一体集成式微型平板大气细粒子谱测量装置及其测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及大气环境细粒子检测技术领域，具体是一种一体集成式微型平板大气 细粒子谱测量装置及其测量方法。
【背景技术】
[0002] 近年来随着生活水平的不断上升，空气污染的不断恶化，人们逐渐把目光投向环 境污染这块，对公共健康日益关注，尤其是对大气环境中的颗粒物变得格外重视。虽然细颗 粒物只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。研 究表明，颗粒越小对人体健康的危害越大。同时细颗粒物能飘到较远的地方，影响范围较 大，因此在测量颗粒物浓度时有必要对颗粒物进行分级。
[0003] 目前国际上普遍采用光散射和空气动力学飞行时间测量相结合的方法来实现光 散射粒径或者空气动力学粒径的测量，如光学粒子计数器/空气动力学粒径谱分析仪，但都 很难测量粒径在300nm以下的大气细粒子。对于粒径在100nm以下的大气细粒子的粒径测 量，国际上主要通过带电粒子在电场中的电迀移特性，根据不同粒径的粒子电迀移率不同， 来实现粒径的分级。
[0004] 国际上传统的纳米级别的粒子分级仪器体积都比较庞大，分为好几个独立模块， 而且价格都比较昂贵，如德国Grimm公司的研发人员将电迀移扫描和法拉第杯微电流检测 相结合，设计了扫描电迀移率粒径谱仪(SMPS)+法拉第杯静电计(FCE)的组合测量系统，结 构复杂、体积庞大，不适宜移动污染源的检测；美国TSI公司设计了快速电迀移率粒径谱仪 (FMPS)，采用单极性电晕放电扩散荷电方式，通过使用多电场分级和多静电计并行测量的 方式，其中采用的单针尖式电晕放电，离化区范围窄，产生的自由离子数量少，影响了超细 颗粒物的荷电效率，而且荷电装置和DMA分级装置采用分体设计，难以一体屏蔽，降低了检 测的灵敏度。现有的这些技术一般都采用宏观的机械结构，对零件的加工装配提出了极高 的要求，同时一般都难以做到小型化和实时监测。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种一体集成式微型平板大气细粒子谱测量装置及其测 量方法，弥补现有细粒子谱测量技术的不足，尤其是解决现有测量设备体积庞大、不易携带 以及不能实时测量等问题。
[0006] 本发明的技术方案为：
[0007] -种一体集成式微型平板大气细粒子谱测量装置，包括单极性平板荷电模块、颗 粒物分级与反演模块和微电流检测与信号处理模块；
[0008] 所述单极性平板荷电模块包括相互平行且正对设置的第一上面板和第一下面板、 嵌入第一上面板中的若干绝缘块、设置在第一下面板内表面的荷电下电极、穿透绝缘块的 针尖、与针尖连接的单极性高压源以及设置在第一上面板和第一下面板前端的鞘气进气 P；
[0009]所述颗粒物分级与反演模块包括相互平行且正对设置的第二上面板和第二下面 板、调整第二上面板与第二下面板间距的中间垫片、设置在第二上面板和第二下面板前端 的声喷口、分别开设在第二上面板和第二下面板上且紧邻声喷口设置的对称样气进气口、 设置在第二上面板与第二下面板之间且位于对称样气进气口后侧的层流片、设置在第二上 面板内表面且位于层流片后侧的上分离电极、设置在第二下面板内表面且正对上分离电极 的下分尚电极、开设在下分尚电极上靠后位置处及第二下面板上对应位置处的分级样气出 气口、一体集成在第二下面板外表面且位于分级样气出气口处的法拉第杯、设置在法拉第 杯内部的第一敏感电极以及设置在法拉第杯内表面且与第一敏感电极电气连接的第二敏 感电极；
