一种基于微流控的便携式PM2．5检测装置及方法与流程

本发明涉及微流控和空气检测技术领域，具体是基于微流控的PM2.5检测技术。

背景技术：

细颗粒物PM2.5(空气动力学直径小于或等于2.5μm的大气颗粒物)对人体健康和大气环境质量的影响很大，目前家用PM2.5检测仪大多数的检测值存在10%-20%的误差。 常用的最直接、最可靠的检测PM2.5的方法是重量法，重量法对细小颗粒物截留效率高，测定结果准确。中国发明专利申请号为CN201410572838.8的文献中提出了一种基于微量振荡天平技术的PM2.5检测装置，空气通过进气道进入PM2.5切割头内，空气动力学直径小于或等于2.5 μm的大气颗粒物可以通过PM2.5切割头内进入测试腔内，且位于石英微天平的正上方，由石英微天平测出PM2.5的质量；但是此装置缺少滤膜来富集PM2.5颗粒，PM2.5颗粒难以全部被石英微天平的敏感表面吸收；此外，石英微天平价格高昂，不适宜家用，性价比不高。

技术实现要素：

本发明的目的是针对目前PM2.5检测装置所存在的缺陷，提出一种具有微量采样、实时监测、操作简单、自动化程度高、性价比高的基于微流控的便携式PM2.5检测装置及方法。

本发明一种基于微流控的便携式PM2.5检测装置采用的技术方案是：包括一个垂直向下的微型泵，微型泵正下方连接PM2.5切割器，PM2.5切割器正下方连接自动更换滤膜装置；微型泵由桶身、第一线圈、推拉杆、把手和软质活塞、硬质活塞组成，最外部是铁质桶身，桶身的外壁表面上缠绕第一线圈，桶身外部上方是固定连接推拉杆上端的永磁把手，推拉杆下端向下伸入桶身内部且固定连接软质活塞和硬质活塞，软质活塞位于硬质活塞的侧下方且两者有局部上下紧密贴合在一起；自动更换滤膜装置1的外部是铁质桶身，上半部分的外壁表面缠绕第二线圈，下半部分内部设置水平的圆盘形载膜转盘，载膜转盘正中间通过十字型槽有间隙地套在垂直布置的十字架连接柱上，载膜转盘盘面上沿圆周方向均匀布置n个导电滤膜，n≥2，待测的第一个导电滤膜能够接触导线的两端，导线通过铁片与自动更换滤膜装置的桶身固定连接，导线从自动更换滤膜装置的桶身内部向外伸出后连接阻抗测量电路；在自动更换滤膜装置的桶身外部正下方设置步进电机，步进电机输出轴向上伸入桶身内部固定连接所述十字架连接柱的下端；所述第一线圈、第二线圈、阻抗测量电路和步进电机分别连接控制器。

本发明一种基于微流控的便携式PM2.5检测装置的检测方法采用的技术方案是：包含以下步骤：

1）建立PM2.5质量和导电滤膜阻抗值的关系模型，将关系模型以及导电滤膜未吸附PM2.5颗粒时的阻抗值作为基准值预设于控制器中；

2）控制器控制第一线圈通交流电，把手进行周期性的上下运动，将空气泵入PM2.5切割器中，第一线圈断电；PM2.5从PM2.5切割器中分离出来进入自动更换滤膜装置中，控制器给第二线圈通电，载膜转盘向上运动至十字架连接柱上端；

3）PM2.5被半球形橡胶通道正下方的待测量的第一个导电滤膜吸附，阻抗测量电路测得导电滤膜的阻抗值并输入控制器中，控制器将此阻抗值与基准值做比较，判断该导电滤膜阻抗是否发生变化，若阻抗值发生改变，则根据所述PM2.5质量和导电滤膜阻抗值的关系模型得出导电滤膜上吸附的PM2.5的质量,计算出PM2.5浓度。

本发明与已有方法和技术相比，具有如下优点：

（1）本发明采用微型泵为电磁驱动方式，作为采样器，所需样品少，大大减少了检测时间，减少了人工操作，与电机驱动方式相比，电磁驱动方式功耗小，节约能源。

（2）本发明采用导电滤膜来吸附PM2.5，对细小颗粒物截留效率高，在常规滤膜的基础上加上一层不锈钢丝网使得滤膜具有导电性能，并且根据导电滤膜阻抗性质的变化得到滤膜上吸附的PM2.5的质量，阻抗测量电路将数据传送给计算机，由计算机得出导电滤膜的阻抗，测定结果高效准确。

