優(yōu)先權(quán)聲明

本申請要求2014年12月2號提交的，申請?zhí)枮?2/086,414，發(fā)明名稱為“SYSTEM AND METHOD OF CONDUCTING PARTICLE MONITORING USING LOW COST PARTICLE SENSORS”的美國臨時專利申請的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，其全部內(nèi)容通過引用結(jié)合到本文中。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明一般涉及粒子檢測，并且更具體地涉及塵粒濃度和尺寸分布的測量。

背景技術(shù)：

氣溶膠粒子吸入后可沉積在呼吸道上，并且對健康造成不良影響。因此，行業(yè)和政府已經(jīng)認(rèn)識到測量和監(jiān)測環(huán)境或工作場所中的氣溶膠濃度、以便可以采取合適的措施以降低潛在的健康風(fēng)險的重要性。相關(guān)的監(jiān)測應(yīng)用包括但不限于商業(yè)建筑或家庭空氣質(zhì)量監(jiān)測、工業(yè)/ 職業(yè)衛(wèi)生調(diào)查、室外環(huán)境/場地周邊灰塵控制操作的監(jiān)測，以及發(fā)動機排放研究。一些工業(yè)方法需要了解環(huán)境，包括顆粒稀少的環(huán)境(例如，半導(dǎo)體潔凈室制造或制藥加工)以及粒子群廣泛存在(例如，干燥粉末制造過程)的環(huán)境中的顆粒。1987年，美國環(huán)境保護署(EPA) 修訂了國家環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(NAAQS)，并開始使用空氣動力學(xué)直徑小于約10μm的粒子質(zhì)量(以下簡稱“PM10”)作為顆粒物(PM)污染指數(shù)。PM10是可以進入胸腔，并導(dǎo)致或加劇下呼吸道的疾病，如慢性支氣管炎、哮喘、肺炎、肺癌，和肺氣腫的PM的指數(shù)。后來確定，相比更粗糙的PM10，以空氣動力學(xué)直徑小于約2.5μm(“PM2.5”)的粒子質(zhì)量指數(shù)化的空氣中PM濃度與每年的死亡率更加緊密相關(guān)。1997年，在NAAQS的下一次修訂中， EPA頒布了PM2.5的規(guī)定。

美國政府工業(yè)衛(wèi)生學(xué)家會議(ACGIH)還建立了呼吸道、胸廓和可吸入氣溶膠的抽樣公約，分別定義為空氣動力學(xué)直徑小于4μm、10μm，和100μm的粒子。可吸入的粒子是那些能夠在呼吸過程中通過人的鼻子和/或嘴進入的那些粒子。胸廓粒子是可以滲透到喉下的肺的吸入粒子。呼吸道粒子是可以滲透到肺的肺泡區(qū)的吸入粒子。在美國聯(lián)邦法規(guī)第50部分第 1章的國家初級和二級環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(1997)[National Primary and Secondary Ambient Air Quality Standards,40Code of US Federal Regulation,Chapter 1,Part 50(1997)]和Vincent,J.H., Particle Size-Selective Sampling for Particulate Air Contaminants Cincinnati,ACGIH(1999)中討論了各種抽樣公約，除了包含在其中的明確定義之外，這兩者都通過引用并入本文。

雖然上述的標(biāo)準(zhǔn)和公約是基于粒子的空氣動力學(xué)直徑，應(yīng)當(dāng)理解，為了即時應(yīng)用的目的，可以基于該光學(xué)粒徑而不是空氣動力學(xué)直徑，進行以尺寸分隔的質(zhì)量濃度分組(例如， PM1、PM2.5、PM10、呼吸性的、胸廓和可吸入)。也就是說，(例如)PM2.5為空氣動力學(xué)直徑小于約2.5μm的粒子或光學(xué)直徑小于約2.5μm的粒子。如果氣溶膠主要是細(xì)微氣溶膠(約在0.1μm和4μm之間)，利用光度計可以實時實現(xiàn)粒子質(zhì)量測量。光度計是產(chǎn)生隨由粒子或在詢問體積區(qū)中的全部粒子接收到的散射光的強度而變化的電信號的設(shè)備。光度計信號可以與粒子質(zhì)量近似相關(guān)。光度計對粒子濃度廣泛的動態(tài)范圍還可以是靈敏的。例如，TSI Model 8520DUSTTRAK光度計在0.1μm至10μm的粒度范圍上測得范圍為0.001至100mg/m³的粒子質(zhì)量濃度。

