专利名称：一种空气动力学粒径谱仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及空气质量检测领域，具体而言，涉及一种空气动力学粒径谱仪。
背景技术：
在大气中，污染物多是附着于气溶胶颗粒的表面上的，气溶胶的粒径一般为O. 001-100微米，人们发现，空气动力学直径在50微米以上范围的粒子由于重力原因无法进入人的呼吸道，10-50微米范围内的粒子只能进入鼻咽部，2. 5-10微米范围内的颗粒通常能进入支气管，2. 5微米以下的颗粒有80%能进入人体的肺泡中。有报道指出，10微米以下特别是2. 5微米以下的颗粒是引起呼吸道疾病传播和肺部疾病的主要原因之一。为了预防PMlO颗粒对人体的伤害，国内外许多国家先后建立了 PMlO的标准，特别是美国等一些发 达国家从1997年就开始实行PM2. 5标准，我国目前也在积极准备实行PM2. 5标准，在颗粒物检测方面与国际接轨，因此开发研制检测PM2. 5颗粒的仪器十分急迫。目前，国内外普遍使用检测PMlO和PM2. 5颗粒的仪器主要有β射线法和微量震荡天平法，这两种检测方法首先都需要进行分级采样，由于颗粒大小不同而具有不同的动量，因此较小的颗粒更容易改变运动轨迹随气流绕过撞击板到达过滤材料，从而进行10微米或2. 5微米颗粒的分离收集，将在过滤材料上截留的颗粒称量、分析就可以获得反映空气质量的PMlO或ΡΜ2. 5的数据。该类方法存在的问题是首先，由于这两种方法需要预先对PMlO或ΡΜ2. 5的颗粒进行收集，因此需要将首先需要经过粒子分离采集装置，而该类装置或多或少都会存在粒子反弹和粒子回流的现象使得粒子存在着损耗，影响测试精度。其次，需要将粒子沉积一定量之后才能进行检测，因此检测速度较慢不能实现实时检测，对一些突发的事件不能及时获得信息。此外，除了以上两种检测方法外，人们常使用光散射装置来测试颗粒物，将颗粒物通过激光束后产生散射光，从而在光探测器上获得颗粒物粒径、浓度等特性，该类装置存在的问题是，由于其仅依靠光散射强度来测量颗粒大小，受粒子形状、散射角度等因素的影响，测量的精度存在较大的误差。
实用新型内容本实用新型提供一种空气动力学粒径谱仪，用以实时在线检测空气中气溶胶粒子的空气动力学直径和浓度，获得O. 5-20微米粒子的粒子浓度谱图，同时获得包含ΡΜ2. 5和PMlO在内的颗粒物质量浓度谱图。为达到上述目的，本实用新型提供了一种空气动力学粒径谱仪，其包括样流进样装置，其一端采集环境空气，并通过另一端将采集的环境空气样流输送至与其相连的粒子束准直加速喷口；粒子束准直加速喷口及与其相连的壳流装置，壳流装置提供净化气流进入粒子束准直加速喷口中，形成环流将环境空气样流包裹使其中的粒子束准直，环境空气样流中的粒子束在粒子束准直加速喷口中被加速，使不同粒径的粒子产生不同的运动速度，形成粒子束通道；光束聚焦整形装置，将650nm红光激光光束进行整形形成两束相邻的光束后聚焦到粒子束通道上，粒子束通道中以不同速度飞行的粒子分别垂直经过相邻的两束光后先后产生两束散射光；光电探测器，探测不同粒子产生的两束散射光并形成双峰信号，根据双峰信号两相邻峰值之间的差值得到不同粒子经过两束相邻的光束的飞行时间；信号检测和处理模块，与光电探测器相连接，分别对相同飞行时间的粒子个数进行统计，得到不同粒径粒子的粒子浓度；以及微控和显示模块，与信号检测和处理模块相连接，将检测得到的粒子飞行时间与预先测得的标准粒径粒子的飞行时间表进行对比，得到环境空气样流中不同粒子的空气动力学直径Dp，并结合不同粒径粒子的粒子浓度，得到并显示不同粒径大小的粒子浓度图谱， 同时将测得的不同粒子的空气动力学直径Dp换算为体积，然后乘以粒子平均密度P得到ΡΜ0. 5-PM20范围内的52组粒子质量，其中空气动力学直径Dp与粒子质量一一对应；再将粒子质量与粒子浓度相乘后的结果与修正因子K相乘得到质量浓度谱图，将2. 5微米以下的单粒径质量浓度求和得到PM2. 5，将10微米以下的单粒径质量浓度求和得到PM10，并输出显示PM2. 5和PMlO。较佳的，光电探测器包括非球面椭球镜和光电探测器，其中非球面椭球镜具有一对共轭点，一共轭点置于光束焦点，另一共轭点置于光电探测器的光敏面上，粒子束通道中的粒子经焦点产生的散射光经非球面椭球镜反射后聚焦在光电探测器的光敏面上。较佳的，光电探测器中设置有恒温装置。较佳的，壳流装置内设有高效粒子过滤器，将过滤后的清洁气体送入粒子束准直加速喷口中。较佳的，信号检测与处理模块还包括无效粒子和重合粒子鉴别电路，判别并排除直径大于20微米的无效粒子或重合粒子的信号。