基于复合管振荡天平的微量颗粒物测量系统及其测量方法

摘要

本发明的目的在于提供一种可用于空气质量PM2.5质量监测的基于复合管振荡天平的微量颗粒物测量系统及其测量方法，包括微处理器，振子振荡驱动单元、谐振频率检测单元、复合管震荡天平和全数字电路；本发明测量系统依靠超高精度的频率测量来实现粒子质量测量。频率测量的分辨率，重复性和稳定性都要求在0.001Hz的数量级。

说明书

技术领域

本发明涉及大气环境监测技术领域，特别是涉及一种基于复合管振荡天平 的微量颗粒物测量系统及其测量方法。

背景技术

在大气环境监测领域中的检测装置一般是锥管振荡天平TEOM技术(Tapered  Element Oscillating Microbalance)，可以用来测量微小质量的变化，测量精 度和重复率达到微克量级，非常适合检测大气中微颗粒浓度。

Rupprecht & Patashnick Co.Inc首先将TEOM技术用于颗粒浓度测量， 此公司在2005年被Thermo AQI收购，目前市面上唯一的TEOM商品是Thermo AQI 的1400/1405系列。1400/1405系列粒子浓度检测系统采用石英管简谐振子，锥 管端部外径2.4毫米，内径1.8毫米。振子依靠模拟电路闭环自激振荡器驱动， 振子本身的物理特性决定环路的谐振频率，振荡稳定性和Q值。在模拟电路设 计合理的前提下，模拟电路闭环自激振荡器能快速锁定谐振频率。

其缺点在于：

1、锥管振荡天平TEOM技术的锥形异形结构是保障其获得较稳定振荡和石 英管不因振幅过大而折断的关键。这种锥形异形结构可以用融石英拉伸工艺获 得，但很难用其他材料代替。需要频繁更换的滤芯必须直接套在2.4mm细石英 管端部，换滤芯的操作稍不留意就会损坏石英管。换石英管需要对整个系统重 新标定，会大大增加售后服务成本；

2、模拟电路闭环振荡器的稳定性取决于振子本身的物理特性和机械结构， 还取决于模拟电路的设计参数及外界对电路的干扰，这些因素给模拟电路达到 稳定性增加了难度；同时，模拟电路形成稳定的振荡之后，其振荡频率还需要 通过数字电路的频率测量系统读出，并换算出对应的质量，带来了不便性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种更加稳定高效的基于复合管振荡天平的微量颗 粒物测量系统及其测量方法，它可以克服现有技术中稳定性差的不足，所述稳 定性包括长期稳定性(主要靠低温度系数振子材料来保证)和瞬态稳定性；同 时也克服了数字电路和模拟电路共存的不便性。

所述复合管振荡天平，其英文全称为Compound Element Oscillating  Microbalance，简称为CEOM，以区别于现有技术中的锥管振荡天平(Tapered  Element Oscillating Microbalance，简称TEOM。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：基于复合管振荡天平的微量颗 粒物测量系统，其特征在于包括微处理器，振子振荡驱动单元、谐振频率检测 单元、复合管震荡天平和全数字电路；所述振子振荡驱动单元包括信号发生器、 正弦波整形电路、正弦磁场驱动器和正弦磁场驱动线圈；所述谐振频率检测单 元包括振荡幅度检测线圈、信号放大整形电路和A/D转换电路；所述微处理器 和振子振荡驱动单元相连，振子振荡驱动单元和复合管震荡天平相连，复合管 震荡天平和谐振频率检测单元相连，微处理器同时又和谐振频率检测单元相连， 全数字电路分别和微处理器、振子振荡驱动单元、谐振频率检测单元相连；所 述微处理器、复合管震荡天平、全数字电路、正弦磁场驱动线圈、振荡幅度检 测线圈、A/D转换电路组成的数字开环电路。

所述复合管振荡天平4包括基座、复合振子、连接部、异形截面振荡头和 滤膜；所述基座的一端为V型插槽；所述复合振子包括两根管状振子，所述管 状振子的一端分别插入异形截面振荡头，两根管状振子形成夹角；所述管状振 子的另一端插入所述基座的V型插槽，两根管状振子在所述基座的V型插槽的 插入点之间形成间隔；所述复合振子在靠近所述异形截面振荡头的一端安装有 用于连接两根管状振子的连接部；所述连接部和异形截面振荡头上分别固定一 个永磁铁；所述滤膜连接在异形截面振荡头上。

