傳感器組件的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種用于感測低濃度顆粒物的傳感器組件。所述傳感器組件包括：殼體，其具有前部和后部，該后部包括空氣通道，設(shè)置成使抽樣的粒子氣溶膠從后部穿過到達(dá)所述前部；粒子傳感器設(shè)備，其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；微型鼓風(fēng)機(jī)元件，其置于所述殼體的空氣通道和所述粒子傳感器設(shè)備的后表面之間，適于周期性地推動(dòng)空氣穿過粒子傳感器的流道，以在后續(xù)讀數(shù)前使粒子傳感器歸零；以及濾芯，其鄰近所述微型鼓風(fēng)機(jī)和殼體的空氣通道，設(shè)置成過濾來自空氣流體的顆粒。
【專利說明】傳感器組件
[0001 ]優(yōu)先權(quán)聲明
[0002]本申請(qǐng)要求2014年12月2號(hào)提交的，申請(qǐng)?zhí)枮?2/086,414，發(fā)明名稱為“SYSTEMAND METHOD OF CONDUCTING PARTICLE MONITORING USING LOW COST PARTICLE SENSORS”的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)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
[0003]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)】
[0004]氣溶膠粒子吸入后可沉積在呼吸道上，并且對(duì)健康造成不良影響。因此，行業(yè)和政府已經(jīng)認(rèn)識(shí)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(xiǎn)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(dòng)機(jī)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(hù)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(dòng)力學(xué)直徑小于約ΙΟμπι的粒子質(zhì)量(以下簡稱“ΡΜ10”)作為顆粒物(PM)污染指數(shù)。PMlO是可以進(jìn)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PMlO，以空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于約2.5ym( “ΡΜ2.5”)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ΡΜ2.5的規(guī)定。
[0005]美國政府工業(yè)衛(wèi)生學(xué)家會(huì)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(dòng)力學(xué)直徑小于4μπι、10μπι，和ΙΟΟμπι的粒子?？晌氲牧Ｗ邮悄切┠軌蛟诤粑^程中通過人的鼻子和/或嘴進(jìn)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I章的國家初級(jí)和二級(jí)環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(1997) [Nat1nal Primary and SecondaryAmbient Air Quality Standards,40 Code of US Federal Regulat1n,Chapter I,Part50(1997)]和Vincent,J.H.,Particle Size-Selective Sampling for Particulate AirContaminants 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。
[0006]雖然上述的標(biāo)準(zhǔn)和公約是基于粒子的空氣動(dòng)力學(xué)直徑，應(yīng)當(dāng)理解，為了即時(shí)應(yīng)用的目的，可以基于該光學(xué)粒徑而不是空氣動(dòng)力學(xué)直徑，進(jìn)行以尺寸分隔的質(zhì)量濃度分組(例如，PMl、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(dòng)力學(xué)直徑小于約2.5μπι的粒子或光學(xué)直徑小于約2.5μπι的粒子。如果氣溶膠主要是細(xì)微氣溶膠(約在0.Ιμπι和4μηι之間)，利用光度計(jì)可以實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)粒子質(zhì)量測量。光度計(jì)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(qiáng)度而變化的電信號(hào)的設(shè)備。光度計(jì)信號(hào)可以與粒子質(zhì)量近似相關(guān)。光度計(jì)對(duì)粒子濃度廣泛的動(dòng)態(tài)范圍還可以是靈敏的。例如，TSIModel8520 DUSTTRAK光度計(jì)在0.Ιμπι至ΙΟμπι的粒度范圍上測得范圍為0.0Ol至100mg/m3的粒子質(zhì)量濃度。
[0007]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?yàn)槲廴驹纯梢跃植炕虼嗽诘乩韰^(qū)域內(nèi)的許多點(diǎn)進(jìn)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(jià)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(qiáng)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(hào)從散射光轉(zhuǎn)化成電子信號(hào)的電子設(shè)備，其中該電子信號(hào)可以處理以在顯示器上向用戶指示粒子質(zhì)量。
[0008]在其它例子中，使用計(jì)重法抽樣，其由預(yù)稱重的濾光器上在長時(shí)間段、比如24小時(shí)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(duì)于給定的抽樣體積在給定時(shí)間段內(nèi)的粒子重量。濾光器抽樣的一些優(yōu)勢包括:I)設(shè)立和實(shí)施，以及隨后解釋數(shù)據(jù)相對(duì)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(tuán)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(dòng)力成本、試圖測量低粒子濃度可能是非常困難的，因?yàn)闇y量結(jié)果是2次重量狀況之差(未使用和使用濾光器)，時(shí)間分辨率差，過程是勞動(dòng)密集型的，并且可能有操作者錯(cuò)誤，而且粒子可在稱重之前消失。
