《空氣粒子檢測裝置》是北京漢王藍天科技有限公司於2014年10月16日申請的專利，該專利的公布號為CN104749075A，申請號為2014105503312，授權公布日為2015年7月1日，發明人是王林。
《空氣粒子檢測裝置》涉及空氣粒子檢測裝置和空氣粒子檢測方法。該空氣粒子檢測裝置包括：空氣入口（5）；風道，為空氣從空氣入口（5）進入後的流動通道；該風道被設定為至少包括沿第一方向延伸的第一風道和沿第二方向延伸的第二風道；雷射光源（8），其用於對流經風道的空氣進行雷射照射；光學感測器（7），其設定在風道中，用於檢測由雷射照射空氣所產生的散射光，並將光信號轉換為電信號；空氣出口（6）；風扇（17），其設定在空氣出口（6）側，用於將空氣吸入和排出該空氣粒子檢測裝置；控制部，其通過對光學感測器（7）傳送來的電信號進行處理來檢測空氣中的粒子的質量濃度。
2018年12月20日，《空氣粒子檢測裝置》獲得第二十屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《空氣粒子檢測裝置》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：空氣粒子檢測裝置
- 公布號：CN104749075A
- 授權日：2015年7月1日
- 申請號：2014105503312
- 申請日：2014年10月16日
- 申請人：北京漢王藍天科技有限公司
- 地址：北京市海淀區東北旺西路8號5號樓3層322室
- 發明人：王林
- Int.Cl.：G01N15/06(2006.01)I
- 代理機構：北京瑞盟智慧財產權代理有限公司
- 代理人：劉昕
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
隨著工業的飛速發展，全球空氣品質正在不斷劣化。空氣中的各種粒子很多都是對健康有害的。因此市場上出現了很多對空氣粒子進行檢測的裝置。尤其是因為備受關注的PM2.5使人們更加重視空氣品質對於健康的影響，市場上出現了很多種PM2.5粒子檢測儀，空氣檢測儀技術得到快速發展和廣泛套用。
2014年10月之前的常規空氣檢測儀主要有以下兩種：
1、光散射計數式。通過散射光，計算出空氣中粒子數目，乘以比例係數得到質量濃度。這種方法獲得結果較快，但在當空氣中粒子種類、性質、工藝流程等條件有變化時，必須進行LD98-1996第6.4條規定的K值的重新測定，而這一重新測定往往需要數小時之久。
2、濾膜稱重式。即使一定體積的空氣通過已知質量的濾膜，懸浮於空氣中的顆粒物被阻留在濾膜上，根據濾膜增加的質量和通過濾膜空氣的體積，確定空氣中總懸浮顆粒物的質量濃度。但是這種採樣方法需要一定的空氣通過濾膜的時間。在採樣的過程中，空氣的顆粒也因為採樣而減少造成檢測的誤差。同時在使用一段時間後，消費者必須對濾膜進行清潔或更換。
發明內容
專利目的
《空氣粒子檢測裝置》的目的是克服以上兩種產品技術的缺陷，能夠快速、實時地得出空氣中粒子質量濃度，並且在空氣中粒子種類、性質、工藝流程等條件有變化時，無需進行LD98-1996第6.4條規定的K值的重新測定，填補了空氣粒子檢測領域上對空氣粒子實時、高精度、一致性檢測的空白。
技術方案