所述异形截面振荡头连接两根所述管状振子，所述管状振子形成夹角，所 述管状振子连接所述异形截面振荡头的截面呈非中心点对称截面，正弦交变磁 场力的方向垂直于长边。

所述管状振子的外径为3mm，内径为2mm，长度为135mm。

所述复合振子的两根振子之间形成夹角，所述振子在所述异形截面振荡头 的表面形成的间隔为3.2mm，所述振子在所述基座的表面形成的间隔为6mm。

所述复合振子的材料为碳纤维、殷钢或溶融石英。

所述复合振子的材料优选为碳纤维。

所述基座的一端为V型插槽，所述V型插槽夹紧所述复合振子，并通过所 述V型插槽侧边的螺丝进行紧固。

上述基于复合管振荡天平的微量颗粒物测量系统的测量方法，其特征在于 按照以下步骤操作：

(1)数字开环电路检测检测谐振频率的方法

1)微处理器通过控制振子振荡驱动单元的激励频率，使复合管震荡天平在 不同频率上进行振荡；

2)复合管震荡天平连续在不同频率下振荡的同时，谐振频率检测单元将复 合管震荡天平振动的幅度变成交变电流，电流的幅度和机械振动的幅度成正比， 同时将复合管震荡天平振幅转化为数字量，从而得到复合管震荡天平的振幅；

3)微处理器通过全数字电路对各个频率下振幅波形的数据分析，振幅最大 的频率就是谐振点，通过其最大振幅来确定复合管震荡天平的谐振频率；

(2)以谐振频率来实现颗粒物质量及其变化的测量方法，固定体积气体的 颗粒物吸附到复合管震荡天平上；复合振子吸附颗粒前的谐振频率f₀和吸附颗 粒后的谐振频率f₁分别被上述方法测量得到，由频差即可推算出吸附前后颗粒 物的质量变化；

$\mathrm{dM}=K(\frac{1}{f_0^2}-\frac{1}{f_1^2}),$

其中：其中dM是谐振频率从f0变到f1的质量的变化，K是复合振子的弹 性常数，由振子材料的弹性系数，几何形状和重量分布决定；

(3)再根据所通入的气体的体积，计算得到气体中颗粒物的浓度及其变化。

上述数字开环电路检测检测谐振频率的方法，其具体步骤为：

(1)微处理器通过振子振荡驱动单元的信号发生器连续改变由正弦波整形 电路，正弦磁场驱动器，正弦磁场驱动线圈产生的激励信号的频率，连接部的 永磁铁在信号的激励下带动复合管振荡天平4在连续的不同频率上进行振荡；

(2)微处理器在振荡的同时，检测复合管震荡天平在各个频率下的振幅， 异形截面振荡头上永磁铁的振动幅度经谐振频率检测单元的振荡幅度检测线圈 变成交变电流，电流的幅度和机械振动的幅度成正比，经信号放大整形电路放 大，由A/D转换电路将振幅转化为数字量，微处理器记录振幅信号；

(3)振幅最大的频率就是谐振点，微处理器通过全数字电路对各个频率下 振幅波形的数据分析，比较检测到的震动幅度，通过其最大振幅来确定复合管 震荡天平的谐振频率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明测量系统依靠超高精度的频率测量来实现粒子质量测量。频率测 量的分辨率，重复性和稳定性都要求在0.001Hz的数量级。系统振荡频率的稳 定性是关键。Thermal的TEOM的主要缺点是它的对称结构的单管振子实际上形 成的是圆或椭圆的两维振荡。由于信号提取线圈(在模拟闭环振荡系统里是反 馈线圈)只能感应粘在振子上的永磁体的一维位移，圆或椭圆的两维振荡会降 低系统振荡频率的稳定性；

(2)本发明采用全数字电路的开环振荡器，省掉了现有技术中自激振荡器 的模拟电路部分，由于去掉了自激反馈电路，谐振频率由振子的物理特性唯一 的决定，不受外电路的影响，容易稳定；而且，频率测量和谐振调谐融为一体， 可以同时测定，克服了数字电路和模拟电路共存的不便性；

附图说明

图1所示为基于复合管振荡天平的微量颗粒物测量系统的部件连接关系框 图；

图2所示为复合振子的立体结构示意图；

图3所示为复合振子的主视图；

图4所示为复合振子的俯视图；

图5所示为复合振子的右视图；

图6为单振子振荡器在一维正弦交变磁场驱动下产生二维的椭圆振荡的结 构示意图；

图7为复合振子振荡器在一维正弦交变磁场驱动下产生一维的平面振荡的 结构示意图；

图8是V型插槽的立体结构示意图；

图9是数字开环电路检测谐振频率时激励信号和振荡频率关系曲线图；

图10是数字开环电路检测谐振频率时振幅和振荡频率关系。

其中：

1是微处理器

2是振子振荡驱动单元

21是信号发生器

22是正弦波整形电路

23是正弦磁场驱动器

24是正弦磁场驱动线圈

3是谐振频率检测单元

31是振荡幅度检测线圈

32是信号放大整形电路

33是A/D转换电路

4是复合管震荡天平

41是基座

411是V型插槽411

42是复合振子

421是管状振子

43是连接部

44是异形截面振荡头

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，此处所描述的具体实施 例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：

