本實用新型涉及大氣環(huán)境細(xì)粒子檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種小型化快速測量細(xì)粒子粒徑分布的平板裝置。

背景技術(shù)：

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，對公共健康日益關(guān)注，尤其是對大氣環(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，顆粒越小對人體健康的危害越大。同時細(xì)顆粒物能飄到較遠(yuǎn)的地方，影響范圍較大，因此在測量顆粒物濃度時有必要對顆粒物進(jìn)行分級。

目前國際上普遍采用光散射和空氣動力學(xué)飛行時間測量相結(jié)合的方法來實現(xiàn)光散射粒徑或者空氣動力學(xué)粒徑的測量，如光學(xué)粒子計數(shù)器、空氣動力學(xué)粒徑譜分析儀，但都很難測量粒徑在300nm以下的大氣細(xì)粒子。對于粒徑在100nm以下的大氣細(xì)粒子的粒徑測量，國際上主要通過帶電粒子在電場中的電遷移特性，根據(jù)不同粒徑粒子的電遷移率不同，來實現(xiàn)粒徑的分級。

傳統(tǒng)的納米級別的粒子分級儀器，設(shè)計了掃描電遷移率粒徑譜儀（SMPS）+法拉第杯靜電計（FCE）的組合測量系統(tǒng)，體積都比較龐大，分為好幾個獨立模塊，而且價格都比較昂貴。例如德國Grimm公司的研發(fā)人員將電遷移掃描和法拉第杯微電流檢測相結(jié)合，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，不適宜移動污染源的檢測；同時現(xiàn)有技術(shù)一般都采用宏觀的機(jī)械結(jié)構(gòu)，對零件的加工裝配提出了極高的要求，同時一般都難以做到小型化和實時監(jiān)測。如美國Chen D.R.教授在檢測模塊的結(jié)構(gòu)尺寸上做出了很大的貢獻(xiàn)，體積方面做成了小型化，但是其檢測模塊的掃描是固定不變的，同時單個靜電計檢測測量比多個靜電計并行測量慢，實時性差，不適合快速測量粒徑譜的場合，如移動污染源顆粒物排放快速檢測。

目前常見商業(yè)化的粒徑檢測儀器中遷移管大都采用圓柱結(jié)構(gòu)，其由內(nèi)外兩個同心圓柱電極構(gòu)成，對電極的同軸度要求極高，其很小誤差也會導(dǎo)致電場的不均勻而降低DMA的檢測性能；并且電極尺寸越小，其同軸度精度越難控制，這大大增強(qiáng)了DMA遷移管微型化的難度。同時電荷收集設(shè)備需使用法拉第杯，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性、體積和成本，且測量系統(tǒng)關(guān)鍵核心模塊無法一體集成和屏蔽。最終導(dǎo)致整個測量系統(tǒng)加工裝配工藝難度大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、成本高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于提供一種小型化快速測量細(xì)粒子粒徑分布的平板裝置，彌補現(xiàn)有細(xì)粒子粒徑分布測量技術(shù)的不足，尤其是解決現(xiàn)有測量設(shè)備不能快速實時測量、體積龐大、不易攜帶等問題。

本實用新型的技術(shù)方案為：

一種小型化快速測量細(xì)粒子粒徑分布的平板裝置，該裝置包括單極性平板荷電模塊、平板檢測模塊以及微電流信號處理與電壓控制模塊；

所述單極性平板荷電模塊包括相互平行且正對設(shè)置的第一上面板和第一下面板、均勻開設(shè)在第一上面板和第一下面板上且垂直對應(yīng)的放電腔室、設(shè)置在放電腔室內(nèi)的放電針以及用于封閉放電腔室的導(dǎo)電多孔板；所述第一上面板與第一下面板之間構(gòu)成鞘氣進(jìn)氣通道；

所述平板檢測模塊包括相互平行且正對設(shè)置的第二上面板和第二下面板、設(shè)置在第二上面板上的若干分離電極、與分離電極一一對應(yīng)連接的若干電壓源、用于集中安裝電壓源的多端口陣列電壓源、設(shè)置在第二下面板上且與分離電極一一對應(yīng)的敏感電極、與敏感電極一一對應(yīng)連接的若干靜電計以及設(shè)置在第二上面板和第二下面板后端的廢氣出口；所述第二上面板與第一上面板之間相互平行且構(gòu)成樣氣進(jìn)氣通道；