《空氣粒子檢測裝置》的一方面提供了一種空氣粒子檢測裝置，包括：空氣入口；風道，為空氣從空氣入口進入後的流動通道；該風道被設定為包括沿第一方向延伸的第一風道和沿第二方向延伸的第二風道所述第一風道為由隔板Ⅰ和隔板Ⅱ構成的窄風道，所述第二風道為由隔板Ⅱ、隔板Ⅲ和塑膠筋形成的寬風道，所述第一方向與所述第二方向有角度偏移；雷射光源，其用於對流經風道的空氣進行雷射照射；光學感測器，其設定在第二風道中，用於檢測由雷射照射空氣所產生的散射光，並將光信號轉換為電信號；空氣出口；風扇，其設定在空氣出口側，用於將空氣吸入和排出該空氣粒子檢測裝置；控制部，其通過對光學感測器傳送來的電信號進行處理來檢測空氣中的粒子的質量濃度，其中所述第一風道位於所述空氣入口附近，所述第二風道與所述雷射光源的照射區域相對應，所述第一風道和所述第二風道的連線處形成有彎口，從所述彎口出來的空氣被所述雷射光源照射，所述第一風道與所述第二風道的橫截面積不同；所述彎口由隔板Ⅳ和隔板Ⅴ構成，其中隔板Ⅳ與隔板Ⅰ相連，隔板Ⅴ與隔板Ⅱ相連。
優選的是，所述控制部根據包含在所述電信號中的脈衝數量來確定粒子個數，根據脈衝峰值強度來確定粒徑，並根據脈衝寬度和所得的粒徑來得到粒子質量，其中，光脈衝峰值強度＝k1*R，R為粒子半徑，光脈衝寬度＝k2*M/R，M為粒子質量，由標準粒子發生器產生質量和半徑已知的粒子，讓粒子通過光路測量光脈衝的寬度和峰值強度，從而確定k1和k2。
優選的是，所述雷射光源照射方向與第二風道垂直。
優選的是，《空氣粒子檢測裝置》的空氣粒子檢測裝置還包括供電單元，用於對所述風扇、所述雷射光源、所述光學感測器、所述控制器進行供電。
優選的是，《空氣粒子檢測裝置》的空氣粒子檢測裝置還包括顯示單元，用於顯示檢測到的粒子的質量濃度。
優選的是，所述控制部根據所述光學感測器傳送的電信號來控制所述雷射光源、所述風扇和所述顯示單元。
附圖說明
圖1是根據《空氣粒子檢測裝置》第一實施方式的空氣粒子檢測裝置的立體圖；
圖2是沿著圖1的3-3線切開的分解圖，示出了空氣粒子檢測裝置的內部結構；
圖3是沿著圖1的3-3線截取的截面圖；
圖4是根據《空氣粒子檢測裝置》第一實施方式的空氣粒子檢測裝置的電路結構圖；
圖5是示出當粒子通過光路時，其反射光所產生的光脈衝波形。
技術領域
《空氣粒子檢測裝置》總體上涉及空氣粒子檢測，具體地涉及一種利用雷射散射法來進行粒子濃度分析的空氣粒子檢測裝置。
權利要求
1.一種空氣粒子檢測裝置，包括：空氣入口（5）；風道，為空氣從空氣入口（5）進入後的流動通道；該風道被設定為包括沿第一方向延伸的第一風道和沿第二方向延伸的第二風道，所述第一風道為由隔板Ⅰ（11）和隔板Ⅱ（14）構成的窄風道，所述第二風道為由隔板Ⅱ（14）、隔板Ⅲ（15）和塑膠筋（16）形成的寬風道，所述第一方向與所述第二方向有角度偏移；雷射光源（8），其用於對流經風道的空氣進行雷射照射；光學感測器（7），其設定在所述第二風道中，用於檢測由雷射照射空氣所產生的散射光，並將光信號轉換為電信號；空氣出口（6）；風扇（17），其設定在空氣出口（6）側，用於將空氣吸入和排出該空氣粒子檢測裝置；控制部，其通過對光學感測器（7）傳送來的電信號進行處理來檢測空氣中的粒子的質量濃度，其中所述第一風道位於所述空氣入口（5）附近，所述第二風道與所述雷射光源（8）的照射區域相對應，所述第一風道和所述第二風道的連線處形成有彎口，從所述彎口出來的空氣被所述雷射光源（8）照射，所述第一風道與所述第二風道的橫截面積不同；所述彎口由隔板Ⅳ（12）和隔板Ⅴ（13）構成，其中隔板Ⅳ（12）與隔板Ⅰ（11）相連，隔板Ⅴ（13）與隔板Ⅱ（14）相連。
2.根據權利要求1所述的空氣粒子檢測裝置，其中所述控制部根據包含在所述電信號中的脈衝數量來確定粒子個數，根據脈衝峰值強度來確定粒徑，並根據脈衝寬度和所得的粒徑來得到粒子質量，其中，光脈衝峰值強度＝k1*R，R為粒子半徑，光脈衝寬度＝k2*M/R，M為粒子質量，由標準粒子發生器產生質量和半徑已知的粒子，讓粒子通過光路測量光脈衝的寬度和峰值強度，從而確定k1和k2。
3.根據權利要求1所述的空氣粒子檢測裝置，其中，所述雷射光源（8）的照射方向與所述第二風道垂直。
4.根據權利要求1-3中任意一項所述的空氣粒子檢測裝置，還包括供電單元（18），用於對所述風扇（17）、所述雷射光源（8）、所述光學感測器（7）、所述控制器進行供電。