（3）本发明采用自动更换滤膜装置来实现滤膜的自动更换，滤膜在进行更换的过程中会通过十字架通道上下移动，十字架通道的设计限制了载膜转盘的自由度，保证了载膜转盘在上下移动的过程中保持水平状态；自动更换滤膜是在步进电机的驱动下实现的，步进电机的运作是由控制器程序控制，可实现在指定时间运作和停止，可以长时间的进行监测，大大延长了装置的使用时间，减少了人工操作，自动化程度高。

（4）本发明先通过不同时间和不同地点的实验数据得到导电滤膜的阻抗与滤膜上吸附的PM2.5质量的关系模型，并将该模型应用于检测，保证了测定结果的准确。

（5）为了使滤膜能够更好的吸附PM2.5，在自动更换滤膜装置与PM2.5切割器之间还增加了半球形的橡胶通道，能够和导电滤膜更好地连接和贴合。

（6）本发明中的导电滤膜通过导线连接到阻抗测量电路中，导线与滤膜接触的部分是由导电材料制成的网状结构，大大加大了导电滤膜与导线的接触面积，增强了导电性能。

附图说明

图1本发明一种基于微流控的便携式PM2.5检测装置的总体结构示意图；

图2是图1中微型泵与推拉杆等关联部件的结构放大示意图；

图3是图2中推拉杆向下运动原理示意图；

图4是图2中推拉杆向上运动原理示意图；

图5是图1中PM2.5切割器的内部结构放大示意图；

图6是图1中载膜转盘的上盘与下底盘的结构分解放大示意图；

图7是图1中待检测的导电滤膜的连接示意图；

图8是图1中载膜转盘的受控以及动作原理示意图。

附图中各部件的序号和名称：1：微型泵，2：微型泵上缠绕的线圈，3：微型泵的推拉杆，4：微型泵的把手，5:推拉杆下端的软质活塞,6:推拉杆下端的硬质活塞,7:微型泵内部的光滑材料涂层,8:微型泵与PM2.5切割器的连接部分, 11:PM2.5切割器,12:孔隙,13:涂有硅胶的冲击板,14:切割板,15:PM2.5切割器和自动更换滤膜装置的连接部分,16：半球形橡胶通道,17:自动更换滤膜装置,18:自动更换滤膜装置圆筒上缠绕的线圈,19:载膜转盘,20:载膜转盘的上盘，21：载膜转盘上盘的滤膜口,22:载膜转盘的下底盘，23：载膜转盘下底盘的放置膜的凹槽，24：导电滤膜，25:导线，26：铁片，27：阻抗测量电路，28：十字架连接柱，29：十字架通道与电机的连接处，30：步进电机，31：控制器。

具体实施方式

参见图1，本发明一种基于微流控的便携式PM2.5检测装置包括上方的微型泵1、中间的PM2.5切割器11和下方的自动更换滤膜装置17三个部分。微型泵1垂直向下，PM2.5切割器11置于微型泵1的正下方，微型泵1的出口和PM2.5切割器11进口之间通过连接部分8连接。自动更换滤膜装置17置于PM2.5切割器11的正下方，PM2.5切割器11的出口和自动更换滤膜装置17进口之间通过连接部分15连接。微型泵1由桶身、线圈2、推拉杆3、把手4和软质活塞5、硬质活塞6组成；微型泵1的外部是桶身，桶身为铁质材料，在桶身的外壁表面上缠绕线圈2，线圈2通过控制线连接控制器31，由控制器31控制线圈2通电或断电。桶外部上方是把手4，把手4固定连接推拉杆3上端，推拉杆3下端向下从微型泵1顶端垂直伸入桶内部。把手4是由永磁性质的材料制成的，下端为N极，上端为S极。当控制器31给线圈2通上周期性变化的交流电时，在交流电的正半周期，桶身顶端能感应出N极，与把手4的下端N极相斥，使推拉杆3向上运动到最高点，在交流电的负半周期，桶身顶端感应出S极，与把手4的下端N极相吸，使推拉杆3向下运动到最低点。通过推拉杆3的周期性上下运动，将空气泵入正下方的PM2.5切割器11中，PM2.5切割器11使得只有空气动力学直径小于或等于2.5μm的大气颗粒物才能到达出口，达到分离出PM2.5的目的。