所述微電流信號處理與電壓控制模塊包括控制器、與放電針連接的單極性高壓源及其控制電路、與多端口陣列電壓源連接的掃描電壓控制電路、與靜電計連接的微電流檢測處理電路、與鞘氣進(jìn)氣通道、樣氣進(jìn)氣通道和廢氣出口連接的真空泵及其驅(qū)動電路、與控制器交互連接的存儲器以及輸入端與控制器的輸出端連接的顯示器；所述微電流檢測處理電路的輸出端連接控制器的輸入端，所述控制器的輸出端分別連接單極性高壓源及其控制電路的輸入端、掃描電壓控制電路的輸入端和真空泵及其驅(qū)動電路的輸入端。

所述的小型化快速測量細(xì)粒子粒徑分布的平板裝置，所述第一上面板、第一下面板、第二上面板和第二下面板均采用氧化鋁陶瓷制備；所述第一上面板與第一下面板的間距為2～6mm，所述第二上面板與第二下面板的間距為1～8mm，所述樣氣進(jìn)氣通道的進(jìn)氣口縫為0.5～2mm。

所述的小型化快速測量細(xì)粒子粒徑分布的平板裝置，所述放電針呈陣列垂直對稱結(jié)構(gòu)，由鎢、銅或不銹鋼制備，其針尖的曲率半徑為10～200um。

所述的小型化快速測量細(xì)粒子粒徑分布的平板裝置，所述分離電極與敏感電極之間構(gòu)成掃描電場區(qū)域，所述掃描電場區(qū)域的長度為10～150mm，寬度為10～50mm；所述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3.0×10^-8Ω·m，包括銀、紫銅、金,所述泡沫金屬材料的孔隙密度在20～140之間。

所述的小型化快速測量細(xì)粒子粒徑分布的平板裝置，所述分離電極采用條形電極，各個分離電極互不接觸；所述敏感電極采用條形電極并與對應(yīng)的分離電極寬度相同，各個敏感電極之間互不接觸。

所述的小型化快速測量細(xì)粒子粒徑分布的平板裝置，各個分離電極連為一體。

本實用新型的有益效果為：

（1）本實用新型采用多靜電計并行測量比單靜電計測量速度更快，適合快速檢測粒徑譜的場合，如移動污染源顆粒物排放快速檢測；

（2）本實用新型檢測時只需要敏感電極，無需法拉第杯等外部收集設(shè)備，使得結(jié)構(gòu)簡單，易于小型化和低成本；

（3）本實用新型的單極性平板荷電模塊和平板檢測模塊的結(jié)構(gòu)均為平板結(jié)構(gòu)，易于一體集成和小型化；

（4）本實用新型的平板檢測模塊內(nèi)的第二上面板上的分離電極數(shù)量可以根據(jù)實際需要靈活配置，易于提高粒徑檢測的分辨率和速度，但同時并不增加制作工藝難度和測量系統(tǒng)的體積和成本；

（5）本實用新型整個的制作材料是耐高溫陶瓷和金屬，可以適用于高溫顆粒物檢測條件下，因此可以應(yīng)用在固定高溫?zé)煔獾臋z測場合，同時微型化的結(jié)構(gòu)也可以應(yīng)用到移動源尾氣檢測方面；

（6）本實用新型集成度高、體積小、成本低，一體化設(shè)計便于隨身攜帶，可實現(xiàn)移動式污染源監(jiān)測和大區(qū)域?qū)挿秶亩喙?jié)點聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測。

附圖說明

圖1是本實用新型的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實用新型的單極性平板荷電模塊放電腔室的分布俯視圖；

圖3是本實用新型的平板檢測模塊的示意圖；

圖4是本實用新型的平板檢測模塊分離電極的分布俯視圖；

圖5是本實用新型的平板檢測模塊敏感電極的分布俯視圖；

圖6是本實用新型的掃描電場部分示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例進(jìn)一步說明本實用新型。

如圖1～圖6所示，一種小型化快速測量細(xì)粒子粒徑分布的平板裝置，包括單極性平板荷電模塊1、平板檢測模塊2以及微電流信號處理與電壓控制模塊3。

單極性平板荷電模塊1用于對潔凈鞘氣的荷電，采用平板型結(jié)構(gòu)，包括相互平行且正對設(shè)置的第一上面板11和第一下面板12，均勻布置在第一上面板11上的六根放電針14與均勻布置在第一下面板12上的六根放電針上下垂直對應(yīng)，第一上面板11和第一下面板12上分別挖有用于放置放電針14的放電腔室13，第一上面板11和第一下面板12上的放電腔室13垂直對應(yīng)，放電腔室13的開口用導(dǎo)電多孔板15封閉。第一上面板11與第一下面板12之間構(gòu)成鞘氣進(jìn)氣通道10。