5.根據權利要求1-3中任意一項所述的空氣粒子檢測裝置，還包括顯示單元（1），用於顯示檢測到的粒子的質量濃度。
6.根據權利要求5所述的空氣粒子檢測裝置，其中，所述控制部根據所述光學感測器（7）傳送的電信號來控制所述雷射光源（8）、所述風扇（17）和所述顯示單元（1）。
實施方式
下面結合附圖詳細說明《空氣粒子檢測裝置》的實施方式。在所有附圖中，相同標號表示相同元件，並省略其重複說明。
（1）工作原理
《空氣粒子檢測裝置》採用了雷射照射大氣中的細顆粒物來進行檢測的技術，通過雷射對空氣中的顆粒進行照射，使高精密的光學感測器能對粒子的粒徑、反光強度等信息進行檢測，達到了高精度捕獲粒子運動狀態、體積、質量等信息，具有精度高、實時性好、操作簡單等優勢，具有解決了國內相關領域低成本高精度實時檢測的問題的意義。
氣體對流系統使外界空氣以均勻速度通過風道。風道中設有高精度光學感測器以獲得粒子的反光強度信息。反光強度信息可用於確定粒徑。
風道採用特殊設計，使粒子的速度向量與質量負相關，質量越大的粒子在空氣中運動的速度越慢，所以稱反比關係即負相關。從而由速度向量得到粒子質量信息。
同時通過光學感測器測得的單位時間內流過的粒子數量，加以統計學原理，繼而計算出粒徑符合要求的總的粒子質量。
光學感測器將光信號轉變成電信號，並將電信號給控制器。控制器處理所接收到的電信號並且據此來控制雷射光源、風扇和顯示屏。
因為整體通風量與風道相關，為已知條件，所以能實時得到空氣中所關注的粒子的質量濃度。
（2）裝置結構
圖1是根據《空氣粒子檢測裝置》實施方式的空氣粒子檢測裝置的立體圖。如圖1所示，該實施方式的空氣粒子檢測裝置包括顯示屏1、按鍵2、防滑凹槽4。顯示屏1用於顯示結果和基本信息。按鍵2包括電源、按住/選擇、模式三個按鍵。防滑凹槽4的目的是方便拿取該裝置、防止滑落。
圖2是沿著圖1的3-3線切開的分解圖，示出了空氣粒子檢測裝置的內部結構。如圖2所示，該實施方式的空氣粒子檢測裝置由裝置前殼10和裝置後殼9構成。空氣從進風口5進入裝置中，然後經過特殊的內部結構。雷射燈8發出雷射照射在進入裝置的空氣粒子上。空氣粒子被雷射照射而產生散射光，散射光照射到光學感測器7上。可以經過算法計算出粒徑和粒子質量。空氣從出風口6排出裝置外部。
下面結合圖3詳細描述該實施方式的空氣粒子檢測裝置的結構。
圖3是沿著圖1的3-3線截取的截面圖。如圖3所示，空氣沿箭頭方向從進風口5進入空氣粒子檢測裝置中的窄風道。在圖3中，窄風道在水平方向的寬度明顯小於在垂直方向上的長度。窄風道由隔板11和14構成。隨後，空氣流經由隔板12和隔板13構成的彎口。雷射光源8固定在底座19上，因此雷射光源8在空氣粒子檢測裝置中的位置不變且不會晃動，並且與光學感測器7在一條垂直線上。
當空氣流經由隔板12和隔板13構成的彎口時，雷射照射在彎口附近的空氣粒子上，被雷射照射的粒子產生了散射光。這些散射光入射在光學感測器7上。控制器（圖中未示出）將光學感測器7產生的光信號轉化成電信號。通過對所得到的電信號進行處理，可以得到所需要的粒徑和粒子數量的信息。
空氣被照射時處在由隔板14、15和塑膠筋16（塑膠筋具有隔離光照的作用，但不阻礙空氣的流動）組成的空間區域內。空氣在離心風扇17的作用下穿過塑膠筋16和離心風扇17到達出氣口6，從而排出到裝置外部。至此完成了一次完整的檢測空氣粒子的過程。
如上所述，隔板11和隔板14組成了窄風道，隔板14、15和塑膠筋16組成了寬風道。
此外，該實施方式的空氣粒子檢測裝置還包括鋰電池18，用於給該裝置供電。