[0009]由于傳感器隨溫度、濕度或其它外部因素而漂移，光度計(jì)傳感器往往需要頻繁的零和跨度校準(zhǔn)。各種光度計(jì)的一些缺點(diǎn)是:(I)僅測量總質(zhì)量(不提供粒度分離的質(zhì)量信息)；(2)光度計(jì)信號(hào)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(jì)對(duì)直徑接近光源波長的粒子通常更靈敏，并且對(duì)于在該尺寸范圍外的粒子，每單位質(zhì)量的信號(hào)急劇下降；以及(4)如果抽樣的氣溶膠含有大于4μπι的粒子，光度計(jì)可低估顆粒質(zhì)量。
[0010]—種依賴粒度實(shí)時(shí)測量數(shù)量濃度的儀器是光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器(OPC)。在OPC中，單獨(dú)的粒子穿過光束照射的詢問容積。通過各個(gè)粒子散射的光收集在檢測器上，以產(chǎn)生電脈沖?；谥暗男?zhǔn)由脈沖高度和/或脈沖面積(即，散射輻射的強(qiáng)度)可以推斷粒度。因?yàn)橛蒓PC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” APC的一些優(yōu)點(diǎn)是:(I)對(duì)于低粒子濃度，可以以高準(zhǔn)確度計(jì)算粒子；(2)對(duì)于尺寸大于Uim的粒子，良好的信噪比；以及(3)低成本。但是，因?yàn)榇_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(shí)際或幾何粒度相同。當(dāng)粒度分布轉(zhuǎn)換為質(zhì)量濃度時(shí)，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(shí)，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(duì)干凈的環(huán)境中。一個(gè)例子是TSI Model 9306 0PC，其在約200個(gè)粒子/cm3的數(shù)量濃度或小于lmg/m3的質(zhì)量濃度計(jì)算95%的粒子。在上述這些限制上，Model 9306的計(jì)算效率隨濃度增加而迅速下降。
[0011]總之，濾光器抽樣提供第一原則質(zhì)量測量，但時(shí)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(hù)多臺(tái)儀器。光度計(jì)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(duì)直徑大于約4μπι的粒子相對(duì)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(yuǎn)程校準(zhǔn)實(shí)時(shí)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(huì)是受歡迎的改進(jìn)之處。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的各種實(shí)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(duì)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。
[0013]在相關(guān)的實(shí)施例中，本發(fā)明闡述了一種方法和系統(tǒng)，以針對(duì)可能或不可能與單獨(dú)的傳感器在物理上位于相同位置的參考儀器(比如，ΒΑΜ-β衰減監(jiān)測器)遠(yuǎn)程地和自動(dòng)地校準(zhǔn)在此公布的一個(gè)或更多個(gè)低成本傳感器以及其它市售傳感器(比如，光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器、光度計(jì)等等)。該方法可以要求最小的(或不要求)用戶互動(dòng)并且校準(zhǔn)周期是可周期性地調(diào)節(jié)的(每小時(shí)，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(shí)施例。
[0014]光學(xué)傳感器，比如，光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器和光度計(jì)，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(hào)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(duì)測量參考校準(zhǔn)儀器，通過進(jìn)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(duì)非光學(xué)參考儀器校準(zhǔn)光學(xué)傳感器，那么使用這個(gè)方法有另外的好處:通過這些傳感器測得的光信號(hào)將自動(dòng)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(duì)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(hào)，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(dòng)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(dòng)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(shí)踐中，校準(zhǔn)通常僅偶然進(jìn)行，因?yàn)橛捎谄浯蟪叽绾透叱杀?，參考儀器通常僅在實(shí)驗(yàn)室或在某些的固定位置可用。此外，校準(zhǔn)過程通常是勞動(dòng)密集型且昂貴的，因此現(xiàn)場頻繁地進(jìn)行校準(zhǔn)是不切實(shí)際的。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供一種方法和系統(tǒng)以易于校準(zhǔn)這些位于遠(yuǎn)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。
