專利名稱：基于微振蕩法測量顆粒物質(zhì)量的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量顆粒物質(zhì)量的裝置，特別是涉及一種基于微振蕩法測量顆粒物質(zhì)量的裝置。
背景技術(shù)：
顆粒物是大氣中的主要污染物之一。其中總懸浮顆粒物是指粒徑從0.1 μπι至 100 μ m以液體、固體或液體和固體結(jié)合存在并懸浮于空氣介質(zhì)中的顆粒物，是評價大氣質(zhì)量的常用指標；可吸入顆粒物是指粒徑< 10 μ m的顆粒物，特別是粒徑< 2.5 μ m的顆粒物， 其粒徑小，富含大量的有毒、有害物質(zhì)，且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，被稱為大氣污染的元兇。粒徑彡2.5μπι的顆粒物還會干擾肺部的氣體交換，引發(fā)包括哮喘、支氣管炎和心血管病等方面的疾病。
目前對大氣微小顆粒物，如ΡΜ10、ΡΜ2.5的檢測和分析方法已經(jīng)發(fā)展了很多種，目前常用的方法有人工濾膜稱重法、光散射法、壓電晶體法、β射線法和振蕩天平法。其中振蕩天平法能夠?qū)Υ髿忸w粒物進行實時監(jiān)測、且測量精度高、環(huán)境適應(yīng)能力強等特點在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域被廣泛使用。
振蕩天平法中最普遍的為微量石英振蕩天平。該方法通過在質(zhì)量傳感器內(nèi)使用一個石英空心錐形管，在空心錐形管頂端安放可更換的濾膜托盤，并用霍爾元件測量其振蕩頻率。當(dāng)采樣氣流通過濾膜，其中滿足稱量條件的顆粒物沉積在濾膜上，使振蕩單元的頻率發(fā)生改變。通過對頻率的測量并考慮現(xiàn)場環(huán)境溫度和氣壓即可以計算出該時段的顆粒物標態(tài)質(zhì)量濃度。此外美國專利(5684276 (US), Micromechanical oscillating mass balance)和(5946795 (US), Method of manufacturing a micromechanical oscillating mass balance)設(shè)計了水平擺動的結(jié)構(gòu)，通過把顆粒物沉積到一個復(fù)合的梁結(jié)構(gòu)上，然后測量其共振的頻率獲得沉積顆粒物的質(zhì)量。
目前這些常用的微小顆粒物質(zhì)量檢測方法都存在著一些不足之處:核心振蕩單元多采用石英晶體或者玻璃容易破碎；多數(shù)儀器工作條件要在50°C的恒溫下；水平橫向的振動使得外界氣體入口和濾膜托盤接口之間必須保證相對較大的空隙；采用霍爾效應(yīng)監(jiān)測振動頻率然后利用螺線管產(chǎn)生變化的磁場來推動錐管進行振動會有滯后作用；測量的時候要經(jīng)過自動增益放大，使確定每次的最大值和最小值的位置有一定的偏差等。發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種基于微振蕩法測量顆粒物質(zhì)量的裝置，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中微小顆粒物質(zhì)量測量不準確的問題。
