超声辅助流体中污染物高感度检测系统及其工作方法
【专利摘要】本发明公开了一种超声辅助流体中污染物高感度检测系统及其工作方法，包括超声换能器，所述的超声换能器上设有电极，在超声换能器表面固定设有声辐射板，声辐射板的下方设有反射板，在声辐射板与反射板之间形成辐射层，在辐射层处设有传感器，传感器通过信号处理转换装置与计算机相连接；在辐射层外左右两侧处对称设有激光放射装置与透射光接收装置，在辐射层的前方或后方设有散射光接收装置；激光放射装置、透射光接收装置及散射光接收装置均与控制及信息处理系统相连接；该系统利用超声波换能器共振产生的声学流、声辐射压和声学振动，不会破坏污染物成分，可成倍提高传感器和激光微细颗粒检测装置的检测精度，大幅降低提高检测精度的成本。
【专利说明】
超声辅助流体中污染物高感度检测系统及其工作方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种超声辅助流体中污染物高感度检测系统及其工作方法，特别是涉及一种基于超声换能器的超声振动及其产生的声学流和声辐射力聚集污染物原理，属于超声应用领域。
【背景技术】
[0002]随着工农业发展及机动车辆增加，空气与水污染日益严重。空气和水中污染物种类复杂，含有重金属、细菌、可吸入粉尘，农药和抗生素等。如何快速，经济的检测各种污染成分成为一个环境治理中的难题，迫切需要一种高效率、低成本、易实现和无污染的检测方法。
[0003]目前，已成熟的污染物检测传感器有半导体、电化学、光学等，其中半导体传感器寿命长，价格低廉，但一致性差，精度差。电化学传感器精度一般，寿命短。光学传感器精度高，但价格昂贵。通常，精度越高的传感器价格也越高，且是成倍增长。
[0004]因此，一种新的不改变传感器本身性能却能提高整个系统感度的技术对于检测技术提升、降低检测成本有着极其重要的意义。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是提供一种超声辅助流体中污染物高感度检测系统，该系统利用超声波换能器共振及其产生的声学流和声辐射压，不会破坏污染物成分，可成倍提高传感器和激光微细颗粒检测装置检测精度，大幅降低提高检测精度的成本。
[0006]本发明还提供了该超声辅助流体中污染物高感度检测系统的工作方法。
[0007]本发明所述的一种超声辅助流体中污染物高感度检测系统，包括超声换能器、声辐射板、反射板、传感器、信号处理转换装置、计算机、激光接收装置、激光放射装置以及控制及信息处理系统;所述的超声换能器上设有可施加激励电压的电极，在超声换能器表面固定设有用于增加励振范围的声辐射板，声辐射板的下方设有用于反射声波的反射板，在声辐射板与反射板之间形成辐射层，在辐射层处设有用于检测污染物的传感器，传感器通过信号处理转换装置与计算机相连接;在辐射层外左右两侧处对称设有激光放射装置与透射光接收装置，在辐射层的前方或后方设有散射光接收装置;激光放射装置、透射光接收装置及散射光接收装置均与控制及信息处理系统相连接，通过控制及信息处理系统接收信号，计算处理并保存数据。
[0008]进一步改进，所述的超声换能器为夹心式或贴片式结构，励振位置在声辐射板的中央位置或非中央位置。
[0009]进一步改进，所述声辐射板为圆形、矩形或圆罩形。
[0010]进一步改进，所述辐射层高度为O?10λ，λ为工作声场的波长。
[0011]进一步改进，所述声辐射板与反射板之间平行设置或呈角度设置。
[0012]进一步改进，所述传感器的种类和数量根据需要检测污染物种类不同而改变，传感器位置分布在聚集效果最强处。
[0013]进一步改进，所述传感器为单个或多个，同时检测多种污染物。
[0014]—种超声辅助流体中污染物高感度检测系统的工作方法，包括以下步骤:
[0015]I)将超声换能器用支架固定放置于被检测流体环境中；
[0016]2)对电极施加激励，超声换能器会产生与激励同频率振动，通过声辐射板传递此振动，在辐射层中产生声场，辐射层中的污染物受到由声场产生的声学流作用而运动并在固定区域聚集；