[0010]所述微电流检测与信号处理模块包括控制器、扫描电压模块、真空栗及其驱动模 块和微电流检测装置;所述控制器的输入端连接微电流检测装置的输出端，所述控制器的 输出端连接扫描电压模块和真空栗及其驱动模块的输入端，所述微电流检测装置的输入端 连接第二敏感电极，所述扫描电压模块的输出端连接上分离电极和下分离电极；
[0011]所述第二上面板的前端一体集成有第一斜板，所述第二下面板的前端一体集成有 第二斜板;所述第一斜板一体集成在第一上面板的后端，所述第二斜板一体集成在第一下 面板的后端;所述第二上面板与第二下面板的间距小于第一上面板与第一下面板的间距。 [0012]所述的一体集成式微型平板大气细粒子谱测量装置，所述第一上面板、第一下面 板、第二上面板、第二下面板、第一斜板和第二斜板均采用氧化铝陶瓷制备。
[0013] 所述的一体集成式微型平板大气细粒子谱测量装置，所述第一上面板和第一下面 板的外表面均涂刷有第一屏蔽电极，所述第二上面板、第二下面板、第一斜板和第二斜板的 外表面均涂刷有第二屏蔽电极，所述第一屏蔽电极和第二屏蔽电极均采用厚膜电极。
[0014] 所述的一体集成式微型平板大气细粒子谱测量装置，所述荷电下电极、上分离电 极、下分离电极和第二敏感电极均采用厚膜电极。
[0015] 所述的一体集成式微型平板大气细粒子谱测量装置，所述针尖呈阵列结构，所述 针尖由钨、铜或不锈钢制备，针尖曲率半径为10~500um，所述第二上面板与第二下面板的 间距为0.5~10mm;
[0016] 所述上分离电极与下分离电极之间构成扫描电场区域，所述扫描电场区域的长度 为10~100mm，宽度为10~50mm;
[0017] 所述第一敏感电极采用多孔金属板制备，所述多孔金属板采用泡沫金属材料制 备，其中所述泡沫金属材料的电阻率低于2.5Χ10- 8Ω ·Π !，包括银、紫铜、金，所述泡沫金属 材料的孔隙密度在20~120之间。
[0018] 所述的一体集成式微型平板大气细粒子谱测量装置，所述荷电下电极接地。
[0019]所述的一体集成式微型平板大气细粒子谱测量装置，所述上分离电极与第二敏感 电极之间构成抑制电场，抑制偏转至法拉第杯内的带电细粒子向扫描电场区域扩散。
[0020] 所述的一体集成式微型平板大气细粒子谱测量装置，所述微电流检测与信号处理 丰旲块还包括显不t旲块和存储t旲块，所述显不t旲块和存储t旲块的输入端连接控制器的输出 端。
[0021] 所述的一种一体集成式微型平板大气细粒子谱测量装置的测量方法，包括以下步 骤：
[0022] a、控制器通过真空栗及其驱动模块控制鞘气气流以一定的流速进入单极性平板 荷电模块，同时控制样气气流以一定的流速进入颗粒物分级与反演模块；
[0023] b、鞘气气流进入单极性平板荷电模块中由针尖通过电晕放电所产生的荷电区域， 与经针尖电晕放电产生的带电离子混合；
[0024] c、含有带电离子的鞘气气流经过声喷口时，牵引样气气流通过对称样气进气口进 入颗粒物分级与反演模块，样气气流与鞘气气流混合，样气气流中的细粒子与鞘气气流中 的带电离子发生碰撞，产生电荷转移，使样气气流中的细粒子带上电荷；
[0025] d、混合后的气流进入层流片，然后以层流状态进入上分离电极与下分离电极之间 构成的扫描电场区域，在一定的扫描电压下，气流中的带电细粒子在扫描电场区域发生电 迀移，只有一定粒径的带电细粒子被偏转至一体集成在第二下面板外表面且位于分级样气 出气口处的法拉第杯中；
[0026] e、上分离电极与第二敏感电极之间构成抑制电场，抑制偏转至法拉第杯