為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種基于微振蕩法測量顆粒物質(zhì)量的裝置其包括:振蕩器，所述振蕩器上濾膜托盤，所述濾膜托盤上設(shè)有允許氣流通過的濾膜；驅(qū)動單元，所述驅(qū)動單元驅(qū)動所述振蕩器振動；頻率檢測單元，所述頻率檢測單元包括光源、反光面和光線監(jiān)測裝置，所述反光面位于所述濾膜托盤 上，所述反光面將所述光源發(fā)出的平行光反射在所述光線監(jiān)測裝置上，所述光線監(jiān)測裝置用于檢測所述反光面上反射光的振動頻率和平衡點位置。優(yōu)選地，所述頻率檢測單元與所述驅(qū)動單元連接，當(dāng)反光面上振動的反射光經(jīng)過平衡點位置時，所述頻率檢測單元發(fā)出反饋信號給所述驅(qū)動單元，所述驅(qū)動單元發(fā)出脈沖信號激勵所述振蕩器振動。優(yōu)選地，所述驅(qū)動單元包括至少兩個磁鐵，所述磁鐵均勻分布在所述濾膜托盤外周面上，所述濾膜托盤外圍設(shè)有至少一個電磁螺旋管，所述電磁螺旋管產(chǎn)生的磁場與所述磁鐵作用驅(qū)動所述濾膜托盤繞軸線旋轉(zhuǎn)擺動。優(yōu)選地，所述磁鐵通過加長桿與所述濾膜托盤連接。 優(yōu)選地，所述濾膜托盤支撐在震蕩柱上，所述震蕩柱下端固定在底部支架上。優(yōu)選地，所述濾膜托盤支撐在震蕩柱上，所述震蕩柱下端通過彈性機構(gòu)與底部支架連接。優(yōu)選地，所述濾膜托盤采用多根震蕩柱進行支撐，所述震蕩柱通過彈簧與所述底部支架連接，所述底部支架上設(shè)有環(huán)形槽，所述彈簧位于所述環(huán)形槽內(nèi)。優(yōu)選地，所述濾膜托盤上方設(shè)有固定板，所述濾膜托盤通過震蕩柱與所述固定板固定連接。優(yōu)選地，所述反光面上鍍有一層光柵。優(yōu)選地，所述光線監(jiān)測裝置為線性CXD陣列。如上所述，本發(fā)明基于微振蕩法測量顆粒物質(zhì)量的裝置具有以下有益效果:該測量顆粒物質(zhì)量的裝置在濾膜托盤上設(shè)置反光面，光源發(fā)出的平行光通過反光面發(fā)射在光線監(jiān)測裝置上，當(dāng)振蕩器振蕩時通過光線監(jiān)測裝置檢測反射光的頻率就可確定振蕩器的振蕩頻率，進而根據(jù)振蕩器的頻率變化確定濾膜托盤上沉積顆粒物的質(zhì)量。該測量顆粒物質(zhì)量的裝置通過檢測反射光的振蕩頻率來確定振蕩器的頻率，這樣可有效避免電信號等外界干擾對測量結(jié)果的影響，而且利用反射面可有效地放大振蕩，使測量結(jié)果更加的精確。


圖1為本發(fā)明第一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明第二實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明振蕩器的實施例結(jié)構(gòu)示意圖。圖4a為本發(fā)明震蕩柱的第一實施例結(jié)構(gòu)示意圖。圖4b為本發(fā)明震蕩柱的第二實施例結(jié)構(gòu)示意圖。圖5a為本發(fā)明驅(qū)動單元的第一實施例結(jié)構(gòu)示意圖。圖5b為本發(fā)明驅(qū)動單元的第二實施例結(jié)構(gòu)示意圖。圖5c為本發(fā)明驅(qū)動單元的第三實施例結(jié)構(gòu)示意圖。圖5d為本發(fā)明驅(qū)動單元的第四實施例結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為本發(fā)明濾膜托盤實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。元件標號說明I 振蕩器11 濾膜托盤
12濾膜
13震蕩柱
14底部支架
15彈性機構(gòu)
16固定板
17震蕩柱
2磁鐵
3電磁螺旋管
4反光面
5光源
6光線監(jiān)測裝置
7加長桿具體實施方式
以下由特定的具體實施例說明本發(fā)明的實施方式，熟悉此技術(shù)的人士可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點及功效。