如图1所示为本发明基于复合管振荡天平的微量颗粒物测量系统的部件连 接关系框图，包括微处理器1，振子振荡驱动单元2、谐振频率检测单元3、复 合管震荡天平4和全数字电路；

所述振子振荡驱动单元2包括信号发生器21、正弦波整形电路22、正弦磁 场驱动器23和正弦磁场驱动线圈24；

所述谐振频率检测单元3包括振荡幅度检测线圈31、信号放大整形电路32 和A/D转换电路33；

所述微处理器1和振子振荡驱动单元2相连，振子振荡驱动单元2和复合 管震荡天平4相连，复合管震荡天平4和谐振频率检测单元3相连，微处理器1 同时又和谐振频率检测单元3相连，全数字电路分别和微处理器1、振子振荡驱 动单元2、谐振频率检测单元3相连；

所述微处理器1、复合管震荡天平4、全数字电路、正弦磁场驱动线圈24、 振荡幅度检测线圈31、A/D转换电路33组成的数字开环电路。

结合图1，本发明的工作原理为：数字开环谐振频率扫描测量，通过数字电 路给定的连续频率的激励，测量其最大的振幅时的频率为谐振频率；信号发生 器的正弦波经功率放大器驱动两个串联对装的电磁铁，永磁铁被安放在两个电 磁铁中间；调信号发生器的频率可以找到谐振点。

碳纤维管上粘一粒永磁铁，附近放置一个信号提取线圈，碳纤维管及永磁 铁的震动幅度经信号提取线圈变成交变电流，电流的幅度和机械震动的幅度成 正比。微处理器一边通过门阵列改变电磁铁的驱动频率，一边比较检测到的震 动幅度；振幅最大的频率就是谐振点。

如图2-5所示，所述复合管振荡天平4包括基座41、复合振子42、连接部 43、异形截面振荡头44和滤膜；所述基座41的一端为V型插槽411；所述复合 振子42包括两根管状振子421，所述管状振子421的一端分别插入异形截面振 荡头44，两根管状振子421形成夹角；所述管状振子421的另一端插入所述基 座41的V型插槽411，两根管状振子421在所述基座41的V型插槽411的插入 点之间形成间隔；所述复合振子42在靠近所述异形截面振荡头44的一端安装 有用于连接两根管状振子421的连接部43；所述连接部43和异形截面振荡头 44上分别固定一个永磁铁；所述滤膜连接在异形截面振荡头44上。

振荡频率是由管质量、滤膜质量和沉积在滤膜上的颗粒物质量所决定。由 于管为特殊非热质材料制成，它与滤膜质量，在更换滤膜或仪器重新启动时是 被作为本底值考虑，所以振荡频率只取决于沉积在滤膜上颗粒物的质量。

所述异形截面振荡头44连接两根所述管状振子421，所述管状振子421形 成夹角，所述管状振子421连接所述异形截面振荡头44的截面呈非中心点对称 截面，正弦交变磁场力的方向垂直于长边。平行长边的振荡阻尼大，平行短边 的振荡阻尼小，即在应力小的方向容易产生稳定的一维振荡。

理论上来说，单振子振荡器在一维正弦交变磁场驱动下应该产生一维振荡， 但是实际情况中是产生二维的椭圆振荡，如图6所示。

经过实验证明，异形的单管振荡天平结构，其共同点是与振动方向平行的 截面短，与振动垂直的方向上截面长，即在应力小的方向有利于达到稳定的一 维振荡。振子如果是异形截面，在应力小的方向容易生成稳定的一维振荡；所 以本发明中，采用具有圆形截面的圆形振荡头和具有两个振子的复合振子振荡 器，在一维正弦交变磁场驱动下也容易产生一维振荡，如图7所示。这就是说， 采用复合振子的振荡天平可以保证振子在一维平面内稳定地振荡。

具体来讲，所述管状振子421的外径为3mm，内径为2mm，长度为135mm。

所述复合振子42的两根振子421之间形成夹角，所述振子421在所述异形 截面振荡头的表面形成的间隔为3.2mm，所述振子421在所述基座41的表面形 成的间隔为6mm。

所述复合振子42的材料为碳纤维、殷钢或溶融石英，三者均具有较好的谐 振锐度，经过试验对比，三者的低温度膨胀系数对比如下：

  热膨胀系数 杨氏模量 比重 碳纤维 1.1～2.1ppm/℃ 181Gpa 1.8g/cm^3 殷钢 1.7～2ppm/℃ 145Gpa 8.11g/cm^3 溶融石英 0.55ppm/℃ 71.7Gpa 2.2g/cm^3