[0015]在一個(gè)實(shí)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(dá)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(jī)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(jī)適于周期性地推動(dòng)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(jī)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(shí)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(gè)可場地校準(zhǔn)的傳感器組件、至少一個(gè)與移動(dòng)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(dòng)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(yuǎn)離待校準(zhǔn)的至少一個(gè)傳感器)接收的數(shù)據(jù)產(chǎn)生。
[0016]在另一實(shí)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(gè)位于遠(yuǎn)程的粒子傳感器組件，該粒子傳感器組件結(jié)合至少一個(gè)參考儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，其中所述至少一個(gè)參考儀器用于產(chǎn)生校準(zhǔn)因子。此外，移動(dòng)設(shè)備設(shè)置成與至少一個(gè)參考儀器和至少一個(gè)位于遠(yuǎn)程的粒子傳感器組件通信。
[0017]在另一實(shí)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(gè)位于遠(yuǎn)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(gè)參考儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，其中所述至少一個(gè)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(gè)參考儀器和至少一個(gè)位于遠(yuǎn)程的粒子傳感器組件通信。
[0018]結(jié)合附圖，從下文具體實(shí)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(shí)施例的新特征，及其另外的優(yōu)勢。
【附圖說明】
[0019]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:
[0020]圖1A-1B分別為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的低成本粒子傳感器組件的分解及嵌入視圖；
[0021]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(shí)施例采用的氣溶膠樣品的流動(dòng)方向；
[0022]圖3A-3D為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)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；
[0023]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；
[0024]圖5為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，遠(yuǎn)程校準(zhǔn)的粒子傳感器的頂級(jí)系統(tǒng)圖；
[0025]圖6展示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)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(shí)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(shí)施方式】
[0026]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(shí)施例。應(yīng)該意識(shí)到，由于主題不限于任何特定的實(shí)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(shí)施。提供具體實(shí)施和應(yīng)用的例子主要用于說明的目的。
[0027]在一個(gè)實(shí)施例中，公開一種廉價(jià)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(dú)特的和緊湊的壓電微型鼓風(fēng)機(jī)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(shí)施例中，壓電微型鼓風(fēng)機(jī)比其它空氣驅(qū)除器的優(yōu)點(diǎn)在于，其能夠提供足夠的壓力穿過濾光器以驅(qū)動(dòng)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(jì)整合了使這類微型鼓風(fēng)機(jī)或微型栗適應(yīng)該應(yīng)用的若干設(shè)計(jì)特征。在相關(guān)的實(shí)施例中，由于用戶的系統(tǒng)成本改進(jìn)，這樣的低成本粒子傳感器促進(jìn)跨越大地理區(qū)域的粒子總監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。
[0028]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(shí)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(shí)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(dòng)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(jī)130、用于微型鼓風(fēng)機(jī)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(shí)施例中，微型鼓風(fēng)機(jī)130如在專利號(hào)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(shí)施例中，鼓風(fēng)機(jī)130構(gòu)造成其它設(shè)計(jì)，且可以構(gòu)造成微型栗，如專利號(hào)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。
[0029]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(dòng)方向106前進(jìn)并且經(jīng)由微型鼓風(fēng)機(jī)130和灰塵傳感器110的圓柱形通道114A移動(dòng)。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(shí)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(jī)，然后通過灰塵傳感器。在本實(shí)施例中，鼓風(fēng)機(jī)或栗130使用尺寸非常緊湊并且易于被電子設(shè)備驅(qū)動(dòng)的壓電晶體。壓電微型鼓風(fēng)機(jī)130供應(yīng)大量的流體(約Ilpm)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(jì)使過濾介質(zhì)140易于安裝和更換。該設(shè)計(jì)還使栗的高速輸出擴(kuò)散，因此可以在短時(shí)間清理出較大的傳感器空間。該栗在不使用導(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(具有歸零的栗的尖頭4)以改進(jìn)灰塵傳感器在低濃度的準(zhǔn)確度。