許多國家存在需要監(jiān)控的各種污染參數(shù)的政府規(guī)定。用于按規(guī)定測量這些參數(shù)的儀器往往是昂貴的，近似$15K-$100K，并且操作成本也可能是非常昂貴的。由于成本，在給定的地理區(qū)域很少有儀器指示空氣質(zhì)量。因為污染源可以局部化，因此在地理區(qū)域內(nèi)的許多點進行測量有很大的好處。用于許多分布式測量的傳感器必須是廉價的，但與高精密度儀器相比，依然給出相當(dāng)準(zhǔn)確的測量結(jié)果。存在給出粒子質(zhì)量指示性測量結(jié)果的低成本技術(shù)，但其在準(zhǔn)確度上非常有限。最常見的是光照度傳感器(photometric sensor)，其測量從光源(通常是激光、LED或其它強光來源)散射并通過光電探測器(通常是光電二極管或其它敏感的光檢測器)檢測的全部光。最常見的低成本的選擇是LED光源和光電二極管檢測器。這類傳感器結(jié)合將信號從散射光轉(zhuǎn)化成電子信號的電子設(shè)備，其中該電子信號可以處理以在顯示器上向用戶指示粒子質(zhì)量。

在其它例子中，使用計重法抽樣，其由預(yù)稱重的濾光器上在長時間段、比如24小時內(nèi)收集的粒子組成。接著測量濾光器和粒子的重量。濾光器抽樣前后之間的重量差異提供了對于給定的抽樣體積在給定時間段內(nèi)的粒子重量。濾光器抽樣的一些優(yōu)勢包括：1)設(shè)立和實施，以及隨后解釋數(shù)據(jù)相對便宜；2)基于第一原則的測量概念更易于把握并與感興趣的其它團體分享。另一方面，重力過濾的測量總成本更高，其包括使其非常昂貴的大量的勞動力成本、試圖測量低粒子濃度可能是非常困難的，因為測量結(jié)果是2次重量狀況之差(未使用和使用濾光器)，時間分辨率差，過程是勞動密集型的，并且可能有操作者錯誤，而且粒子可在稱重之前消失。

由于傳感器隨溫度、濕度或其它外部因素而漂移，光度計傳感器往往需要頻繁的零和跨度校準(zhǔn)。各種光度計的一些缺點是：(1)僅測量總質(zhì)量(不提供粒度分離的質(zhì)量信息)；(2) 光度計信號取決于粒子性質(zhì)，比如，尺寸、形狀和折射率，因而不同氣溶膠需要不同的校準(zhǔn)因子；(3)光度計對直徑接近光源波長的粒子通常更靈敏，并且對于在該尺寸范圍外的粒子，每單位質(zhì)量的信號急劇下降；以及(4)如果抽樣的氣溶膠含有大于4μm的粒子，光度計可低估顆粒質(zhì)量。

一種依賴粒度實時測量數(shù)量濃度的儀器是光學(xué)粒子計數(shù)器(OPC)。在OPC中，單獨的粒子穿過光束照射的詢問容積。通過各個粒子散射的光收集在檢測器上，以產(chǎn)生電脈沖。基于之前的校準(zhǔn)由脈沖高度和/或脈沖面積(即，散射輻射的強度)可以推斷粒度。因為由 OPC推斷的尺寸取決于粒子的光學(xué)性質(zhì)，推斷參數(shù)通常被稱為“光學(xué)等效粒度”。OPC的一些優(yōu)點是：(1)對于低粒子濃度，可以以高準(zhǔn)確度計算粒子；(2)對于尺寸大于1μm的粒子，良好的信噪比；以及(3)低成本。但是，因為確定取決于粒子形狀和折射率的假設(shè)，推斷的粒子光學(xué)尺寸未必與實際或幾何粒度相同。當(dāng)粒度分布轉(zhuǎn)換為質(zhì)量濃度時，如果不正確地假定粒子密度，可能產(chǎn)生另外的誤差。此外，當(dāng)在詢問容積區(qū)中存在多種粒子時，OPC通常低估粒子濃度(通常被稱為“重疊誤差”的情況)。因此，OPC通常只用在相對干凈的環(huán)境中。一個例子是TSI Model 9306OPC，其在約200個粒子/cm³的數(shù)量濃度或小于1mg/m³的質(zhì)量濃度計算95％的粒子。在上述這些限制上，Model 9306的計算效率隨濃度增加而迅速下降。