较佳的，壳流装置上设置有第一气流输送控制单元，用于为壳流装置向粒子束准直加速喷口输送清洁气体提供动力，并控制清洁气体的流量。较佳的，样流进样装置内设置有第二气流输送控制单元，用于为样流进样装置输送环境空气样流提供动力，并控制环境空气样流的流量。较佳的，微控和显示模块还用于接受用户对数据统计时间的设置，以获得某一时刻或一段时间范围内的PM2. 5和PMlO。从上述实施例可以看出，本实用新型至少具有以下优点I、与传统称重法相比，本实用新型采用飞行时间测量空气动力学直径，无需前级粒径切割采样，避免了粒子损耗，灵敏度较高，且检测准确度较高。2、本实用新型可实现实时信息采集、分析，快速获得空气质量浓度谱图，并可自行设定数据统计时间，获得某一时刻或一段时间范围内的PM2. 5和PM10。
[0025]为了更清楚地说明本实用新型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，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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。图I为本实用新型一实施例的空气动力学粒径谱仪示意图；图2为本实用新型一实施例的实测环境空气质量浓度谱图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下
所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。图I为本实用新型一实施例的空气动力学粒径谱仪示意图；如图所示，该空气动力学粒径谱仪包括样流进样装置101，其一端采集环境空气，并通过另一端将采集的环境空气样流输送至与其相连的粒子束准直加速喷口 102 ；粒子束准直加速喷口 102及与其相连的壳流装置103，壳流装置103提供净化气流进入粒子束准直加速喷口 102中，形成环流将环境空气样流包裹使其中的粒子束准直，环境空气样流中的粒子束在粒子束准直加速喷口 102中被加速，使不同粒径的粒子产生不同的运动速度，形成粒子束通道；光束聚焦整形装置104，将650nm红光激光光束进行整形形成两束相邻的光束后聚焦到粒子束通道上，粒子束通道中以不同速度飞行的粒子分别垂直经过相邻的两束光后先后产生两束散射光；光电探测器105，探测不同粒子产生的两束散射光并形成双峰信号，根据双峰信号两相邻峰值之间的差值得到不同粒子经过两束相邻的光束的飞行时间；信号检测和处理模块106，与光电探测器105相连接，分别对相同飞行时间的粒子个数进行统计，得到不同粒径粒子的粒子浓度；以及微控和显示模块107，与信号检测和处理模块106相连接，将检测得到的粒子飞行时间与预先测得的标准粒径粒子的飞行时间表进行对比，得到环境空气样流中不同粒子的空气动力学直径Dp，并结合不同粒径粒子的粒子浓度，得到并显示不同粒径大小的粒子浓度图谱，同时将测得的不同粒子的空气动力学直径Dp换算为体积，然后乘以粒子平均密度P得到PMO. 5-PM20范围内的52组粒子质量，其中空气动力学直径Dp与粒子质量一一对应；再将粒子质量与粒子浓度相乘后的结果与修正因子K相乘得到质量浓度谱图，将2. 5微米以下的单粒径质量浓度求和得到PM2. 5，将10微米以下的单粒径质量浓度求和得到PM10，并输出显示PM2. 5和PM10，其中，K为常数(由于不同地区大气本底不同，上文所取的粒子平均密度P为经验值，对于不同地区使用同一 P值计算所得结果不准确，因此需要进行本底实验获得修正因子K以对测试结果进行修正获得准确结果)。此外，微控和显示模块还可实现对激光器输出功率、流量泵(设置在样流进样装置内控制空气样流的流速)启停以及光电探测器高压的控制。激光器与光电探测器为半导体器件，当长时间运行后会使激光器输出能量或光电探测器探测效率降低，因此需要对其参数进行设置，以使激光器输出能量和光电探测器探测效率保持一致，确保测试结果准确。图2为本实用新型一实施例的实测环境空气质量浓度谱图。在图2中，横轴表示粒径(μ m)，纵轴表示质量浓度(mg/m3)，空心柱体表示单粒径的质量浓度，黑色主体表示PM颗粒的质量浓度，其中包含有PM2. 5和PM10，由图中可以看出质量浓度集中在大粒径处，其PM2. 5和PMlO与空气质量报告基本相同。例如，光电探测器包括非球面椭球镜和光电探测器，其中非球面椭球镜具有一对共轭点，一共轭点置于光束焦点，另一共轭点置于光电探测器的光敏面上，粒子束通道中的粒子经焦点产生的散射光经非球面椭球镜反射后聚焦在光电探测器的光敏面上。例如，光电探测器中设置有恒温装置。