自动更换滤膜装置17的外部是桶身，桶身的上半部分为铁质材料，在桶身的上半部分的外壁表面缠绕线圈18，线圈18通过控制线连接控制器31，由控制器31控制线圈18通电或断电。在桶身的内部下半部分设置水平的载膜转盘19，载膜转盘19是圆盘形，由铝制材料制成，在载膜转盘19的盘面上，沿圆周方向有间隔地均匀布置n个导电滤膜24，n≥2。其中，待测的第一个导电滤膜24能够接触连接导线25的两端，导线25通过铁片26与自动更换滤膜装置17固定，并且导线25从自动更换滤膜装置17的桶身内部向外伸出，导线25伸出后连接位于自动更换滤膜装置17外部的阻抗测量电路27，阻抗测量电路27通过信号线控制器31。在桶身外部的正下方设置步进电机30，步进电机30通过控制线连接控制器31，由控制器31带动转动。步进电机30的输出轴向上伸入桶身内部固定连接垂直布置的十字架连接柱28的下端，载膜转盘19的正中间通过十字型槽有间隙地套在十字架连接柱28上，载膜转盘19能沿十字架连接柱28同轴上下滑动，同时当步进电机30旋转，通过十字架连接柱28带动载膜转盘19旋转。

检测开始时，控制器31给线圈18通上电，线圈18通电后，载膜转盘19被吸引至一定高度。一次检测结束，给线圈18断电，载膜转盘19由于重力作用，通过十字架连接柱28向下滑至底端，由控制器31控制步进电机30启动，十字架连接柱28带动载膜转盘19转动，将下一片待测导电滤膜24旋转至指定位置后，步进电机30停止转动。

PM2.5从PM2.5切割器11的出口进入自动更换滤膜装置17中，由第一个待测导电滤膜24吸附，通过阻抗测量电路27测量该测导电滤膜24，阻抗测量电路27将测量数据传送给计算机，计算机得出滤膜阻抗，并应用导电滤膜24的阻抗与滤膜上所吸附的PM2.5质量的关系模型得到所吸附的PM2.5的质量。

参见图2，有两根平行的推拉杆3，两根推拉杆3的上端固定连接把手4，两根推拉杆3的下端在微型泵1的桶身内部，一根推拉杆3的下端固定连接软质活塞5，另一根和硬质活塞6，软质活塞5位于硬质活塞6的侧下方，并且软质活塞5和硬质活塞6有局部上下紧密贴合在一起，软质活塞5和硬质活塞6的局部外壁与微型泵1的桶身内壁接触处密封，软质活塞5和硬质活塞6可沿接触微型泵1的桶身内壁上下。微型泵1的桶身内壁还涂有一层光滑材料涂层7，减小活塞上下运动时的阻力。

参见图3和图1，推拉杆3向下运动时，软质活塞5和硬质活塞6这两个活塞下方的压强远远大于活塞上方的压强，软质活塞5由于受到上下压强差而向上紧紧贴合硬质活塞6，如图3中的箭头所示，而硬质活塞6则并没有受到上下压强差的影响，空气由微型泵1出口被泵入PM.5切割器11中。

参见图4和图1，微型泵3向上运动时，软质活塞5和硬质活塞6这两个活塞下方的压强远远小于活塞上方的压强，软质活塞5由于受到上下压强差而向下脱离硬质活塞6，而硬质活塞6则并没有受到上下压强差的影响。空气由微型泵1外部泵入微型泵1的桶身内部。

参见图5，PM2.5切割器11的内部示意图。PM2.5切割器11的外部是壳体，在壳体内部上段的内壁上固定有水平的切割板14，切割板14的板面上开有一个孔隙12，孔隙12不在切割板14正中间，偏向一侧，在孔隙12的下方设有涂有硅胶的冲击板13。从PM2.5切割器11进口向下进入的气流，通过孔隙12后到达涂有硅胶的冲击板13上，受到冲击板13的阻挡呈曲线运动，由于各种颗粒的粒径不同，所以颗粒惯性存在差异，粒径较大的粒子动量大、惯性大，在曲线运动中有较大的概率被冲击板13上的硅胶捕获，粒径小的粒子被捕获的几率小或者直接随气流流出PM2.5切割器11出口，从而达到分离空气中PM2.5的目的。

参见图6和图1，载膜转盘19由上盘20和下底盘22组成，上盘20和下底盘22通过螺丝组装在一起。在上盘20的盘面上，沿圆周方向均匀开了n个上下贯通的圆形空心滤膜口21，滤膜口21的内径大小略小于导电滤膜24的外径。在下底盘22的盘面上，沿圆周方向均匀开了n个圆形凹槽23，这n个圆形凹槽23的位置与n个滤膜口21的位置上下一一对应，在每个圆形凹槽23上放置有一个圆形的导电滤膜24。导电滤膜24是在常规滤膜的基础上加上一层不锈钢丝网制成的，结合了常规滤膜吸附颗粒的功能和不锈钢丝网导电的功能，待测量的第一个导电滤膜24通过有导电功能的不锈钢丝网正好接触上图1中被铁片26固定住的导线25，不锈钢丝网加大了导线25与导电滤膜24的接触面积。