總之，濾光器抽樣提供第一原則質(zhì)量測量，但時間分辨率差，并且其不提供粒度信息。獲得尺寸分離的質(zhì)量濃度的測量可能需要采購和維護多臺儀器。光度計測量廣泛的粒子濃度范圍，但其不提供粒度信息，并且可能對直徑大于約4μm的粒子相對不靈敏。可以在范圍廣泛的質(zhì)量濃度和廣大地理區(qū)域上以有競爭力的成本和簡單的遠程校準(zhǔn)實時提供尺寸分離的粒子質(zhì)量濃度信息的儀器和系統(tǒng)將會是受歡迎的改進之處。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的各種實施例提供一種低成本的、外形非常緊湊的可現(xiàn)場校準(zhǔn)的粒子傳感器的解決方案。這使得低成本的傳感器對低濃度的污染測量更精確，并降低了具有廣泛的地理覆蓋范圍的污染測量系統(tǒng)的成本。

在相關(guān)的實施例中，本發(fā)明闡述了一種方法和系統(tǒng)，以針對可能或不可能與單獨的傳感器在物理上位于相同位置的參考儀器(比如，BAM-β衰減監(jiān)測器)遠程地和自動地校準(zhǔn)在此公布的一個或更多個低成本傳感器以及其它市售傳感器(比如，光學(xué)粒子計數(shù)器、光度計等等)。該方法可以要求最小的(或不要求)用戶互動并且校準(zhǔn)周期是可周期性地調(diào)節(jié)的(每小時，每天，每周等)。光學(xué)傳感器的校準(zhǔn)用于解釋本發(fā)明的實施例。

光學(xué)傳感器，比如，光學(xué)粒子計數(shù)器和光度計，通常用于氣溶膠場。這些傳感器測量粒子散射或消弱的光。光信號在很大程度上取決于氣溶膠性質(zhì)，即，折射率和形態(tài)。如果氣溶膠的光學(xué)性質(zhì)是已知的或針對測量參考校準(zhǔn)儀器，通過進行理論散射建模可以將折射率和形態(tài)的影響考慮在內(nèi)。如果針對非光學(xué)參考儀器校準(zhǔn)光學(xué)傳感器，那么使用這個方法有另外的好處：通過這些傳感器測得的光信號將自動轉(zhuǎn)換成另一有用的、感興趣的氣溶膠性質(zhì)。例如，如果針對參考質(zhì)量測量儀器校準(zhǔn)光學(xué)傳感器，而不是顯示光信號，那么這些傳感器可以提供氣溶膠質(zhì)量信息。如果參考儀器是空氣動力學(xué)尺寸測量儀器，那么這些光學(xué)傳感器在校準(zhǔn)后可以用于測量氣溶膠的空氣動力學(xué)尺寸。理想情況下，每次氣溶膠組成改變，應(yīng)重新校準(zhǔn)光學(xué)傳感器。然而，在實踐中，校準(zhǔn)通常僅偶然進行，因為由于其大尺寸和高成本，參考儀器通常僅在實驗室或在某些的固定位置可用。此外，校準(zhǔn)過程通常是勞動密集型且昂貴的，因此現(xiàn)場頻繁地進行校準(zhǔn)是不切實際的。本發(fā)明的一個實施例提供一種方法和系統(tǒng)以易于校準(zhǔn)這些位于遠程的傳感器并且不要求參考儀器與傳感器在物理上位于相同位置。

在一個實施例中，提供一種用于感測低濃度顆粒物的傳感器組件，該傳感器組件包括具有前部和后部的殼體，其中所述后部包括空氣通道，該空氣通道設(shè)置成使抽樣的粒子氣溶膠從后部到達前部。所述組件還包括粒子傳感器設(shè)備，該粒子傳感器設(shè)備具有前表面和后表面以及從其中穿過，從后表面貫穿至前表面的流道，粒子傳感器設(shè)備的后表面處于殼體的空氣通道上，使得至少一部分抽樣的粒子氣溶膠流入所述粒子傳感器設(shè)備的流道中。此外，微型鼓風(fēng)機元件置于所述殼體的空氣通道和粒子傳感器設(shè)備的后表面之間，該微型鼓風(fēng)機適于周期性地推動空氣穿過粒子傳感器設(shè)備的流道，使得在后續(xù)讀數(shù)前將粒子傳感器歸零，并且，濾芯鄰近微型鼓風(fēng)機和空氣通道，所述濾芯設(shè)置成過濾來自空氣流體的顆粒。在相關(guān)的實施例中，該傳感器組件形成空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的一部分，該空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)具有至少一個可場地校準(zhǔn)的傳感器組件、至少一個與移動設(shè)備信息在通信上連通的傳感器組件，與適于接收校準(zhǔn)因子的服務(wù)器通信的移動設(shè)備，其中該校準(zhǔn)因子由從參考儀器和從傳輸標(biāo)準(zhǔn)模塊(其中之一遠離待校準(zhǔn)的至少一個傳感器)接收的數(shù)據(jù)產(chǎn)生。

