一體集成式微型平板大氣細(xì)粒子譜測(cè)量裝置及其測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及大氣環(huán)境細(xì)粒子檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種一體集成式微型平板大氣 細(xì)粒子譜測(cè)量裝置及其測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來隨著生活水平的不斷上升，空氣污染的不斷惡化，人們逐漸把目光投向環(huán) 境污染這塊，對(duì)公共健康日益關(guān)注，尤其是對(duì)大氣環(huán)境中的顆粒物變得格外重視。雖然細(xì)顆 粒物只是地球大氣成分中含量很少的組分，但它對(duì)空氣質(zhì)量和能見度等有重要的影響。研 究表明，顆粒越小對(duì)人體健康的危害越大。同時(shí)細(xì)顆粒物能飄到較遠(yuǎn)的地方，影響范圍較 大，因此在測(cè)量顆粒物濃度時(shí)有必要對(duì)顆粒物進(jìn)行分級(jí)。
[0003] 目前國(guó)際上普遍采用光散射和空氣動(dòng)力學(xué)飛行時(shí)間測(cè)量相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)光 散射粒徑或者空氣動(dòng)力學(xué)粒徑的測(cè)量，如光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器/空氣動(dòng)力學(xué)粒徑譜分析儀，但都 很難測(cè)量粒徑在300nm以下的大氣細(xì)粒子。對(duì)于粒徑在100nm以下的大氣細(xì)粒子的粒徑測(cè) 量，國(guó)際上主要通過帶電粒子在電場(chǎng)中的電迀移特性，根據(jù)不同粒徑的粒子電迀移率不同， 來實(shí)現(xiàn)粒徑的分級(jí)。
[0004] 國(guó)際上傳統(tǒng)的納米級(jí)別的粒子分級(jí)儀器體積都比較龐大，分為好幾個(gè)獨(dú)立模塊， 而且價(jià)格都比較昂貴，如德國(guó)Grimm公司的研發(fā)人員將電迀移掃描和法拉第杯微電流檢測(cè) 相結(jié)合，設(shè)計(jì)了掃描電迀移率粒徑譜儀(SMPS)+法拉第杯靜電計(jì)(FCE)的組合測(cè)量系統(tǒng)，結(jié) 構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，不適宜移動(dòng)污染源的檢測(cè)；美國(guó)TSI公司設(shè)計(jì)了快速電迀移率粒徑譜儀 (FMPS)，采用單極性電暈放電擴(kuò)散荷電方式，通過使用多電場(chǎng)分級(jí)和多靜電計(jì)并行測(cè)量的 方式，其中采用的單針尖式電暈放電，離化區(qū)范圍窄，產(chǎn)生的自由離子數(shù)量少，影響了超細(xì) 顆粒物的荷電效率，而且荷電裝置和DMA分級(jí)裝置采用分體設(shè)計(jì)，難以一體屏蔽，降低了檢 測(cè)的靈敏度?，F(xiàn)有的這些技術(shù)一般都采用宏觀的機(jī)械結(jié)構(gòu)，對(duì)零件的加工裝配提出了極高 的要求，同時(shí)一般都難以做到小型化和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種一體集成式微型平板大氣細(xì)粒子譜測(cè)量裝置及其測(cè) 量方法，彌補(bǔ)現(xiàn)有細(xì)粒子譜測(cè)量技術(shù)的不足，尤其是解決現(xiàn)有測(cè)量設(shè)備體積龐大、不易攜帶 以及不能實(shí)時(shí)測(cè)量等問題。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0007] -種一體集成式微型平板大氣細(xì)粒子譜測(cè)量裝置，包括單極性平板荷電模塊、顆 粒物分級(jí)與反演模塊和微電流檢測(cè)與信號(hào)處理模塊；
[0008] 所述單極性平板荷電模塊包括相互平行且正對(duì)設(shè)置的第一上面板和第一下面板、 嵌入第一上面板中的若干絕緣塊、設(shè)置在第一下面板內(nèi)表面的荷電下電極、穿透絕緣塊的 針尖、與針尖連接的單極性高壓源以及設(shè)置在第一上面板和第一下面板前端的鞘氣進(jìn)氣 P；
[0009]所述顆粒物分級(jí)與反演模塊包括相互平行且正對(duì)設(shè)置的第二上面板和第二下面 板、調(diào)整第二上面板與第二下面板間距的中間墊片、設(shè)置在第二上面板和第二下面板前端 的聲噴口、分別開設(shè)在第二上面板和第二下面板上且緊鄰聲噴口設(shè)置的對(duì)稱樣氣進(jìn)氣口、 設(shè)置在第二上面板與第二下面板之間且位于對(duì)稱樣氣進(jìn)氣口后側(cè)的層流片、設(shè)置在第二上 面板內(nèi)表面且位于層流片后側(cè)的上分離電極、設(shè)置在第二下面板內(nèi)表面且正對(duì)上分離電極 的下分尚電極、開設(shè)在下分尚電極上靠后位置處及第二下面板上對(duì)應(yīng)位置處的分級(jí)樣氣出 氣口、一體集成在第二下面板外表面且位于分級(jí)樣氣出氣口處的法拉第杯、設(shè)置在法拉第 杯內(nèi)部的第一敏感電極以及設(shè)置在法拉第杯內(nèi)表面且與第一敏感電極電氣連接的第二敏 感電極；