[0017]3)当检测实际污染物浓度时，将传感器放置在声学流动或声学振动效果最强位置检测污染物，然后，信号处理转换装置采集传感器中的感应信号并将信号转换为计算机所识别信号，传递给计算机，最后，计算机根据超声场中对应位置污染物检测浓度与实际污染物浓度比值公式P = Po/k计算出实际污染物浓度并显示结果，式中P为实际浓度，Po为检测浓度，k为检测浓度与实际浓度比值;在系数k校正与确定中，对于污染物浓度为η的气体样品，如感度为S的传感器的输出电压为V，则k = SV/n，给定激振条件，k值为常数；
[0018]4)当检测微颗粒浓度时，将激光发射装置置于其发射激光可穿过声场节平面的辐射层一侧的位置，在激光发射装置对应的一侧设置透射光接收装置，在辐射层的前方或后方设有散射光接收装置，然后，控制及信息处理系统控制激光发射装置发出激光穿过声场节平面，激光遇到声场节平面上的微颗粒后发生散射，透射光和散射光分别传播至透射光接收装置和散射光接收装置，透射光接收装置和散射光接收装置分别接收透射光和散射光后将数据再传输至控制及信息处理系统，控制及信息处理系统进行处理数据，根据散射光或透射光强度及角度计算出微颗粒浓度与粒径分布，再根据换算公式计算得出实际微颗粒浓度，计算公式同上。
[0019]本发明的工作原理在于:
[0020]首先，在所述超声换能器上施加激励电压，超声换能器产生共振，带动声福射板共振，在声辐射板与反射板之间形成超声场，利用超声场中的振动与声学流，驱动流体中污染物颗粒向传感器检测区域聚集，增强检测输出信号，从而提高系统感度，再经过信号处理及计算机换算处理得出空气中实际污染物浓度;然后，超声换能器上施加激励电压，超声换能器产生共振，带动声福射板共振，在声福射板与反射板之间形成超声场，利用声福射力使微细颗粒在声场节平面附近聚集，检测时激光穿过声场节平面附近区域，增强检测输出信号，从而增强激光微细颗粒检测装置感度。
[0021]本发明的有益效果在于:
[0022]本发明所述的超声辅助流体中污染物高感度检测系统在不更换传感器和不提高激光检测装置灵敏度的条件下，利用超声换能器振动产生的声学流、声辐射力和声学振动驱动污染物向固定区域聚集，提高系统检测精度;该系统通过超声换能器共振产生的声辐射力使微细颗粒在声场节平面附近聚集，增强激光微细颗粒检测装置检测区域微细颗粒浓度，提高激光微细颗粒检测装置感度;该系统利用超声换能器共振产生的声学流、声辐射压和声学振动，不会破坏流体中污染物成分;本发明装置结构简单易实现，无噪音，可小型化，可靠性好。
【附图说明】
[0023]图1为本发明实施例1的工作示意图；
[0024]图2为本发明实施例2的工作示意图。
[0025]其中:1.超声换能器2.电极3.声福射板4.福射层5.反射板6.传感器7.信号转换装置8.计算机9.激光发射装置10.透射光接收装置11.控制及信息处理系统12.声场节平面13.散射光接收装置
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图对本发明作进一步的详细说明:
[0027]如图1-2所示，一种超声辅助空气污染物高感度检测系统，具体结构如下，包括超声换能器1、声辐射板3、反射板5、传感器6、信号处理转换装置7、计算机8、激光放射装置9、透射光接收装置10、控制及信息处理系统11以及散射光接收装置13;所述的超声换能器I上设有可施加激励电压的电极2，在超声换能器表面固定设有用于放大励振的声辐射板，声辐射板的下方设有用于反射声波的反射板5，在声辐射板3与反射板5之间形成辐射层4，在辐射层处设有用于检测污染物的传感器6，传感器6通过信号处理转换装置7与计算机8相连接;在辐射层4左右两边处对称设有激光放射装置9与透射光接收装置10;在辐射层的前方或后方也设有散射光接收装置13;激光放射装置9、透射光接收装置10与散射光接收装置13均与控制及信息处理系统11相连接，通过控制及信息处理系统接收信号，计算处理并保存数据;其中，控制及信息处理系统是对激光信号接收、计算处理、保存的一个整体系统的概括。
[0028]—种超声辅助流体中污染物高感度检测系统的工作方法，包括以下步骤:
[0029]I)将超声换能器用支架固定放置于流体环境中；
[0030]2)对电极施加激励，超声换能器会产生与激励同频率振动，通过声辐射板放大并传递此振动，在辐射层中产生声场，辐射层中的污染物受到由声场产生的声学流作用而运动并在固定区域聚集；
[0031]3)当检测实际污染物浓度时，将传感器放置在声学流动或声学振动效果最强位置检测污染物，然后，信号处理转换装置采集传感器中的感应信号并将信号转换为计算机所识别信号，传递给计算机，最后，计算机根据超声场中对应位置污染物检测浓度与实际污染物浓度比值公式P = Po/k计算出实际污染物浓度并显示结果，式中P为实际浓度，Po为检测浓度，k为检测浓度与实际浓度比值;在系数k校正与确定中，对于污染物浓度为η的气体样品，如感度为S的传感器的输出电压为V，Mk = SV/n，给定激振条件，k值为常数；
[0032]4)当检测微颗粒浓度时，将激光发射装置置于其发射激光可穿过声场节平面的辐射层一侧的位置，在激光发射装置对应的一侧设置透射光接收装置，在辐射层的前方或后方设有散射光接收装置，然后，控制及信息处理系统控制激光发射装置发出激光穿过声场节平面，激光遇到声场节平面上的微颗粒后发生散射，透射光和散射光分别传播至透射光接收装置和散射光接收装置，透射光接收装置和散射光接收装置分别接收透射光和散射光后将数据再传输至控制及信息处理系统，控制及信息处理系统进行处理数据，根据散射光强度及角度计算出微颗粒浓度，再根据换算公式计算得出实际微颗粒浓度，计算公式同上。
[0033]实施例1:
[0034]参照图1，将超声换能器I用支架固定放置于空气环境中，当对电极2施加激励时，超声换能器I会产生与激励同频率振动，通过声辐射板3放大并传递此振动，在辐射层4中产生声场，辐射层中的污染物受到由声场及其产生的声学流和声学振动作用而运动，在固定区域聚集，传感器6放置在声学流和声学振动效果最强位置检测污染物，然后，信号处理转换装置7采集传感器6中的感应信号并将信号转换为计算机所识别信号，传递给计算机8，最后，计算机8根据超声场中对应位置污染物检测浓度与实际污染物浓度比值公P = Po/k式计算出实际污染物浓度并显示结果；比值公式中P为实际浓度，Po为检测浓度，k为检测浓度与实际浓度比值，k为检测浓度与实际浓度比值;在系数k矫正与确定中，对于污染物浓度为η的气体样品，如感度为S的传感器的输出电压为V，则k = SV/n，给定激励频率、幅值和辐射层尺寸，k值为常数;例如，当激振频率56kHz，传感器与换能器距离6mm，传感器对应换能器中央位置时k值为6，测得空气中某污染物含量为0.48mg/m3，其实际含量0.48/6 = 0.08mg/m3。
[0035]实施例2:
[0036]参照图2，将超声换能器I用支架固定放置于空气环境中，当对电极2施加激励时，超声换能器I会产生与激励同频率振动，通过声辐射板3放大并传递此振动，在辐射层4中产生声场并形成声场节平面12，辐射层4中微细颗粒在声辐射力作用下在声场节平面12附近聚集，再将激光发射装置9置于其发射激光可穿过声场节平面12的辐射层4 一侧的位置，在激光发射装置9对应的一侧设置透射光接收装置10，在辐射层的前方或后方设置散射光接收装置13，然后，控制及信息处理系统11控制激光发射装置9发出激光穿过声场节平面12，激光遇到声场节平面12上的微颗粒后发生散射，产生散射光，穿过辐射层的激光形成透射光，节平面附近聚集的微细颗粒，会减弱透射光的强度，透射光和散射光分别传播至透射光接收装置10和散射光接收装置13，透射光接收装置10和散射光接收装置13分别接收透射光和散射光后将数据再传输至控制及信息处理系统11，控制及信息处理系统11进行处理数据，根据散射光或透射光强度计算出微颗粒浓度，再根据换算公式计算得出实际微颗粒浓度，计算公式同上，当激振频率43kHz，福射板与反射板距离5mm时，激光传穿过节平面，Ml为8，测得空气PMlO含量为14yg/m3时，其实际含量为14/8= 1.75yg/m3。