在另一實施例中，提供一種粒子傳感器組件校準(zhǔn)系統(tǒng)，該粒子傳感器組件校準(zhǔn)系統(tǒng)包括至少一個位于遠程的粒子傳感器組件，該粒子傳感器組件結(jié)合至少一個參考儀器進行校準(zhǔn)，其中所述至少一個參考儀器用于產(chǎn)生校準(zhǔn)因子。此外，移動設(shè)備設(shè)置成與至少一個參考儀器和至少一個位于遠程的粒子傳感器組件通信。

在另一實施例中，所述校準(zhǔn)系統(tǒng)進一步包括傳輸標(biāo)準(zhǔn)模塊，所述傳輸標(biāo)準(zhǔn)模塊與移動設(shè)備在通信上連通，其中所述傳輸標(biāo)準(zhǔn)模塊選自：與處于校準(zhǔn)的粒子傳感器類型相同的粒子傳感器或與處于校準(zhǔn)的粒子傳感器相關(guān)性良好的傳感器。

在另一實施例中，所述校準(zhǔn)系統(tǒng)形成空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，所述空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)具有至少一個可以現(xiàn)場校準(zhǔn)的傳感器組件，至少一個與控制設(shè)備在通信上連通的傳感器組件，以及廣播模塊；所述控制設(shè)備適于接收來自所述至少一個參考儀器的校準(zhǔn)因子，并且將其傳送至廣播模塊，所述廣播模塊設(shè)置成將所述校準(zhǔn)因子傳送至多個粒子傳感器組件。

在另一實施例中，提供一種粒子傳感器組件校準(zhǔn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括至少一個位于遠程的粒子傳感器組件，該粒子傳感器組件設(shè)置成結(jié)合至少一個參考儀器進行校準(zhǔn)，其中所述至少一個參考儀器設(shè)置成產(chǎn)生校準(zhǔn)因子。此外，控制設(shè)備設(shè)置成與至少一個參考儀器和至少一個位于遠程的粒子傳感器組件通信。

結(jié)合附圖，從下文具體實施例的描述中將更好地理解本發(fā)明自身關(guān)于其結(jié)構(gòu)和其操作方法的各種實施例的新特征，及其另外的優(yōu)勢。

附圖說明

結(jié)合附圖，本發(fā)明的其它重要優(yōu)勢將在本發(fā)明下面的詳細(xì)描述中顯現(xiàn)，其中：

圖1A-1B分別為根據(jù)本發(fā)明的實施例的低成本粒子傳感器組件的分解及嵌入視圖；

圖2A-2B為在此教導(dǎo)的粒子傳感器組件的側(cè)剖面和3-D視圖以及根據(jù)本發(fā)明的實施例采用的氣溶膠樣品的流動方向；

圖3A-3D為根據(jù)本發(fā)明的實施例的粒子傳感器組件中使用的灰塵傳感器設(shè)備的視圖；

圖4為展示了在各種情況下，根據(jù)在此教導(dǎo)的粒子傳感器組件的性能的圖；

圖5為根據(jù)本發(fā)明的實施例，遠程校準(zhǔn)的粒子傳感器的頂級系統(tǒng)圖；

圖6展示了根據(jù)本發(fā)明的實施例，使用因特網(wǎng)服務(wù)器校準(zhǔn)粒子傳感器的系統(tǒng)和方法；以及

圖7展示了根據(jù)本發(fā)明的實施例，使用因特網(wǎng)服務(wù)器和傳輸標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)粒子傳感器的系統(tǒng)和方法。

具體實施方式

下文更具體地描述了根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置的各種相關(guān)概念和實施例。應(yīng)該意識到，由于主題不限于任何特定的實施方式，上述介紹的和下文更詳細(xì)討論的主題的各方面可以以許多方式實施。提供具體實施和應(yīng)用的例子主要用于說明的目的。