[0010]所述微電流檢測(cè)與信號(hào)處理模塊包括控制器、掃描電壓模塊、真空栗及其驅(qū)動(dòng)模 塊和微電流檢測(cè)裝置;所述控制器的輸入端連接微電流檢測(cè)裝置的輸出端，所述控制器的 輸出端連接掃描電壓模塊和真空栗及其驅(qū)動(dòng)模塊的輸入端，所述微電流檢測(cè)裝置的輸入端 連接第二敏感電極，所述掃描電壓模塊的輸出端連接上分離電極和下分離電極；
[0011]所述第二上面板的前端一體集成有第一斜板，所述第二下面板的前端一體集成有 第二斜板;所述第一斜板一體集成在第一上面板的后端，所述第二斜板一體集成在第一下 面板的后端;所述第二上面板與第二下面板的間距小于第一上面板與第一下面板的間距。 [0012]所述的一體集成式微型平板大氣細(xì)粒子譜測(cè)量裝置，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鋁陶瓷制備。
[0013] 所述的一體集成式微型平板大氣細(xì)粒子譜測(cè)量裝置，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電極，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電極，所述第一屏蔽電極和第二屏蔽電極均采用厚膜電極。
[0014] 所述的一體集成式微型平板大氣細(xì)粒子譜測(cè)量裝置，所述荷電下電極、上分離電 極、下分離電極和第二敏感電極均采用厚膜電極。
[0015] 所述的一體集成式微型平板大氣細(xì)粒子譜測(cè)量裝置，所述針尖呈陣列結(jié)構(gòu)，所述 針尖由鎢、銅或不銹鋼制備，針尖曲率半徑為10~500um，所述第二上面板與第二下面板的 間距為0.5~10mm;
[0016] 所述上分離電極與下分離電極之間構(gòu)成掃描電場(chǎng)區(qū)域，所述掃描電場(chǎng)區(qū)域的長(zhǎng)度 為10~100mm，寬度為10~50mm;
[0017] 所述第一敏感電極采用多孔金屬板制備，所述多孔金屬板采用泡沫金屬材料制 備，其中所述泡沫金屬材料的電阻率低于2.5Χ10- 8Ω ·Π !，包括銀、紫銅、金，所述泡沫金屬 材料的孔隙密度在20~120之間。
[0018] 所述的一體集成式微型平板大氣細(xì)粒子譜測(cè)量裝置，所述荷電下電極接地。
[0019]所述的一體集成式微型平板大氣細(xì)粒子譜測(cè)量裝置，所述上分離電極與第二敏感 電極之間構(gòu)成抑制電場(chǎng)，抑制偏轉(zhuǎn)至法拉第杯內(nèi)的帶電細(xì)粒子向掃描電場(chǎng)區(qū)域擴(kuò)散。
[0020] 所述的一體集成式微型平板大氣細(xì)粒子譜測(cè)量裝置，所述微電流檢測(cè)與信號(hào)處理 豐旲塊還包括顯不t旲塊和存儲(chǔ)t旲塊，所述顯不t旲塊和存儲(chǔ)t旲塊的輸入端連接控制器的輸出 端。
[0021] 所述的一種一體集成式微型平板大氣細(xì)粒子譜測(cè)量裝置的測(cè)量方法，包括以下步 驟：
[0022] a、控制器通過真空栗及其驅(qū)動(dòng)模塊控制鞘氣氣流以一定的流速進(jìn)入單極性平板 荷電模塊，同時(shí)控制樣氣氣流以一定的流速進(jìn)入顆粒物分級(jí)與反演模塊；
[0023] b、鞘氣氣流進(jìn)入單極性平板荷電模塊中由針尖通過電暈放電所產(chǎn)生的荷電區(qū)域， 與經(jīng)針尖電暈放電產(chǎn)生的帶電離子混合；
[0024] c、含有帶電離子的鞘氣氣流經(jīng)過聲噴口時(shí)，牽引樣氣氣流通過對(duì)稱樣氣進(jìn)氣口進(jìn) 入顆粒物分級(jí)與反演模塊，樣氣氣流與鞘氣氣流混合，樣氣氣流中的細(xì)粒子與鞘氣氣流中 的帶電離子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移，使樣氣氣流中的細(xì)粒子帶上電荷；
[0025] d、混合后的氣流進(jìn)入層流片，然后以層流狀態(tài)進(jìn)入上分離電極與下分離電極之間 構(gòu)成的掃描電場(chǎng)區(qū)域，在一定的掃描電壓下，氣流中的帶電細(xì)粒子在掃描電場(chǎng)區(qū)域發(fā)生電 迀移，只有一定粒徑的帶電細(xì)粒子被偏轉(zhuǎn)至一體集成在第二下面板外表面且位于分級(jí)樣氣 出氣口處的法拉第杯中；
[0026] e、上分離電極與第二敏感電極之間構(gòu)成抑制電場(chǎng)，抑制偏轉(zhuǎn)至法拉第杯