平板檢測模塊2用于對樣氣氣流中的細(xì)粒子分級，采用平板型結(jié)構(gòu)，包括相互平行且正對設(shè)置的第二上面板21和第二下面板22，第二上面板21上的十二個分離電極23通過穿孔導(dǎo)線29與十二個電壓源24一一對應(yīng)連接，十二個電壓源24集中安裝在多端口陣列電壓源25中，第二下面板22上的十二個敏感電極26通過穿孔導(dǎo)線29與十二個靜電計27一一對應(yīng)連接。第二上面板21與第一上面板11之間相互平行且構(gòu)成樣氣進(jìn)氣通道20。

微電流信號處理與電壓控制模塊3是信號控制與數(shù)據(jù)采集處理部分，包括控制器31、單極性高壓源及其控制電路32、掃描電壓控制電路33、微電流檢測處理電路34、真空泵及其驅(qū)動電路35、存儲器36和顯示器37。

單極性高壓源及其控制電路32的輸入端連接控制器31的輸出端，單極性高壓源及其控制電路32的輸出端連接放電針14。掃描電壓控制電路33的輸入端連接控制器31的輸出端，掃描電壓控制電路33的輸出端連接多端口陣列電壓源25的輸入端。微電流檢測處理電路34的輸出端連接控制器31的輸入端，微電流檢測處理電路34的輸入端連接靜電計27的輸出端。真空泵及其驅(qū)動電路35的輸入端連接控制器31的輸出端，真空泵及其驅(qū)動電路35與設(shè)置在第二上面板21和第二下面板22后端的廢氣出口28以及鞘氣進(jìn)氣通道10和樣氣進(jìn)氣通道20的入口連接。存儲器36與控制器31交互連接。顯示器37的輸入端與控制器31的輸出端連接。

第一上面板11、第一下面板12、第二上面板21和第二下面板22均采用氧化鋁陶瓷制備。第一上面板11與第一下面板12的間距為2～6mm，第二上面板21與第二下面板22的間距為1～8mm，以保證樣氣進(jìn)氣通道20的進(jìn)氣口縫為0.5～2mm。

十二個放電針14呈陣列垂直對稱結(jié)構(gòu)，由鎢、銅或不銹鋼制備，其針尖的曲率半徑為10～200um。

分離電極23與敏感電極26之間構(gòu)成掃描電場區(qū)域，掃描電場區(qū)域的長度為10～150mm，寬度為10～50mm。敏感電極26采用多孔金屬板制備，多孔金屬板采用泡沫金屬材料制備, 其中泡沫金屬材料的電阻率低于3.0×10^-8Ω·m，包括銀、紫銅、金，泡沫金屬材料的孔隙密度在20～140之間。

采用厚膜陶瓷印刷技術(shù)，在第二上面板21上刷出均勻分布且結(jié)構(gòu)相同的分離電極23，在第二下面板22上刷出與分離電極23上下垂直對應(yīng)的敏感電極26。分離電極23和敏感電極26均采用條形電極，相互對應(yīng)的分離電極23和敏感電極26寬度相同。分離電極23的一種配置形式是：各個分離電極23彼此絕緣互不接觸，各自通過穿孔導(dǎo)線29與多端口陣列電壓源25中的電壓源24一一對應(yīng)連接，通過多端口陣列電壓源25給分離電極23提供掃描電壓，接通電壓的分離電極23與第二下面板22上對應(yīng)的敏感電極26之間形成勻強(qiáng)電場，當(dāng)接通電壓的分離電極23數(shù)目增多時，勻強(qiáng)電場區(qū)域會變大；同理，當(dāng)接通電壓的分離電極23數(shù)目減少時，勻強(qiáng)電場區(qū)域會變??；本實用新型所描述的平板裝置的分離電極23結(jié)構(gòu)配合多端口陣列電壓源25，實現(xiàn)了實際應(yīng)用中可調(diào)勻強(qiáng)電場范圍的要求。