在一個實施例中，公開一種廉價和非常緊湊的設(shè)備，該設(shè)備滿足了低成本傳感器的頻繁零校準(zhǔn)的要求。所述低成本粒子傳感器并入了獨特的和緊湊的壓電微型鼓風(fēng)機和過濾材料以使過濾的空氣周期性地穿過光照度傳感器，從而提供更準(zhǔn)確的低濃度測量結(jié)果。在該實施例中，壓電微型鼓風(fēng)機比其它空氣驅(qū)除器的優(yōu)點在于，其能夠提供足夠的壓力穿過濾光器以驅(qū)動大量的流體(約1LPM)，從而向非常小的包裝中的灰塵或粒子傳感器組件提供清潔的空氣。該粒子傳感器組件應(yīng)用于PM2.5的室內(nèi)或室外空氣測量系統(tǒng)或其它空氣污染測量。具體的設(shè)計整合了使這類微型鼓風(fēng)機或微型泵適應(yīng)該應(yīng)用的若干設(shè)計特征。在相關(guān)的實施例中，由于用戶的系統(tǒng)成本改進，這樣的低成本粒子傳感器促進跨越大地理區(qū)域的粒子總監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)。

現(xiàn)在參見附圖，并且特別是圖1A至圖3D，圖1A-1B分別示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的低成本粒子傳感器組件100的分解及嵌入視圖。在本實施例中，粒子傳感器組件100包括支持電路板103的殼體102、用于樣品空氣流動的孔104、灰塵傳感器110、適于裝配至孔104 中的壓電微型鼓風(fēng)機130、用于微型鼓風(fēng)機130的后部的過濾介質(zhì)140，和將所有組件保持在一起的固定夾150。圖1B的嵌入視圖示出上述組裝的各種組件。圖2B示出完全組裝的粒子傳感器組件100的3D視圖。在本實施例中，微型鼓風(fēng)機130如在專利號為8,678,787的美國專利中詳細(xì)所述，其全部內(nèi)容通過引用結(jié)合到本文中。在相關(guān)實施例中，鼓風(fēng)機130構(gòu)造成其它設(shè)計，且可以構(gòu)造成微型泵，如專利號為8,066,494的美國專利中所述，該美國專利的全部內(nèi)容通過引用結(jié)合到本文中。

現(xiàn)在參見圖2A，展示了在此教導(dǎo)的粒子傳感器組件100的側(cè)剖面視圖，該粒子傳感器組件100展示了在殼體102中的流道105，抽樣的空氣以流動方向106前進并且經(jīng)由微型鼓風(fēng)機130和灰塵傳感器110的圓柱形通道114A移動。操作期間，待抽樣的空氣流經(jīng)流道105 沿殼體102的壁，接著通過圓柱形通道114A，在圓柱形通道114A，光與通過通道114A的流體垂直。在本實施例中，濾芯在殼體的外部，使得裝載粒子的氣溶膠流體通過濾光器，接著通過微型鼓風(fēng)機，然后通過灰塵傳感器。在本實施例中，鼓風(fēng)機或泵130使用尺寸非常緊湊并且易于被電子設(shè)備驅(qū)動的壓電晶體。壓電微型鼓風(fēng)機130供應(yīng)大量的流體(約1lpm)以向在非常小的包裝中的灰塵或粒子傳感器110提供干凈的空氣。該設(shè)計使過濾介質(zhì)140易于安裝和更換。該設(shè)計還使泵的高速輸出擴散，因此可以在短時間清理出較大的傳感器空間。該泵在不使用導(dǎo)管或O環(huán)的情況下給樣品空氣流規(guī)定線路。圖4為展示在各種情況下，在此教導(dǎo)的粒子傳感器組件100的性能的圖，其中用干凈空氣清洗檢測室(具有歸零的泵的尖頭4) 以改進灰塵傳感器在低濃度的準(zhǔn)確度。

現(xiàn)在參見圖3A-3D，該圖分別為傳感器組件100中使用的光電灰塵傳感器110的剖視圖、正視圖、底視圖，和后視圖。在主體殼體112的前面板113形成開口113a，在主體殼體 112的背面板114形成通孔114a，并且使灰塵和/或煙塵或煙霧能夠通過的流道或灰塵通路設(shè)置在背面板114的通孔114a和前面板113的開口113a之間。通孔114a用于將灰塵和/或煙塵引入灰塵通路。開口113a，用于將灰塵和/或煙塵從所述灰塵通路排出，相比通孔114a是足夠大的。在本實施例中，微型鼓風(fēng)機位于傳感器110的孔114a處或附近，以推動空氣通過傳感器110，從而通過定期啟動微型鼓風(fēng)機清除設(shè)備并將設(shè)備歸零。為此目的，該微型鼓風(fēng)機可以每小時或每周運行幾分鐘。在一個實施例中，流體(暫時性地)是連續(xù)的、通常無脈沖的空氣流，并且在一個實施例中該流體連續(xù)打開2-5分鐘。此外，該流體可以是周期性的，比如每分鐘一次或每周一次。