請參閱圖1至圖6。須知，本說明書所附圖式所繪示的結(jié)構(gòu)、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示的內(nèi)容，以供熟悉此技術(shù)的人士了解與閱讀，并非用以限定本發(fā)明可實施的限定條件，故不具技術(shù)上的實質(zhì)意義，任何結(jié)構(gòu)的修飾、比例關(guān)系的改變或大小的調(diào)整，在不影響本發(fā)明所能產(chǎn)生的功效及所能達成的目的下，均應(yīng)仍落在本發(fā)明所揭示的技術(shù)內(nèi)容得能涵蓋的范圍內(nèi)。同時，本說明書中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中間”及 “一”等的用語，亦僅為便于敘述的明了，而非用以限定本發(fā)明可實施的范圍，其相對關(guān)系的改變或調(diào)整，在無實質(zhì)變更技術(shù)內(nèi)容下，當(dāng)亦視為本發(fā)明可實施的范疇。
如圖1所示，本發(fā)明提供一種基于微振蕩法測量顆粒物質(zhì)量的裝置，該裝置包括一振蕩器1、驅(qū)動單元和頻率檢測單元三部分。振蕩器I由濾膜托盤11、震蕩柱13組成(如圖3所示)，濾膜托盤11上設(shè)有安裝濾膜的濾膜接口，濾膜接口可以為三角形、四邊形、六邊形(如圖6所示)、八邊形或其它的正多邊形結(jié)構(gòu)，濾膜接口上設(shè)有允許氣流通過的濾膜12。濾膜托盤11支撐在數(shù)根震蕩柱13上，震蕩柱13是一種提供振動回復(fù)力的彈性單元， 震蕩柱13的截面可以是圓形，正方形(如圖4b所示)、正三角形(如圖4a所示)、橢圓等對稱度高的形狀。震蕩柱13從下向上可以有粗細的變化，例如錐形變化等。振蕩柱13上可鏤空不同的形狀，從而產(chǎn)生大小不同的切向回復(fù)力。
震蕩柱13可以采用鈦合金等具有自恢復(fù)功能的合金制造，以解決長期工作過程中的微小變形問題。震蕩柱13還可以采用楊氏模量在零至五 十?dāng)z氏度器件楊氏模量變化很小的合金或者變化基本呈線性的合金，這樣也可有效防止震蕩柱13變形。
振蕩柱13的下端設(shè)有一底部支架14，震蕩柱13可與底部支架14直接固定連接， 也可以通過彈性機構(gòu)15與底部支架14連接。上述兩種結(jié)構(gòu)可根據(jù)振蕩器需要調(diào)節(jié)的頻率任意進行選擇。測量振蕩頻率變化需要頻率盡量的高，而用霍爾效應(yīng)或者光檢測的方法都需要有一定的振幅，在驅(qū)動力有限的情況下就限制了頻率的升高，所以通過調(diào)節(jié)底部的彈性結(jié)構(gòu)15可以把頻率控制在一定的范圍內(nèi)。由于振蕩器的材料、大小形狀對振蕩器的諧振頻率起到?jīng)Q定的作用，在有些特殊的設(shè)計中，很難讓振蕩器的頻率落到想要的范圍內(nèi)，此時就可以通過調(diào)整彈性結(jié)構(gòu)把頻率控制在需要的范圍內(nèi)，并為將來設(shè)計各種形狀、大小和材質(zhì)的核心振蕩器留下空間。作為一種優(yōu)選方式,可在濾膜托盤11的上方設(shè)置固定板16,濾膜托盤11通過震蕩柱17與固定板16固定連接，這樣濾膜托盤11上下可同時固定，從而可有效防止震蕩柱因長期振動而產(chǎn)生的形變。如圖2所示，作為一種優(yōu)選方式，彈性機構(gòu)15可選用彈簧，底部支架14上可設(shè)置環(huán)形槽，將彈簧位于環(huán)形槽內(nèi)使彈簧呈圓形軌跡分布，震蕩柱13通過彈簧與底部支架14連接。同時在濾膜托盤11的上方設(shè)置固定板16，濾膜托盤11通過震蕩柱17與固定板16固定連接，采用上端點固定，下端點軌道的方式進一步減少振蕩柱機械形變帶來的影響，提高光學(xué)測量頻率的精確度。