上述多端口陣列電壓源25與每個分離電極23單獨連接互不影響的結(jié)構(gòu)，通過控制提供給每個分離電極23的掃描電壓大小來控制分離電極23與敏感電極26之間構(gòu)成的掃描電場區(qū)域的電場強(qiáng)度的大小。這種獨立提供掃描電壓的結(jié)構(gòu)可以控制各個分離電極23之間接通相同電壓，在平板檢測模塊2形成勻強(qiáng)電場；同理，這種獨立提供掃描電壓的結(jié)構(gòu)還可以控制各個分離電極23之間接通遞變電壓，在平板檢測模塊2形成遞變電場，實現(xiàn)了實際應(yīng)用中可調(diào)電場強(qiáng)度范圍的要求。

每個敏感電極26在第二下面板22上的位置不同，不同位置的敏感電極26表示獲取不同粒徑的帶電細(xì)粒子，每個敏感電極26上獲取的電流值表示對應(yīng)粒徑的細(xì)粒子數(shù)濃度；本實用新型所描述的平板裝置的敏感電極26結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了實際應(yīng)用中快速獲取細(xì)粒子粒徑分布的要求。

分離電極23的另一種配置形式是：各個分離電極23連為一體，通過厚膜陶瓷印刷技術(shù)一次印刷而成。當(dāng)分離電極23采用連為一體的電極結(jié)構(gòu)時，測量時加載在各個分離電極23上的掃描電壓一致。

本實用新型的工作原理：

本實用新型的氣路分為兩路，其中鞘氣氣路為循環(huán)氣路：控制器31通過真空泵及其驅(qū)動電路35控制鞘氣氣流以一定的平穩(wěn)流速進(jìn)入單極性平板荷電模塊1，同時控制樣氣氣流以一定的平穩(wěn)流速進(jìn)入平板檢測模塊2。鞘氣氣流進(jìn)入單極性平板荷電模塊1中由放電針14的尖端電暈放電所產(chǎn)生的單極性荷電區(qū)域，與通過導(dǎo)電多孔板15擴(kuò)散出放電腔室13的單極性帶電離子混合（放電針14呈陣列垂直對稱結(jié)構(gòu)，單極性高壓源及其控制電路32給放電針14提供高壓，在放電腔室13內(nèi)放電針14的尖端放電產(chǎn)生單極性荷電區(qū)域，電暈放電產(chǎn)生的單極性帶電離子通過封閉放電腔室13的導(dǎo)電多孔板15擴(kuò)散出放電腔室13平緩進(jìn)入鞘氣進(jìn)氣通道10與鞘氣氣流混合）。

載有帶電離子的鞘氣氣流進(jìn)入平板檢測模塊2，與樣氣氣流混合，鞘氣氣流中的帶電離子與樣氣氣流中的細(xì)粒子發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，使樣氣氣流中的細(xì)粒子帶上電荷?；旌虾蟮臍饬髟僖詫恿鳡顟B(tài)進(jìn)入分離電極23與敏感電極26之間構(gòu)成的掃描電場區(qū)域，通過掃描電壓控制電路33來控制加載在各個分離電極23上的掃描電壓，使氣流中的帶電細(xì)粒子在掃描電場區(qū)域發(fā)生電遷移，并由于粒徑的不同而偏轉(zhuǎn)至對應(yīng)的敏感電極26上，再以電流形式傳入對應(yīng)的靜電計27。

控制器31通過調(diào)用存儲器36中預(yù)存的偏轉(zhuǎn)至各個敏感電極26上的帶電細(xì)粒子的粒徑與加載在各個分離電極23上的掃描電壓之間的標(biāo)定關(guān)系，得到在一定的掃描電壓下偏轉(zhuǎn)至各個敏感電極26上的帶電細(xì)粒子的粒徑?？刂破?1通過微電流檢測處理電路34獲取靜電計27檢測的各個敏感電極26上的電流值，調(diào)用存儲器36中預(yù)存的各個敏感電極26上的基底電流值，相減得到各個敏感電極26上的真實電流值，用以表征對應(yīng)粒徑下的帶電細(xì)粒子數(shù)濃度，進(jìn)而繪制出樣氣氣流中的細(xì)粒子粒徑分布圖譜，在顯示器37上顯示，并保存在存儲器36中。最終的廢氣由真空泵及其驅(qū)動電路35抽出過濾后，循環(huán)再利用。