[0030]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(shí)施例中，微型鼓風(fēng)機(jī)位于傳感器110的孔114a處或附近，以推動(dòng)空氣通過傳感器110，從而通過定期啟動(dòng)微型鼓風(fēng)機(jī)清除設(shè)備并將設(shè)備歸零。為此目的，該微型鼓風(fēng)機(jī)可以每小時(shí)或每周運(yùn)行幾分鐘。在一個(gè)實(shí)施例中，流體(暫時(shí)性地)是連續(xù)的、通常無脈沖的空氣流，并且在一個(gè)實(shí)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。
[0031]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(shí)施例中，多個(gè)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(shí)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(duì)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(huì)聚到光接收元件116a上。
[0032]在本實(shí)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(huì)穿過灰塵通路并且到達(dá)光隔離區(qū)18，因此在光電灰塵傳感器110會(huì)感測到光接收單元116接收的光的數(shù)量將極少。
[0033]相反，在灰塵和/或煙塵或煙霧穿過灰塵通路的情況下，因?yàn)閬碜园l(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(hào)為7，038，189的美國專利進(jìn)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(shí)施例，用于以一個(gè)或更多個(gè)無需與粒子傳感器位于一處的參考儀器遠(yuǎn)程校準(zhǔn)兩個(gè)或更多個(gè)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(gè)或更多個(gè)參考儀器220和用于促進(jìn)遠(yuǎn)程傳感器校準(zhǔn)進(jìn)程的傳輸標(biāo)準(zhǔn)模塊230部署現(xiàn)場中的多個(gè)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(jìn)行計(jì)算或處理這些數(shù)據(jù)/讀數(shù)，以確定將在遠(yuǎn)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(gè)查找表的內(nèi)容可以在一定期限刷新，例如每小時(shí)、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(dòng)設(shè)備，以傳送至至少一個(gè)待校準(zhǔn)的傳感器。
[0034]—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(dòng)設(shè)備260從因特網(wǎng)上下載查詢表，然后基于存儲(chǔ)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(dòng)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(chǔ)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(bǔ)值。之前存儲(chǔ)的值也可以為工廠校準(zhǔn)值。由于來自移動(dòng)設(shè)備260的信號(hào)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(gè)粒子傳感器。
[0035]在相關(guān)的實(shí)施例中，為了一次校準(zhǔn)多個(gè)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(jì)算機(jī)或服務(wù)器，而廣播模塊290可以是W1-Fi路由器、藍(lán)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。
[0036]現(xiàn)在參見圖6，其示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)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(shí)施例中，通過移動(dòng)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(shí)施例一樣保持查找表的因特網(wǎng)服務(wù)器。類似之前的實(shí)施例，通過一次一個(gè)傳感器或一次多個(gè)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(shí)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(dá)州明尼阿波里斯市的Thermo FisherScientific，Inc.在商業(yè)上獲得)或包括一個(gè)或多個(gè)低成本的、如圖1_3在此所述的傳感器。在該實(shí)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。
[0037]現(xiàn)在參見圖7，其示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)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(shí)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(gè)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(shí)施例，該校準(zhǔn)方案或設(shè)置使用雙向通信470以針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)或參考儀器完成遠(yuǎn)程傳感器校準(zhǔn)。當(dāng)校準(zhǔn)多個(gè)傳感器時(shí)，控制設(shè)備480與參考儀器420并與一個(gè)或多個(gè)傳感器410B-410C通信以得到校準(zhǔn)因子并最終校準(zhǔn)遠(yuǎn)程粒子傳感器。