[0037]当换能器驱动频率、电压、结构以及声辐射板位置、数量、形状改变时，辐射层中产生的声学流与声辐射力会发生变化，聚集的污染物种类、数量及位置会发生相应变化，此时更换传感器类型，改变传感器及激光微细颗粒检测装置摆放位置可测量不同污染物参数；以上方法可用于针对不同环境、不同污染物种类使用；本系统可用于实验室等少量污染物检测，也可用于户外、工厂等大空间空气污染物检测，本系统也可用于检测液体中和其他气体中的污染物浓度。
[0038]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种超声辅助流体中污染物高感度检测系统，其特征在于:包括超声换能器、声辐射板、反射板、传感器、信号处理转换装置、计算机、激光放射装置、透射光接收装置、散射光接收装置以及控制及信息处理系统;所述的超声换能器上设有可施加激励电压的电极，在超声换能器表面固定设有用于增加励振范围的声辐射板，声辐射板的下方设有用于反射声波的反射板，在声辐射板与反射板之间形成辐射层，在辐射层处设有用于检测污染物的传感器，传感器通过信号处理转换装置与计算机相连接;在辐射层外左右两侧处对称设有激光放射装置与透射光接收装置，在辐射层的前方或后方设有散射光接收装置;激光放射装置、透射光接收装置及散射光接收装置均与控制及信息处理系统相连接，通过控制及信息处理系统接收信号，计算处理并保存数据。2.根据权利要求1所述的超声辅助流体中污染物高感度检测系统，其特征在于:所述的超声换能器为夹心式或贴片式结构。3.根据权利要求1所述的超声辅助流体中污染物高感度检测系统，其特征在于:所述声辐射板为圆形、矩形或圆罩形。4.根据权利要求1所述的超声辅助流体中污染物高感度检测系统，其特征在于:所述辐射层高度为O?10λ，λ为工作声场的波长。5.根据权利要求1所述的超声辅助流体中污染物高感度检测系统，其特征在于:所述声辐射板与反射板之间平行设置或呈角度设置。6.根据权利要求1所述的超声辅助流体中污染物高感度检测系统，其特征在于:所述传感器的种类和数量根据需要检测污染物种类不同而改变，传感器位置分布在聚集效果最强处或声学流效果最强处。7.根据权利要求1所述的超声辅助流体中污染物高感度检测系统，其特征在于:所述传感器为单个或多个。8.—种如权利要求1-7所述的超声辅助流体中污染物高感度检测系统的工作方法，其特征在于:包括以下步骤: 1)将超声换能器用支架固定放置于流体环境中； 2)对电极施加激励，超声换能器会产生与激励同频率振动，通过声辐射板传递此振动，在辐射层中产生声场，辐射层中的污染物受到由声场产生的声学流作用而运动并在固定区域聚集； 3)当检测实际污染物浓度时，将传感器放置在声学流动或声学振动效果最强位置检测污染物，然后，信号处理转换装置采集传感器中的感应信号并将信号转换为计算机所识别信号，传递给计算机，最后，计算机根据超声场中对应位置污染物检测浓度与实际污染P =Po/k物浓度比值公式计算出实际污染物浓度并显示结果，式中P为实际浓度，PO为检测浓度，k为检测浓度与实际浓度比值;在系数k校正与确定中，对于污染物浓度为η的气体样品，如感度为S的传感器的输出电压为V，则k = SV/n，给定激振条件，k值为常数； 4)当检测微颗粒浓度时，将激光发射装置置于其发射激光可穿过声场节平面的辐射层一侧的位置，在激光发射装置对应的一侧设置透射光接收装置，在辐射层的前方或后方设有散射光接收装置，然后，控制及信息处理系统控制激光发射装置发出激光穿过声场节平面，激光遇到声场节平面上的微颗粒后发生散射，透射光和散射光分别传播至透射光接收装置和散射光接收装置，透射光接收装置和散射光接收装置分别接收透射光和散射光后将数据再传输至控制及信息处理系统，控制及信息处理系统进行处理数据，根据散射光强度及角度计算出微颗粒浓度，再根据换算公式计算得出实际微颗粒浓度，计算公式同上。
【文档编号】G01N15/02GK105891416SQ201610197356
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年3月31日
【发明人】胡俊辉, 苏松飞, 彭榆善, 钟思恒
【申请人】南京航空航天大学