此外，分別設(shè)置發(fā)光單元115和光接收單元116以指向灰塵或粒子通路。在本實施例中，多個光擋板117以酌情分布的方式設(shè)置，防止來自發(fā)光單元115的光直接入射在光接收單元116上并且形成光隔離區(qū)118。在本實施例中，發(fā)光單元115配備發(fā)光元件115a、透鏡 115b和狹縫115c；透鏡115b使來自發(fā)光元件115a的光準(zhǔn)直。通過狹縫115c使準(zhǔn)直光束的橫截面變窄和/或成形，并且此后從中退出，使得其對準(zhǔn)灰塵通路。光接收單元116配備光接收元件116a、透鏡116b和狹縫116c；并且來自灰塵通路的光通過狹縫116c和透鏡116b會聚到光接收元件116a上。

在本實施例中，發(fā)光單元的透鏡115b和狹縫115c使來自發(fā)光元件115a的光集中，其中來自發(fā)光元件115a的光可以在主體殼體112內(nèi)分散并反射，從而使不想要的光入射到光接收單元116上。此外，光接收單元116的透鏡116b和狹縫116c使光接收元件116a接收在灰塵通路中的灰塵和/或煙塵反射的光，從而預(yù)防光接收元件116a接收在主體殼體112內(nèi)反射的不想要的光。在沒有灰塵或煙塵通過灰塵通路的情況下，那么來自發(fā)光單元115的光會穿過灰塵通路并且到達光隔離區(qū)18，因此在光電灰塵傳感器110會感測到光接收單元116接收的光的數(shù)量將極少。

相反，在灰塵和/或煙塵或煙霧穿過灰塵通路的情況下，因為來自發(fā)光單元115的一部分光將被在灰塵通路的灰塵和/或煙塵或煙霧反射并入射到光接收單元116上，在光接收單元 116接收的光的數(shù)量將增加。因此，可以基于光接收單元116的光接收元件116a處接收的光輸出的變化檢測存在和/或不存在灰塵和/或煙霧穿過所述灰塵通路。此外，基于光接收元件 116a處接收的光輸出水平可以檢測穿過所述灰塵通路的灰塵和/或煙霧的濃度。專利號為 7,038,189的美國專利進一步描述了光電傳感器110的操作和形成光電傳感器110的電路，其全部內(nèi)容通過引用結(jié)合到本文中

現(xiàn)在參見圖5-7，特別是圖5展示了根據(jù)本發(fā)明的實施例，用于以一個或更多個無需與粒子傳感器位于一處的參考儀器遠程校準(zhǔn)兩個或更多個粒子傳感器的系統(tǒng)200和方法的高層次視圖。特別地，系統(tǒng)200包括連同一個或更多個參考儀器220和用于促進遠程傳感器校準(zhǔn)進程的傳輸標(biāo)準(zhǔn)模塊230部署現(xiàn)場中的多個粒子傳感器210A-210D。所述傳輸標(biāo)準(zhǔn)模塊230與控制設(shè)備280在通信上連通。為了確保良好的校準(zhǔn)，該傳輸標(biāo)準(zhǔn)模塊230優(yōu)選為(但不限于)： (1)與處于校準(zhǔn)的粒子傳感器類型相同的粒子傳感器；或(2)與處于校準(zhǔn)的粒子傳感器相關(guān)性良好的傳感器。參考儀器220和傳輸標(biāo)準(zhǔn)模塊230的讀數(shù)首先可以在因特網(wǎng)和其它一些通信網(wǎng)絡(luò)上得到。這可以以若干方式完成，包括將數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)頁、通過短信(例如，社交媒體服務(wù)器推特)或文本發(fā)送信息。接著軟件模塊或固件從互聯(lián)網(wǎng)將參考儀器220和傳輸標(biāo)準(zhǔn)模塊230讀數(shù)或數(shù)據(jù)下載到校準(zhǔn)因子模塊240。然后在校準(zhǔn)因子模塊240進行計算或處理這些數(shù)據(jù)/讀數(shù)，以確定將在遠程粒子傳感器中使用的校準(zhǔn)因子。由于不同位置或城市可能需要不同的校準(zhǔn)因子，可以通過使用駐扎在特定位置/城市的參考儀器220和傳輸標(biāo)準(zhǔn)模塊230確定某一位置/城市具體的校準(zhǔn)因子。因而生成查找表，并且其由在各種位置或城市的校準(zhǔn)因子的信息組成。然后，將該查找表上傳到服務(wù)器250。這個查找表的內(nèi)容可以在一定期限刷新，例如每小時、每天、每周等。所述校準(zhǔn)因子模塊240適于將所述校準(zhǔn)因子傳送至所述服務(wù)器模塊，所述服務(wù)器模塊設(shè)置成將所述校準(zhǔn)因子傳送至所述移動設(shè)備，以傳送至至少一個待校準(zhǔn)的傳感器。