所述复合振子42的材料优选为碳纤维。碳纤维材料价格便宜，长时间使用 不易疲劳，比重较低，温度系数小，适合作为振子的材料。

下面是温度对自激振荡频率影响的实验结果，

碳纤维管：温度从15度变到30度，自激振荡频率变了0.07Hz；

殷钢管：温度从15度变到30度，自激振荡频率变了0.05Hz；

不锈钢管：温度从15度变到30度，自激振荡频率变了0.75Hz；

实验结果表明：碳纤维管的温度系数完全可以满足精度要求。

如图8所示，所述基座41的一端为V型插槽411，所述V型插槽411夹紧 所述复合振子42，并通过所述V型插槽411侧边的螺丝进行紧固。

基于复合管振荡天平的微量颗粒物测量系统的测量方法，按照以下步骤操 作：

(1)数字开环电路检测检测谐振频率的方法

1)微处理器1通过控制振子振荡驱动单元2的激励频率，使复合管震荡天 平4在不同频率上进行振荡；

2)复合管震荡天平4连续在不同频率下振荡的同时，谐振频率检测单元3 将复合管震荡天平4振动的幅度变成交变电流，电流的幅度和机械振动的幅度 成正比，同时将复合管震荡天平4振幅转化为数字量，从而得到复合管震荡天 平4的振幅；

3)微处理器1通过全数字电路对各个频率下振幅波形的数据分析，振幅最 大的频率就是谐振点，通过其最大振幅来确定复合管震荡天平4的谐振频率；

(2)以谐振频率来实现颗粒物质量及其变化的测量方法，固定体积气体的 颗粒物吸附到复合管震荡天平4上；复合振子吸附颗粒前的谐振频率f₀和吸附 颗粒后的谐振频率f₁分别被上述方法测量得到，由频差即可推算出吸附前后颗 粒物的质量变化；

$\mathrm{dM}=K(\frac{1}{f_0^2}-\frac{1}{f_1^2}),$

其中：其中dM是谐振频率从f0变到f1的质量的变化，K是复合振子的弹 性常数，由振子材料的弹性系数，几何形状和重量分布决定；

(3)再根据所通入的气体的体积，计算得到气体中颗粒物的浓度及其变化。

所述数字开环电路检测检测谐振频率的方法，其具体步骤为：

(1)微处理器1通过振子振荡驱动单元2的信号发生器21连续改变由正 弦波整形电路22，正弦磁场驱动器23，正弦磁场驱动线圈24产生的激励信号 的频率，连接部43的永磁铁在信号的激励下带动复合管振荡天平4在连续的不 同频率上进行振荡；

(2)微处理器1在振荡的同时，检测复合管震荡天平4在各个频率下的振 幅，异形截面振荡头44上永磁铁的振动幅度经谐振频率检测单元3的振荡幅度 检测线圈31变成交变电流，电流的幅度和机械振动的幅度成正比，经信号放大 整形电路32放大，由A/D转换电路33将振幅转化为数字量，微处理器记录振幅 信号；

(3)振幅最大的频率就是谐振点，微处理器1通过全数字电路对各个频率 下振幅波形的数据分析，比较检测到的震动幅度，通过其最大振幅来确定复合 管震荡天平4的谐振频率。

如图9所示为数字开环电路检测谐振频率时激励信号和振荡频率关系曲线 图；如图10所示是数字开环电路检测谐振频率时振幅和振荡频率关系，图中所 示振幅A₀最大处为谐振频率。

下面以本发明用以检测空气中的PM2.5(空气动力学当量直径小于或等于 2.5μm的大气颗粒物)含量为例来说明本发明的工作过程。

首先，将被测气体经PM2.5切割头进行分离，去除掉直径大于2.5μm的颗 粒，然后被测气体经过气路流量控制装置，使得固定体积的气体吸附到振荡天 平的质量传感器上；气泵为整个气路提供动力；质量传感器吸附颗粒前的振荡 频率f0和吸附颗粒后的振荡频率f1分别被记录下来。由频差即可推算出吸附 颗粒物的质量，再根据所通入的气体的体积，从而计算得到气体中颗粒物的浓 度。

其公式为：$\mathrm{dM}=K(\frac{1}{f_0^2}-\frac{1}{f_1^2})$

其中：其中dM是自激频率从f0变到f1的质量的变化，K是弹性常数，由 震荡组件材料的弹性系数，震荡组件的几何形状，震荡组件的重量分布决定。

通过上述测量的数值和公式，即可测得空气中的PM2.5含量值。

应用试验例：用3mmx3mm的一片较薄的胶带纸粘在振荡管的顶上，质量为 424μg，谐振频率变化了1.2Hz，经过试验能够检测到1/500Hz的频率变化，所 以其能够测出1.02μg的颗粒的质量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通 技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改 进也应视为本发明的保护范围。