[0038]在此描述的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)方法和系統(tǒng)的一個(gè)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(jì)數(shù)器、光度計(jì)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(hào)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(duì)測量參考校準(zhǔn)儀器，通過進(jìn)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)。
[0039]如果針對(duì)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(hào)將自動(dòng)轉(zhuǎn)換成感興趣的另外的氣溶膠性質(zhì)。例如，如果針對(duì)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(hào)，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(dòng)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(dòng)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(shí)際上，通常僅不頻繁地進(jìn)行校準(zhǔn)，因?yàn)?I)由于其大尺寸和高成本，參考儀器通常僅可在實(shí)驗(yàn)室或某些固定位置中使用;或2)校準(zhǔn)過程通常是勞動(dòng)密集型的和昂貴的，因此，現(xiàn)場中頻繁地進(jìn)行校準(zhǔn)是不切實(shí)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(diǎn)的情況下容易地校準(zhǔn)這些光學(xué)傳感器的方法。在本實(shí)施例中，將光學(xué)傳感器校準(zhǔn)以監(jiān)測小于2.5μπι的顆粒物(PM)的質(zhì)量。
[0040]該實(shí)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(hù)局(EPA)用于在不同的監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測ΡΜ2.5。該技術(shù)也廣泛應(yīng)用于其它國家?？諝獗O(jiān)測機(jī)構(gòu)網(wǎng)站上的公眾通?？色@得BAM設(shè)備收集的大量信息。一些監(jiān)測點(diǎn)甚至每小時(shí)使用社交媒體服務(wù)器推特將信息發(fā)送出去。在該實(shí)施例中使用的傳輸標(biāo)準(zhǔn)模塊為位于全天候防護(hù)外殼中以防止其受元件之害的光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器或光度計(jì)。可以在大城市部署幾個(gè)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(gè)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(chǔ)位置。通過使用移動(dòng)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(gè)或多個(gè)顆粒物傳感器。使用在此描述的方法，可針對(duì)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(shí)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)。
[0041 ] 通過引用結(jié)合下面的專利和公布的全部內(nèi)容:專利號(hào)為5，121，988、7，111,496(8八1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(shí)施例僅為了說明的目的。在不脫離其主題的情況下，可以進(jìn)行各種偏離和修改，其都在本發(fā)明的本質(zhì)和范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于感測低濃度顆粒物的傳感器組件，其包括: 殼體，所述殼體具有前部和后部，其中所述后部包括空氣通道，所述空氣通道設(shè)置成使抽樣的粒子氣溶膠從后部穿過到達(dá)所述前部； 粒子傳感器設(shè)備，所述粒子傳感器設(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，所述粒子傳感器設(shè)備的后表面處于殼體空氣通道上，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； 微型鼓風(fēng)機(jī)元件，所述微型鼓風(fēng)機(jī)元件置于所述殼體的空氣通道和所述粒子傳感器設(shè)備的后表面之間，所述微型鼓風(fēng)機(jī)元件適于周期性地推動(dòng)空氣穿過粒子傳感器設(shè)備的流道，以在后續(xù)讀數(shù)前使粒子傳感器設(shè)備歸零;以及 濾芯，所述濾芯鄰近所述微型鼓風(fēng)機(jī)元件和殼體的空氣通道，所述濾芯設(shè)置成過濾來自空氣流體的顆粒。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器組件，其特征在于，所述微型鼓風(fēng)機(jī)元件為微型栗。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器組件，其特征在于，所述傳感器組件形成部分空氣質(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(gè)可以現(xiàn)場校準(zhǔn)的所述傳感器組件、至少一個(gè)與移動(dòng)設(shè)備在通信上連通的所述傳感器組件、與適于接收校準(zhǔn)因子的服務(wù)器通信的移動(dòng)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)模塊接收的數(shù)據(jù)生成，參考儀器和傳輸標(biāo)準(zhǔn)模塊其中之一遠(yuǎn)離至少一個(gè)待校準(zhǔn)的所述傳感器組件。
【文檔編號(hào)】G01N15/06GK205506621SQ201520776902
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2015年9月30日
【發(fā)明人】韓熙秀, 詹姆斯·E·范斯沃斯, 羅伯特·卡爾多
【申請(qǐng)人】提賽環(huán)科儀器貿(mào)易（北京）有限公司