信号，信号处理模 块将这个电脉冲信号进行放大，从而形成具有适当幅度的电压脉冲信号。
[0048] 本实用新型气溶胶粒子浓度检测方法，通过对所述的气溶胶粒子浓度传感器输出 的电压脉冲信号进行比较、计算、分析后，将分析结果输出。该检测方法包括以下步骤：
[0049] (1)确定0· 3 μ m粒径档的甄别电压91 :
[0050] 在洁净空气中测量所述的气溶胶粒子浓度传感器输出的噪声脉冲信号。待气溶胶 粒子浓度传感器运行稳定后，取高于噪声脉冲峰值的最大值为〇. 3 μ m粒径档的甄别电压 为Vl ;
[0051] (2)确定0· 5 μ m粒径档的甄别电压92 :
[0052] 在0.5μπι标准粒子气溶胶中测量所述的气溶胶粒子浓度传感器输出的脉冲信 号，待气溶胶粒子浓度传感器运行稳定后，计算一定测量时间周期内峰值电压大于等于 0. 3 μ m粒径档甄别电压的脉冲总数Nl、峰值电压大于一个高于Vl的电压值V2的脉冲个数 N2,当N2/N1达到50%时，即把电压值V2作为0. 5μπι粒径档的甄别电压；
[0053] 。按照类似的方法确定其他粒径档的甄别电压。
[0054] (3)测量dx粒径档的数量浓度校正因子93 :
[0055] 以标准的尘埃粒子计数器作为参照仪器，在相同条件下，计算相同测量周期内本 实用新型的气溶胶粒子浓度传感器和参照仪器的d x粒径档的粒子计数值的比值，测试多组 比值，取其平均值作为气溶胶粒子浓度传感器dx粒径档的数量浓度校正因子a x。
[0056] (4)确定被测粒子的质量浓度转换系数94 :
[0057] 根据（3)中的方法测量得到的dx粒径档粒子数量浓度为N，按下列公式计算D粒 径以下的气溶胶粒子质量浓度m :
【权利要求】
1. 一种气溶胶粒子浓度传感器，特征在于其构成包括在一个腔体内的光路模块、气路 模块和信号处理模块，所述的光路模块包括：光源（1)和光路通道（41)，所述的气路模块， 包括风机（2)与气路通道（42)，所述气路通道（42)的气流入口处和气流出口处设有弯道 结构和挡板结构，在所述的风机（2)驱动下含有气溶胶粒子的气体经气流入口、气路通道 (42)从气流出口输出，所述的信号处理模块包括光电探测器（32)、信号处理电路和集成接 口，所述集成接口包括第一电源接口端（35)、第二电源接口端（36)和信号输出端（37)，所 述的第一电源接口端（35)、第二电源接口端（36)分别与所述的光源（1)和风机（2)相连， 所述的光电探测器置于所述的气路通道（42)中，所述的光源（1)发出的光照射在所述的光 电探测器（32)的光敏面上方的气路通道（42)中，所述的气路通道（42)的气溶胶粒子产生 散射光，所述的光电探测器（32)将所述的散射光转换为电脉冲信号，所述的信号处理电路 对光电探测器输出的电脉冲信号进行电流-电压转换以及电压放大后，从所述的信号输出 端（37)输出。
2. 根据权利要求1所述的气溶胶粒子浓度传感器，其特征在于所述气路通道的横截面 面积大于光电探测器的光敏面面积，使光电探测器的光敏面能够充分探测到粒子散射光。
3. 根据权利要求1所述的气溶胶粒子浓度传感器，其特征在于所述的光源（1)为半导 体激光器。
【文档编号】G01N15/06GK204165870SQ201420528761
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年9月15日 优先权日:2014年9月15日
【发明者】杨巍, 朱永康, 胡卓非, 王光辉, 张佩, 黄惠杰 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所