離心風扇17和雷射光源8成對角線方向設定，也就是說，離心風扇17和雷射光源8分別放置於設備的兩個處在同一對角線的頂角上，例如左上角和右下角，或者左下角和右上角。這樣的構造可以為風道留下足夠的空間，更方便實現雷射照射方向垂直於風道空氣流動方向。這樣當離心風扇17以一定轉速轉動時，空氣從進風口5沿著由隔板11和隔板14組成的窄風道集中進入到空氣粒子檢測裝置中由隔板14、15和塑膠筋16組成的寬風道中。另外，還保證了空氣粒子集中被雷射照射並反射在設定於彎口附近的光學感測器上。
實施方式1的這種結構具有明顯優勢。具體來講，如果改變離心風扇17和雷射光源8的相對位置，比如變為垂直方向，也就是說，離心風扇17和雷射光源8分別放置於設備的兩個不處在同一對角線的頂角上，比如都放在圖中左邊的頂角上，就會壓縮風道的空間，從而增加設計的難度，並且進入到空氣粒子檢測裝置的空氣不能集中地被雷射光源照射。
如果空氣粒子檢測裝置內部沒有設定這種由隔板11、14圍成的窄風道，則空氣從進風口5直接進入到由隔板14、15和塑膠筋16組成的空間區域內。雷射光源8照射由隔板14、15和塑膠筋16組成的空間區域內的空氣，這時分布在上述空間的只是分散的、不集中的空氣。雷射照射在分散的空氣上，光學感測器7接收到的反射光也是不集中的，因此產生了少量的光信號，不利於統計分析當前時刻的空氣中粒子的含量，得出的值也不夠精準。
另外，窄風道和寬風道的連線處有一個小的彎口，空氣通過彎口出來恰好集中被雷射光源8照射，此時大部分空氣粒子會被雷射光源8照射，然後反射到光學感測器7上。如果沒有這種風道結構，進入空氣粒子檢測裝置的空氣會分散，那么雷射光源8照射時只有少部分粒子會被照射到。對少量數據進行分析不利於數據統計，因此得到的粒子質量濃度不準確。
（3）電路結構
《空氣粒子檢測裝置》實施方式的空氣粒子檢測裝置由開關電路、供電模組、風扇模組、檢測模組、螢幕模組、鋰電池充電模組等組成。下面參照圖4來進一步詳細說明空氣粒子檢測裝置的電路結構。
如圖4所示，鋰電池充電模組和供電電池給整個電路供電，提供3.7伏電壓，然後經過升壓晶片升壓以向其他電路模組供電。具體來講，
（1）電池電壓經由升壓晶片被升至5伏，然後降壓至3.3伏來給檢測模組、CPU和雷射模組供電；
（2）電池電壓經由升壓晶片被升至5伏，然後給風扇模組供電；
（3）電池電壓經由升壓晶片被升至12伏，然後給螢幕模組供電；
（4）檢測電路模組將光學感測器接收的光信號轉換成電信號並傳送給CPU。CPU控制雷射模組、風扇模組和螢幕模組。CPU控制雷射模組不斷地發出雷射、控制風扇的轉速、控制顯示屏顯示所檢測的數據信息。
下面詳細介紹各個模組。
1.開關電路：通過升壓晶片以及調製電阻的比例將電壓由5伏升至12伏，肖特基二極體起到單嚮導通作用，防止電壓反向。開關電路由MOS管搭建起到開關完全的作用，防止出現在關閉時裝置不能立刻停止的狀態。
2.供電模組：將鋰電池電壓通過升壓晶片轉換成5伏電壓，此模組中電源和地通過耦合電容進行隔離，濾除不需要的高頻信號，防止干擾。
供電模組分為三路，一是通過升壓晶片升至5伏給風扇模組供電；二是通過升壓晶片升至5伏，再降壓到3.3伏給檢測電路模組、CPU和雷射模組供電（因為此處直接將鋰電池3.7伏電壓降為3.3伏時，會產生紋波（紋波是指在直流電壓中疊加在直流穩定量上的交流量））；三是通過升壓晶片將電壓升至12伏給螢幕供電。
3.風扇模組：利用CPU對離心風扇17進行轉速調節，使從進風口5進入裝置的空氣可以不受外界風速干擾，（離心風扇開始轉動，空氣被吸入裝置，由於離心風扇具有穩定風速的功能，因此空氣以穩定的速度進入風道然後被雷射照射。）氣體進入裝置後穩定在一定的速度範圍內。這樣穩定的氣體流經隔板11和隔板14組成的窄風道，通過裝置內部隔板的阻擋，可以通過隔板12和隔板13形成的彎口集中進入隔板14、15、塑膠筋16圍成的空間區域內。