恒温装置可将温度控制在±0. 1°C，降低了光电探测器受温度的影响，提高了仪器的稳定性。例如，在图I的实施例中，壳流装置103内设有高效粒子过滤器1031，将过滤后的清洁气体送入粒子束准直加速喷口中。例如，信号检测与处理模块还包括无效粒子和重合粒子鉴别电路，判别并排除直径大于20微米的无效粒子或重合粒子的信号。例如，壳流装置上设置有第一气流输送控制单元，用于为壳流装置向粒子束准直加速喷口输送清洁气体提供动力，并控制清洁气体的流量，如壳流装置流量控制在4L，精度在 ±10%。例如，样流进样装置内设置有第二气流输送控制单元，用于为样流进样装置输送环境空气样流提供动力，并控制环境空气样流的流量，如流量控制在5L，精度在±10%。例如，微控和显示模块还用于接受用户对数据统计时间的设置，以获得某一时刻或一段时间范围内的PM2. 5和PMlO。从上述实施例可以看出，本实用新型至少具有以下优点I、与传统称重法相比，本实用新型采用飞行时间测量空气动力学直径无需前级粒径切割采样，避免了粒子损耗，灵敏度较高，且检测准确度较高。2、本实用新型可实现实时信息采集、分析，快速获得空气质量浓度谱图，并可自行设定数据统计时间，获得某一时刻或一段时间范围内的PM2. 5和PM10。本领域普通技术人员可以理解附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本实用新型所必须的。本领域普通技术人员可以理解实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。最后应说明的是以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围。
权利要求1.一种空气动力学粒径谱仪，其特征在于，包括 样流进样装置，其一端采集环境空气，并通过另一端将采集的环境空气样流输送至与其相连的粒子束准直加速喷口； 所述粒子束准直加速喷口及与其相连的壳流装置，所述壳流装置提供净化气流进入所述粒子束准直加速喷口中，形成环流将环境空气样流包裹使其中的粒子束准直，环境空气样流中的粒子束在所述粒子束准直加速喷口中被加速，使不同粒径的粒子产生不同的运动速度，形成粒子束通道； 光束聚焦整形装置，将650nm红光激光光束进行整形形成两束相邻的光束后聚焦到粒子束通道上，粒子束通道中以不同速度飞行的粒子分别垂直经过相邻的两束光后先后产生两束散射光； 光电探测器，探测不同粒子产生的两束散射光并形成双峰信号，根据双峰信号两相邻峰值之间的差值得到不同粒子经过两束相邻的光束的飞行时间； 信号检测和处理模块，与所述光电探测器相连接；以及 微控和显示模块，与所述信号检测和处理模块相连接。
2.根据权利要求I所述的空气动力学粒径谱仪，其特征在于，所述光电探测器包括非球面椭球镜和光电探测器，其中 所述非球面椭球镜具有一对共轭点，一共轭点置于光束焦点，另一共轭点置于所述光电探测器的光敏面上，粒子束通道中的粒子经焦点产生的散射光经非球面椭球镜反射后聚焦在所述光电探测器的光敏面上。
3.根据权利要求2所述的空气动力学粒径谱仪，其特征在于，所述光电探测器中设置有恒温装置。
4.根据权利要求I所述的空气动力学粒径谱仪，其特征在于，所述壳流装置内设有高效粒子过滤器，将过滤后的清洁气体送入所述粒子束准直加速喷口中。
5.根据权利要求I所述的空气动力学粒径谱仪，其特征在于，所述信号检测与处理模块还包括 无效粒子和重合粒子鉴别电路，判别并排除直径大于20微米的无效粒子或重合粒子的信号。
6.根据权利要求I所述的空气动力学粒径谱仪，其特征在于，所述壳流装置上设置有第一气流输送控制单元，用于为所述壳流装置向所述粒子束准直加速喷口输送清洁气体提供动力，并控制清洁气体的流量。
7.根据权利要求I所述的空气动力学粒径谱仪，其特征在于，所述样流进样装置内设置有第二气流输送控制单元，用于为所述样流进样装置输送环境空气样流提供动力，并控制环境空气样流的流量。
专利摘要本实用新型公开了一种空气动力学粒径谱仪，其包括样流进样装置、粒子束准直加速喷口、壳流装置、光束聚焦整形装置、光电探测器、信号检测和处理模块和微控和显示模块，本实用新型采用飞行时间测量空气动力学直径，无需前级粒径切割采样，避免了粒子损耗，灵敏度较高，且检测准确度较高。
文档编号G01N15/06GK202583034SQ201220095780
公开日2012年12月5日 申请日期2012年3月14日 优先权日2012年3月14日
发明者刘毅, 刘航, 刘强, 张晓清, 宁海波, 刘爱明, 吕云峰 申请人:北京汇丰隆生物科技发展有限公司