驅(qū)動單元用于驅(qū)動振蕩器I振動，作為一種優(yōu)選方式，驅(qū)動單元包括至少兩個磁鐵2,磁鐵2應(yīng)均勻分布在濾膜托盤11的外周面上，濾膜托盤11的外部設(shè)有至少一個電磁螺旋管3，電磁螺旋管3為可飽和性的電磁螺旋管，通過給電磁螺旋管3施加不同方向的脈沖電流，電磁螺旋管3將產(chǎn)生不同方向的磁場，電磁螺旋管3產(chǎn)生的磁場與磁鐵2產(chǎn)生的磁場相互作用可帶動濾膜托盤繞軸線旋轉(zhuǎn)擺動，從而使振蕩器I產(chǎn)生振動。如圖5a所示，為本發(fā)明驅(qū)動單元一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖，在濾膜托盤11的外周面上設(shè)有兩個磁鐵2，兩個磁鐵2相隔180°在濾膜托盤11的外周面上均勻分布，兩個磁鐵2分別與兩個電磁螺旋管3位置相對，通過給電磁螺旋管3施加不同方向的脈沖電流，電磁螺旋管3將產(chǎn)生不同方向的磁場，電磁螺旋管3產(chǎn)生的磁場與磁鐵2產(chǎn)生的磁場相互作形成力偶，這樣就可帶動濾膜托盤繞軸線旋轉(zhuǎn)擺動，使振蕩器I產(chǎn)生振動。為了增加驅(qū)動力矩，磁鐵2可通過加長桿7與濾膜托盤11連接(如圖5b所示)。如圖5c所示，為本發(fā)明驅(qū)動單元的另一實施例，該實施例在濾膜托盤11的外周面上設(shè)有三個磁鐵2,三個磁鐵2分別與三個電磁螺旋管3位置相對，電磁螺旋管3位于濾膜托盤11的外圍，在三個電磁螺旋管3同時施加脈沖電流，電磁螺旋管3產(chǎn)生的磁場與磁鐵2產(chǎn)生的磁場作用形成合力可帶動帶動濾膜托盤繞軸線旋轉(zhuǎn)，通過在三個電磁螺旋管3同時施加不同方向的脈沖電流就可驅(qū)動振蕩器I振動。如圖5d所示，為本發(fā)明驅(qū)動單元的第三實施例，該實施例中，濾膜托盤11的外周面上設(shè)有兩個磁鐵2，兩個磁鐵2相隔180°在濾膜托盤11的外周面上均勻分布，在濾膜托盤11的一側(cè)設(shè)有一個電磁螺旋管3，兩個磁鐵2與電磁螺旋管3相對端磁極極性相反，因此當(dāng)電磁螺旋管3有電流通過時，兩個磁鐵2受力方向相反形成力偶，進而使振蕩器I產(chǎn)生振動。頻率檢測單元包括光源5、反光面4和光線監(jiān)測裝置6，反光面4位于濾膜托盤11上，光源5可發(fā)出平行光，光源5發(fā)出的平行光通過反光面4后可反射到光線監(jiān)測裝置6上。當(dāng)振蕩器I振動時經(jīng)反光面4反射的反射光也會同時振動，光線監(jiān)測裝置6可檢測反光面上反射光的振動頻率和振動的平衡點位置。作為一種優(yōu)選方式，光線監(jiān)測裝置選用線性CCD陣列。反光面4可采用凸面，這樣可放大反射光的偏轉(zhuǎn)角度，同時可在反光面上鍍一層光柵，這樣可使反射光線更加的細銳，進而可提高光線監(jiān)測裝置6的監(jiān)測精度。頻率檢測單元與驅(qū)動單元連接，當(dāng)反光面上振動的反射光經(jīng)過其振動平衡點位置時，頻率檢測單元發(fā)出反饋信號給驅(qū)動單元，驅(qū)動單元將發(fā)出脈沖信號激勵振蕩器振動，當(dāng)反光面上振動的反射光再次經(jīng)過平衡點位置時，驅(qū)動單元將發(fā)出反方向脈沖信號繼續(xù)激勵振蕩器振動。
根據(jù)振動的理論可知:
權(quán)利要求
1.一種基于微振蕩法測量顆粒物質(zhì)量的裝置，其特征在于，其包括: 振蕩器，所述振蕩器上濾膜托盤，所述濾膜托盤上設(shè)有允許氣流通過的濾膜； 驅(qū)動單元，所述驅(qū)動單元驅(qū)動所述振蕩器振動； 