4.檢測模組：穩定速度的空氣通過上述風道可以被雷射均勻照射。被照射的空氣中有當前環境的粒子，粒子被雷射照射後會產生散射光。產生的散射光被反射到高精度的光學感測器上，可以精確地獲得粒子的粒徑、反光強度等信息。根據獲得的脈衝數量可以確定粒子個數，由脈衝峰值強度可以得到粒徑，由脈衝寬度結合上述測得的粒徑可以得到粒子質量。
下面結合圖5來說明對粒子的測量。
理想情況下，當一個粒子通過光路時，其反射光所產生的光脈衝波形如圖5所示。
光脈衝峰值強度與粒子橫截面積成正比，即與其半徑的平方成正比。設該比例係數為K1，有光脈衝峰值強度＝k1×R^2，式中R為粒子半徑。
（註：光脈衝峰值強度是光脈衝強度的最大值。如圖中所示理想情況下的矩形波，其峰值強度即為矩形波高度）
同時，當一個粒子通過光路時，其速度越慢，反射光所產生的光脈衝持續時間就越長，也就是寬度越寬，與粒子速度成反比。由於風道的特殊設計，粒子速度與粒子質量成反比，與橫截面積成正比。設該比例係數為K2，有光脈衝寬度＝K2×M/R^2，式中M為粒子質量。
（註：光脈衝持續時間是脈衝所能持續的時長）
通過標準的粒子發生器，可以產生質量和半徑已知的粒子。讓這種粒子通過光路，測量該粒子形成的光脈衝的寬度和峰值強度，就可以確定K1和K2的值。這些值對每一台機器都是固定不變的。
在一段時間內，多個粒子通過光路，從而產生連續的光脈衝。通過上述確定的K1和K2，可以通過每個光脈衝的寬度和峰值高度，來確定該光脈衝所對應的粒子的質量和半徑。剔除半徑大於2.5的粒子的質量，將半徑小於等於2.5的粒子的質量相加，然後除以這段時間內的空氣體積，就能得到質量濃度。
在實際中，光脈衝峰值強度和寬度與粒子質量和半徑的關係不會像理想情況下那么嚴格的線性，而且半徑大於2.5的粒子，其動力學半徑也不一定大於2.5。可以採用實驗對比的方法，得出更符合實際的關係式，但是上述的原理仍然可以得到運用。特別的是，每台空氣粒子檢測裝置製造出來後，都可以通過標準的粒子發生器進行校準，以獲得更好的測量效果。
上述的使得粒子速度與粒子質量成反比，與橫截面積成正比的特殊設計的風道，有多種實現方式，其中一種是風速可以突然增大的風道。這種風速的突然增大可以用抽風機來實現，或者當空氣從開闊地帶進入狹窄地帶也會出現風速的突然增加。當風速突然增加時，空氣中的粒子由於慣性，一開始速度仍然保持較低。這時每個粉塵受到的空氣的摩擦力與橫截面積成正比。根據牛頓運動定律，其加速度與質量成反比。由加速度對時間積分得到的速度也與橫截面積成正比，同時與質量成反比。故而粒子速度與粒子質量成反比，與橫截面積成正比。
類似於這一種方式，也有使風速突然降低的設計。這種設計原理類似上述方式，只需要在統計方面做相應改變。
另一種方式是改變風的流動方向，在改變的方向上，風速也是從無到有的，類似於風速突然增大。
另一種方式是利用布朗運動。根據統計力學和分子空氣動力學的計算，質量越大，橫截面積越小的微粒，其在空氣中的布朗運動速度越低，質量越小，橫截面積越大的微粒，其在空氣中的布朗運動速度越高。從而實現了粒子速度與粒子質量成反比，與橫截面積成正比的相關關係。
以上描述了多種使得粒子速度與粒子質量相關的技術，然而，《空氣粒子檢測裝置》不應被理解為局限於上述技術方案，本領域技術人員可以利用以上任意一種技術或者它們的任意組合。例如，可以僅僅改變風道的寬度而不改變風道的方向、僅僅改變風道的方向而不改變風道的寬度、在同一位置改變風道的寬度和風道的方向、在不同位置改變風道的寬度和風道的方向，等等。所有這些通過測量粒子速度以得到粒子質量的方案都應落入本專利的保護範圍之中。
5.螢幕模組：將檢測到的粒子的質量濃度實時地顯示在螢幕上，並且可以在螢幕上顯示優良等級。
榮譽表彰
2018年12月20日，《空氣粒子檢測裝置》獲得第二十屆中國專利優秀獎。