一旦該查找表生成并上傳到服務(wù)器250，有兩種方式來校準(zhǔn)現(xiàn)場中的傳感器。一種方式是使用移動設(shè)備260從因特網(wǎng)上下載查詢表，然后基于存儲在傳感器的位置信息將校準(zhǔn)因子傳輸或傳送至粒子傳感器210A。移動設(shè)備260和傳感器210A之間的通信為有線或無線通信270。如果在此位置無法使用校準(zhǔn)因子，用戶能輸入自定義校準(zhǔn)因子，使用之前存儲在所述粒子傳感器的值，或基于待校準(zhǔn)的粒子傳感器的位置及其最近的參考儀器和傳輸標(biāo)準(zhǔn)使用插補值。之前存儲的值也可以為工廠校準(zhǔn)值。由于來自移動設(shè)備260的信號可能具有非常有限的傳送范圍，有可能一次只能校準(zhǔn)一個粒子傳感器。

在相關(guān)的實施例中，為了一次校準(zhǔn)多個粒子傳感器，使用控制設(shè)備280和廣播模塊290 并集成于校準(zhǔn)系統(tǒng)中。所述控制裝置280可以是計算機或服務(wù)器，而廣播模塊290可以是Wi-Fi 路由器、藍牙設(shè)備或無線電頻率廣播器?？刂圃O(shè)備280從因特網(wǎng)或服務(wù)器250下載查找表，基于所述粒子傳感器的物理位置確定校準(zhǔn)因子，然后經(jīng)由廣播器將校準(zhǔn)因子發(fā)送至所有粒子傳感器210B-210D。通過控制設(shè)備280可設(shè)置傳感器的校準(zhǔn)頻率。

現(xiàn)在參見圖6，其示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例，在不使用因特網(wǎng)服務(wù)器的情況下，校準(zhǔn)粒子傳感器310A-310D的系統(tǒng)300和方法。在本實施例中，通過移動設(shè)備360或控制設(shè)備 380直接確定校準(zhǔn)因子(如圖6所示)。因此，這里不需要如之前的實施例一樣保持查找表的因特網(wǎng)服務(wù)器。類似之前的實施例，通過一次一個傳感器或一次多個傳感器的方法將校準(zhǔn)因子傳遞至傳感器310A-310D。在這里公開的各種實施例中，參考儀器包括β衰減監(jiān)視器 (BAM)(其可從這些制造商，比如明尼蘇達州明尼阿波里斯市的Thermo Fisher Scientific,Inc. 在商業(yè)上獲得)或包括一個或多個低成本的、如圖1-3在此所述的傳感器。在該實施例中，通過比較低成本傳感器讀數(shù)與在相同的通用區(qū)域的其它低成本傳感器確定或生成校準(zhǔn)因子。

現(xiàn)在參見圖7，其示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例，不使用因特網(wǎng)和傳輸標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)粒子傳感器410A-410C的系統(tǒng)400和方法。在本發(fā)明的此實施例中，在沒有傳輸標(biāo)準(zhǔn)的情況下，通過比較來自參考儀器420和一個粒子傳感器，例如傳感器410A，的數(shù)據(jù)，確定或生成校準(zhǔn)因子。不同于之前的實施例，該校準(zhǔn)方案或設(shè)置使用雙向通信470以針對標(biāo)準(zhǔn)或參考儀器完成遠程傳感器校準(zhǔn)。當(dāng)校準(zhǔn)多個傳感器時，控制設(shè)備480與參考儀器420并與一個或多個傳感器410B-410C通信以得到校準(zhǔn)因子并最終校準(zhǔn)遠程粒子傳感器。

