基于弹性质量系统的质量传感器及其测量质量的方法

摘要

本发明公开了一种基于弹性质量系统的质量传感器及其测量质量的方法，是一个空心锥形管的锥底端固定在框架上，锥尖端固定一个滤膜，其锥形管的颈部两侧安装有二块磁钢。用该传感器测量质量的方法是：在磁钢两侧分别安装一个电磁铁与一个线性霍耳器件；通过测量空心锥形管的起始振荡频率f0，和采样气流通过滤膜后的振荡体的结束频率f1，可以计算出振荡体的质量变化量dm，也就是累积在滤膜上的粒子质量。本发明测得的质量时效性好，有效性好。

说明书

技术领域

基于弹性质量系统的质量传感器在大气气溶胶粒子自动监测系统以及其它质量测量系统。

背景技术

传统环境监测仪器对空气中气溶胶含量的测量是采用滤膜采样后，取入实验室称重的方法。此法过程繁琐、无适时性且数据有效性差。本发明应用在空气气溶胶监测仪器中，完全克服传统方法的缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于弹性质量系统的质量传感器。

本发明的技术方案如下：

该质量传感器，使用一个空心锥形玻璃管，锥底端固定在框架上，锥尖为自由端，可以自由振荡，锥尖固定一个滤膜，用以承载被测物质。振荡管是空心、锥形薄壁管，材料为石英、玻璃、陶瓷。

该质量传感器，振荡管管固定在一个中间开孔的平台上，平台固定框架上，平台和框架之间安装在减振弹簧或弹性垫。

该质量传感器，其振荡管的颈部粘着两个磁性金属，均匀排布在锥形管颈部两侧，和锥形管顶部相距离为0.8~1.5厘米。

所述的质量传感器测量质量的方法：在磁钢两侧分别安装一个电磁铁与一个线性霍耳器件；开始时振荡管与其顶部的滤膜以其固有频率振荡，线性霍耳器件感应到与空心锥形管振荡频率相同的磁场强度的变化信号，并将其转换为交流电压信号，该交流信号的频率与空心锥形管振荡频率相同，将霍耳元件输出的信号放大后可以送频率计进行频率测量，得到空心锥形管的起始振荡频率f₀；采样气流通过滤膜后，从空心锥形管中流出，而气流中的粒子累积到滤膜上，从而使整个振荡体的质量发生变化，从而使其固有频率发生变化，测出结束频率f₁，于是用公式

$>>dm>=>>K>0>>>(>>1>>>f>1>>2>\; >->>1>>>f>0>>2>\; >)>>>s>$

其中：dm是质量的变化量，

K₀是包含质量转换系数在内的弹性常数，

f₀是初始频率(Hz)，

f₁是结束频率(Hz)。

可以得到振荡体的质量变化量dm，也就是累积在滤膜上的粒子质量。

空心锥形管的形状是底部宽，顶部尖。底部固定在系统框架上。为了避免共振现象，系统框架的质量应远大于空心锥形管的质量，同时系统框架与其放置平台间也应该设计良好的隔振装置(如弹簧)，这样空心锥形管在振荡过程中的能量损失将会降到最低。空心锥形管的顶部不固定，可以自由振动。在尖端上固定一个小滤膜，两个小磁钢贴在空心锥形管的两侧，随着空心锥形管一起振荡。

空心锥形管必须加工成薄壁空心，这样可以提高以提高系统的弹性系数，进而提高可观测的振动频率。同时空心也可以使采样气流从中间通过。

空心锥形管可以使用石英、玻璃、陶瓷等材料制作。这些材料有较高的弹性常数，可以减小振动中的能量损失。

在弹性质量系统中，随着质量的增加，其振荡频率下降，满足下式：

$>>f>=>>K>/>M>>>s>$

其中：f是振荡频率(rd/s)；

K是弹性系数，

M是质量。

由于振荡管在振荡过程中存在能量的损失，所以振幅会逐渐减小，直至停止振动。为了使空心锥形管在测量过程中始终保持振动，必须加适当的驱动力抵消其振动过程中的能量损失。霍耳元件输出的交流信号的频率反映锥形振动管的振动频率，而交流信号的振幅也反应空心锥形管的振幅，所以将此交流信号整流滤波为一个与空心锥形管振荡幅度相关的直流信号，将此信号通过乘法器调入信号A，就得到电磁铁的驱动信号。电磁铁在这个驱动信号的驱动下，对小磁钢产生一个驱动力，用以抵消空心锥形管振荡过程中的能量损失。

附图说明

图1是本发明工作原理图。

图2是空心锥形管结构示意图。

具体实施方式

参见图1、图2。

本发明振荡管是空心锥形管，其锥底端4固定在框架3上，锥尖端2上固定一个滤膜1，其锥形管的颈部两侧距顶部1厘米处安装有二块磁钢5。空心锥形管是空心薄壁管，材料为石英、玻璃、陶瓷。框架3上有平台套圈，压在锥形管底端的边沿，平台套圈和框架之间安装有弹簧6。可以起到缓冲作用。

利用该振荡管测量悬浮在气体中的微小颗粒物的质量的方法是：在磁钢两侧约1厘米处分别安装一个电磁铁与一个线性霍耳器件；开始时振荡管与其顶部的滤膜以其固有频率振荡，线性霍耳器件感应到与空心锥形管振荡频率相同的磁场强度的变化信号，并将其转换为交流电压信号，该交流信号的频率与空心锥形管振荡频率相同，将霍耳元件输出的信号放大后可以送频率计进行频率测量，得到空心锥形管的起始振荡频率f₀；采样气流通过滤膜后，从空心锥形管中流出，而气流中的粒子累积到滤膜上，从而使整个振荡体的质量发生变化，从而使其固有频率发生变化，测出结束频率f₁，于是用公式

$>>dm>=>>K>0>>>(>>1>>>f>1>>2>\; >->>1>>>f>0>>2>\; >)>>>s>$

其中：dm是质量的变化量，

K₀是包含质量转换系数在内的弹性常数，

f₀是初始频率(Hz)，

f₁是结束频率(Hz)。

可以得到振荡体的质量变化量dm，也就是累积在滤膜上的粒子质量。