其中，通過掃描電壓控制電路33來控制加載在各個分離電極23上的掃描電壓，包括以下情形：

（1）控制加載在各個分離電極23上的掃描電壓相同，平板檢測模塊2內(nèi)形成恒定勻強(qiáng)電場區(qū)域。

（2）控制加載在各個分離電極23上的掃描電壓相同，通過改變分離電極23的數(shù)量，平板檢測模塊2內(nèi)形成不同范圍的恒定勻強(qiáng)電場區(qū)域，為不同粒徑的帶電細(xì)粒子進(jìn)入勻強(qiáng)電場區(qū)域，最后被檢測到提供了保障。帶電細(xì)粒子在偏轉(zhuǎn)過程中可能會因帶電量太少而不被檢測到。通過改變平板檢測模塊2的電場范圍，整體提高了帶電細(xì)粒子的檢出效率，拓寬了細(xì)粒子粒徑的測量范圍。

（3）控制加載在各個分離電極23上的掃描電壓依次從樣氣進(jìn)氣到樣氣出氣遞變，平板檢測模塊2內(nèi)形成階梯勻強(qiáng)電場區(qū)域。帶電細(xì)粒子進(jìn)入階梯勻強(qiáng)電場區(qū)域后，第一種形式是：分離電極23的電壓依次從樣氣進(jìn)氣到樣氣出氣遞增，帶電細(xì)粒子在偏轉(zhuǎn)過程中，隨著勻強(qiáng)電場區(qū)域電場強(qiáng)度的遞增，帶電細(xì)粒子的偏轉(zhuǎn)速度也越來越快，整體減少了帶電細(xì)粒子的偏轉(zhuǎn)時間，縮短了整個測量時間；第二種形式是：分離電極23的電壓依次從樣氣進(jìn)氣到樣氣出氣遞減，不同粒徑的細(xì)粒子從一個勻強(qiáng)電場區(qū)域進(jìn)入另一個勻強(qiáng)電場區(qū)域，經(jīng)過勻強(qiáng)電場區(qū)域的多次分離，整體提高了對細(xì)粒子粒徑測量的分辨率。

此外，在本實用新型所描述的平板裝置使用前，操作人員需要對其進(jìn)行標(biāo)定，以獲取偏轉(zhuǎn)至各個敏感電極26上的帶電細(xì)粒子的粒徑與加載在各個分離電極23上的掃描電壓之間的標(biāo)定關(guān)系，標(biāo)定過程主要是將標(biāo)準(zhǔn)粒子發(fā)生器產(chǎn)生的樣氣氣流導(dǎo)入本實用新型所描述的平板裝置，通過控制多端口陣列電壓源25與每個分離電極23接通的電壓來標(biāo)定第二下面板22上每個位置的敏感電極26代表的粒徑，具體說來，首先將過濾后無粒子的樣氣氣流導(dǎo)入本實用新型所描述的平板裝置，逐步增加多端口陣列電壓源25與每個分離電極23接通的電壓，觀察第二下面板22上每個位置的敏感電極26上的電流信號，并記錄下來作為測量無粒子狀態(tài)下的裝置背景電流值，并以該背景電流值作為各個敏感電極26上的基底電流值。

然后將標(biāo)準(zhǔn)粒子發(fā)生器產(chǎn)生的含有某種粒徑細(xì)粒子的樣氣氣流導(dǎo)入本實用新型所描述的平板裝置，調(diào)試多端口陣列電壓源25與每個分離電極23接通的電壓，通過觀察，當(dāng)且僅當(dāng)距離鞘氣進(jìn)氣通道（10）最近的敏感電極26上的電流值大于基底電流值時，記錄當(dāng)前加載在各個分離電極23上的掃描電壓；隨后逐漸減小加載在各個分離電極23上的掃描電壓，通過觀察，當(dāng)且僅當(dāng)距離鞘氣進(jìn)氣通道10次近的敏感電極26上的電流值大于基底電流值時，記錄當(dāng)前加載在各個分離電極23上的掃描電壓；依次類推，直到所有敏感電極26只能檢測到背景電流值時停止記錄，將整個測試記錄保存在存儲器36中，得到該種粒徑與加載在各個分離電極23上的掃描電壓之間的標(biāo)定關(guān)系。依次控制標(biāo)準(zhǔn)粒子發(fā)生器產(chǎn)生含有各種粒徑細(xì)粒子的樣氣氣流，重復(fù)前述調(diào)試、記錄過程，即得到偏轉(zhuǎn)至各個敏感電極26上的帶電細(xì)粒子的粒徑與加載在各個分離電極23上的掃描電壓之間的標(biāo)定關(guān)系。

以上所述實施方式僅僅是對本實用新型的優(yōu)選實施方式進(jìn)行描述，并非對本實用新型的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本實用新型設(shè)計精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對本實用新型的技術(shù)方案作出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本實用新型的權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。