頻率檢測單元，所述頻率檢測單元包括光源、反光面和光線監(jiān)測裝置，所述反光面位于所述濾膜托盤上，所述反光面將所述光源發(fā)出的平行光反射在所述光線監(jiān)測裝置上，所述光線監(jiān)測裝置用于檢測所述反光面上反射光的振動頻率和平衡點位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微振蕩法測量顆粒物質(zhì)量的裝置，其特征在于:所述頻率檢測單元與所述驅(qū)動單元連接，當(dāng)反光面上振動的反射光經(jīng)過平衡點位置時，所述頻率檢測單元發(fā)出反饋信號給所述驅(qū)動單元，所述驅(qū)動單元發(fā)出脈沖信號激勵所述振蕩器振動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微振蕩法測量顆粒物質(zhì)量的裝置，其特征在于:所述驅(qū)動單元包括至少兩個磁鐵，所述磁鐵均勻分布在所述濾膜托盤外周面上，所述濾膜托盤外圍設(shè)有至少一個電磁螺旋管，所述電磁螺旋管產(chǎn)生的磁場與所述磁鐵作用驅(qū)動所述濾膜托盤繞軸線旋轉(zhuǎn)擺動。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于微振蕩法測量顆粒物質(zhì)量的裝置，其特征在于:所述磁鐵通過加長桿與所述濾膜托盤連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于微振蕩法測量顆粒物質(zhì)量的裝置，其特征在于:所述濾膜托盤支撐在震蕩柱上，所述震蕩柱下端固定在底部支架上。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于微振蕩法測量顆粒物質(zhì)量的裝置，其特征在于:所述濾膜托盤支撐在震蕩柱上，所述震蕩柱下端通過彈性機構(gòu)與底部支架連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于微振蕩法測量顆粒物質(zhì)量的裝置，其特征在于:所述濾膜托盤采用多根震蕩柱進行支撐，所述震蕩柱通過彈簧與所述底部支架連接，所述底部支架上設(shè)有環(huán)形槽，所述彈簧位于所述環(huán)形槽內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的基于微振蕩法測量顆粒物質(zhì)量的裝置，其特征在于:所述濾膜托盤上方設(shè)有固定板，所述濾膜托盤通過震蕩柱與所述固定板固定連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微振蕩法測量顆粒物質(zhì)量的裝置，其特征在于:所述反光面上鍍有一層光柵。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微振蕩法測量顆粒物質(zhì)量的裝置，其特征在于:所述光線監(jiān)測裝置為線性CCD陣列。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于微振蕩法測量顆粒物質(zhì)量的裝置其包括振蕩器，所述振蕩器上濾膜托盤，所述濾膜托盤上設(shè)有允許氣流通過的濾膜；驅(qū)動單元，所述驅(qū)動單元驅(qū)動所述振蕩器振動；頻率檢測單元，所述頻率檢測單元包括光源、反光面和光線監(jiān)測裝置，所述反光面位于所述濾膜托盤上，所述反光面將所述光源發(fā)出的平行光反射在所述光線監(jiān)測裝置上，所述光線監(jiān)測裝置用于檢測所述反光面上反射光的振動頻率和平衡點位置。該測量顆粒物質(zhì)量的裝置通過檢測反射光的振蕩頻率來確定振蕩器的頻率，這樣可有效避免電信號等外界干擾對測量結(jié)果的影響，而且利用反射面可有效地放大振蕩，使測量結(jié)果更加的精確。
文檔編號G01G3/16GK103207004SQ20131012864
公開日2013年7月17日 申請日期2013年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月12日
發(fā)明者朱輝, 程平, 周振 申請人:昆山禾信質(zhì)譜技術(shù)有限公司