参见图7和图1，自动更换滤膜装置17的进口处通过半球形橡胶通道16连接导电滤膜24，半球形橡胶通道16的上端是管状通道，与PM2.5切割器11的出口固定相连接并相通，半球形橡胶通道16的下端是半球形通道，半球形通道位于待测量的一个导电滤膜24的正上方，并且尽量贴在待测量的第一个导电滤膜24上表面但不固定。

参见图8和图1，连接于载膜转盘19正中间的十字架连接柱28，其水平截面是十字型，其上端套在载膜转盘19中间所开有的十字型槽中，其下端中心通过连接件29与步进电机30的输出轴同轴固定相连。在控制器31控制线圈18通电时，载膜转盘19在磁场的作用被吸附，向上作运动，直至运动到十字架连接柱28的上端，此时，步进电机30不工作。在线圈18断电时，载膜转盘19由于重力，顺着十字架连接柱28向下滑至下端，此时，步进电机30在控制器31的控制下开始旋转一次，使载膜转盘19旋转36°，将下一片待测导电滤膜24旋转至第一片导电滤膜24的位置，此时，下一片待测导电滤膜24正好位于半球形橡胶通道16的正下方，并且下一片待测导电滤膜24与导线25相接触导通。在线圈18再次通电时，载膜转盘19被再次吸至十字架连接柱28的顶端，如此往复。

参见图1至图8，本发明基于微流控的便携式PM2.5检测装置在检测之前，利用阻抗测量电路27测得导电滤膜24未吸附PM2.5颗粒时的阻抗值，并将该阻抗值作为阻抗基准值A预设于控制器31中。

选择合适的交流电频率加在微型泵1上缠绕的线圈2上，控制器31控制线圈2通电，使得把手4进行周期性的上下运动，把手4向上运动时到达顶端，向下运动时到达底端，将空气泵入PM2.5切割器11中，线圈2持续通电3min后先自动断电停止，完成空气泵入。把手4每上下运动一次泵入的空气的体积为微型泵1的体积V，控制器31根据公式C=M/V和V=1/6πd³t可计算出当时当地空气中PM2.5的含量，其中V是一次泵入微型泵1的空气的体积，d是微型泵1的桶身内径，t是泵入空气的时长，C是空气中PM2.5的浓度，M是泵入空气中PM2.5的质量。导电滤膜24上所吸附的PM2.5质量与导电滤膜24的阻抗值存在一定的关系，在不同地点和不同时间段，通过阻抗测量电路27测量得到导电滤膜24所吸附的PM2.5质量，通过不同地点和不同时间的实验，得到多组导电滤膜24上所吸附的PM2.5质量与导电滤膜24的阻抗值的数据，将这多组数据进行数据拟合，建立了PM2.5质量和阻抗值的关系模型，并将关系模型预设于控制器31中。

阻抗测量电路27测得导电滤膜24阻抗的通用计算公式是：，其中，是由四点测量电压导出的四点阻抗，是由两点测量电压导出的两点阻抗，Ri是测量电路的内阻抗。

检测时，控制器31控制线圈2通电，把手4进行周期性的上下运动，将空气泵入PM2.5切割器11中，经过PM2.5切割器11中的孔隙12和涂有硅胶的冲击板13上，粒径小的粒子直接随气流流出PM2.5切割器11出口，从PM2.5切割器11中分离出空气中PM2.5，PM2.5向下进入自动更换滤膜装置17中。

同时，控制器31给线圈18通电，载膜转盘19向上作运动直至运动到十字架连接柱28的上端。同时，自动更换滤膜装置17中的PM2.5，经过半球形橡胶通道16，被半球形橡胶通道16正下方的待测量的一个导电滤膜24吸附。导电滤膜24的阻抗发生变化，阻抗测量电路27相应的参数也发生改变，阻抗测量电路27将参数输入控制器31中，得到此时该待测量的导电滤膜24的阻抗值。控制器31将此时待测量的导电滤膜24的阻抗值与阻抗基准值A做比较，判断该导电滤膜24阻抗是否发生变化，若发生改变，则根据PM2.5质量和阻抗值的关系模型得出第一个导电滤膜24上吸附的PM2.5的质量M,再根据公式C=M/V计算出第一个PM2.5浓度C，V是一次泵入微型泵1的空气的体积。

若没有发生改变，控制器31给线圈18断电，载膜转盘19沿十字架通道28向下滑落，控制器31控制步进电机30启动，旋转360°/n后自动停止，下一片导电滤膜24转至待测量位置，进行下次测量。然后控制器31重复又一次控制线圈2通电，进行下次测量。