在此描述的遠程校準(zhǔn)方法和系統(tǒng)的一個應(yīng)用是用于校準(zhǔn)場地中部署的氣溶膠光學(xué)傳感器。光學(xué)傳感器，如光學(xué)粒子計數(shù)器、光度計常用于氣溶膠監(jiān)測領(lǐng)域。這些傳感器測量粒子散射的或消弱的光。光信號很大程度上取決于氣溶膠性質(zhì)，即，折射率和形態(tài)。如果氣溶膠的光學(xué)性質(zhì)是已知的或針對測量參考校準(zhǔn)儀器，通過進行理論散射建?？梢詫⒄凵渎屎托螒B(tài)的影響考慮在內(nèi)。

如果針對非光學(xué)參考儀器校準(zhǔn)光學(xué)傳感器，另外的好處是通過這些傳感器測得的光學(xué)信號將自動轉(zhuǎn)換成感興趣的另外的氣溶膠性質(zhì)。例如，如果針對參考質(zhì)量測量儀器校準(zhǔn)光學(xué)傳感器，而非顯示光信號，這些傳感器可以提供氣溶膠質(zhì)量信息。如果參考儀器為空氣動力學(xué)尺寸測量儀器，那么這些光學(xué)傳感器在校準(zhǔn)后可用于測量氣溶膠空氣動力學(xué)尺寸。理想情況下，每次氣溶膠的組合物改變，應(yīng)該重新校準(zhǔn)光學(xué)傳感器。但是，實際上，通常僅不頻繁地進行校準(zhǔn)，因為：1)由于其大尺寸和高成本，參考儀器通常僅可在實驗室或某些固定位置中使用；或2)校準(zhǔn)過程通常是勞動密集型的和昂貴的，因此，現(xiàn)場中頻繁地進行校準(zhǔn)是不切實際的。在此的教導(dǎo)提供一種在不要求參考儀器位于相同地點的情況下容易地校準(zhǔn)這些光學(xué)傳感器的方法。在本實施例中，將光學(xué)傳感器校準(zhǔn)以監(jiān)測小于2.5μm的顆粒物(PM)的質(zhì)量。

該實施例中的參考儀器是β衰減監(jiān)測(BAM)儀器。BAM通過比較抽樣前后在濾光器或薄膜上收集的β輻射衰減確定顆粒物的質(zhì)量。BAM通常被美國國家環(huán)境保護局(EPA) 用于在不同的監(jiān)測點監(jiān)測PM2.5。該技術(shù)也廣泛應(yīng)用于其它國家?？諝獗O(jiān)測機構(gòu)網(wǎng)站上的公眾通常可獲得BAM設(shè)備收集的大量信息。一些監(jiān)測點甚至每小時使用社交媒體服務(wù)器推特將信息發(fā)送出去。在該實施例中使用的傳輸標(biāo)準(zhǔn)模塊為位于全天候防護外殼中以防止其受元件之害的光學(xué)粒子計數(shù)器或光度計。可以在大城市部署幾個這樣的傳遞標(biāo)準(zhǔn)模塊，其中BAM 信息是可利用的并且由這些傳遞標(biāo)準(zhǔn)模塊收集的數(shù)據(jù)被發(fā)送至云服務(wù)器。通過比較來自BAM 和傳遞標(biāo)準(zhǔn)模塊的數(shù)據(jù)/信息，可以生成在各個位置/城市的校準(zhǔn)因子，并且可以生成查找表而且該查找表被上傳到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器或其它網(wǎng)絡(luò)存儲位置。通過使用移動設(shè)備，可以從服務(wù)器抽出查找表并且可以將合適的校準(zhǔn)因子傳輸至位于室內(nèi)或室外的一個或多個顆粒物傳感器。使用在此描述的方法，可針對位于城市某處的參考儀器(在該情況下，為如本文所述的BAM 或低成本傳感器)每日校準(zhǔn)在指定城市中的各種顆粒物傳感器。每日校準(zhǔn)確保這些傳感器將當(dāng)時該城市/地區(qū)中存在的氣溶膠類型考慮在內(nèi)，并由此提供有用的和可信的讀數(shù)。

通過引用結(jié)合下面的專利和公布的全部內(nèi)容：專利號為5,121,988、7,111,496(BAM設(shè)備)、7,932,490、8,009,290，以及8,351,035(傳感器校準(zhǔn))的美國專利

在說明書中陳述的本發(fā)明的上述具體實施例僅為了說明的目的。在不脫離其主題的情況下，可以進行各種偏離和修改，其都在本發(fā)明的本質(zhì)和范圍內(nèi)。