一种耐温型高灵敏度电容式碳尘PM快速测量装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术提供一种耐温型高灵敏度电容式碳尘PM快速测量装置，包括探头模块、微电容测量模块和主控制模块，所述探头模块主要由绝缘基底、第一叉指电极、第二叉指电极、参考电容、绝缘层、厚膜加热器和玻璃陶瓷覆盖层组成，所述微电容测量模块主要由可调恒流源、可变振荡器、测量积分器、参考积分器、加减法器、低通滤波器和输出电路组成，所述主控制模块主要由控制器、显示器、存储器和温度控制开关组成。本实用新型专利技术结构简单、体积小、测量速度快、精度高，为小型化手持式及车载式机动车尾气中的碳尘颗粒物测量提供了技术保障。

A capacitive carbon dust PM fast measuring device with high temperature resistance and high sensitivity

The utility model provides a temperature-resistant high-sensitivity capacitive carbon dust PM rapid measuring device, which comprises a probe module, a micro-capacitance measuring module and a main control module. The probe module is mainly composed of an insulating substrate, a first interdigital electrode, a second interdigital electrode, a reference capacitor, an insulating layer, a thick film heater and a glass-ceramic coating. The micro-capacitance measurement module is mainly composed of adjustable constant current source, variable oscillator, measurement integrator, reference integrator, adder and subtractor, low-pass filter and output circuit. The main control module is mainly composed of controller, display, memory and temperature control switch. The utility model has the advantages of simple structure, small volume, fast measurement speed and high precision, and provides technical support for the measurement of carbon and dust particles in the tail gas of miniaturized hand-held and vehicle-mounted motor vehicles.

【技术实现步骤摘要】
一种耐温型高灵敏度电容式碳尘PM快速测量装置
本技术涉及大气环境碳尘检测
，具体是一种耐温型高灵敏度电容式碳尘PM快速测量装置。
技术介绍
近年来随着经济发展水平的不断上升，化石能源消耗量逐年增加，空气污染情况不断恶化，人们逐渐把目光投向环境污染领域。虽然碳尘颗粒物只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。对于碳尘颗粒物的重要排放源，柴油机动车已经逐渐安装了柴油颗粒过滤器（DPF）,以捕获尾气排放中大量的碳尘颗粒物。过滤器长时间的工作，容易导致滤芯堵塞，使其过滤碳尘颗粒物的效率大为下降，因此监测机动车尾气中碳尘颗粒物的质量浓度尤为重要。目前国际上普遍采用电阻式的检测方法以实现碳尘颗粒物的检测，这种方法是在氧化铝绝缘基底上设置分别连接电源正负极的叉指电极，当一定量碳尘颗粒物沉积在氧化铝绝缘基底上，两两相对的叉指电极就会导通。通过测量电路的电流值，可以得到叉指电极之间的电阻值，进而反演得到碳尘颗粒物的质量浓度。这种测量方法原理简单，易于操作，但测量精度差，需要碳尘颗粒物的大量沉积达到阈值，才能启动检测装置，这导致检测的盲区时间长。另外，碳尘颗粒物的电阻随温度变化而变化，在汽车尾气的高温环境下，使用电阻法的碳尘颗粒物检测装置受温度影响较大。另一种常见的碳尘颗粒物检测方法是电容式检测方法。这种方法是设置在氧化铝绝缘基底的叉指电极上覆盖一层氧化铝绝缘层，两两相对的叉指电极相当于平行板电容器，当碳尘颗粒物沉积在绝缘层上，改变了电容器的值。通过微电容测量装置得到电容值，进而反演得到碳尘颗粒物的质量浓度。这种测量方法盲区时间短，温度影响小，是一种比较优良的测量方法。但对于传统的电容方式测量装置，由于较厚氧化铝绝缘层的影响，少量的碳尘颗粒物不易被检测到。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种耐温型高灵敏度电容式碳尘PM快速测量装置，弥补现有碳尘颗粒物测量技术的不足，尤其是解决现有测量设备测量盲区大、灵敏度低以及测量范围小等问题。本技术的技术方案为：一种耐温型高灵敏度电容式碳尘PM快速测量装置，该装置包括探头模块、微电容测量模块和主控制模块；所述探头模块包括绝缘基底、设置在所述绝缘基底上表面的第一叉指电极、第二叉指电极和参考电容、均匀覆盖在所述第一叉指电极、第二叉指电极和参考电容上的绝缘层、依次设置在绝缘基底下表面的厚膜加热器和玻璃陶瓷覆盖层；所述第一叉指电极与第二叉指电极平行且交错设置，所述参考电容位于第一叉指电极与第二叉指电极之外的空间，所述第一叉指电极与第二叉指电极之间的空间不覆盖绝缘层，所述厚膜加热器位于绝缘基底与玻璃陶瓷覆盖层之间；所述微电容测量模块包括可调恒流源、可变振荡器、测量积分器、参考积分器、加减法器、低通滤波器和输出电路，所述可调恒流源用于为所述第一叉指电极与第二叉指电极构成的测量电容以及所述参考电容进行充放电，所述可变振荡器用于控制所述测量电容和参考电容的充放电时间，所述测量积分器的输入端连接第一叉指电极，所述第二叉指电极接地，所述参考积分器的输入端连接参考电容，所述测量积分器的输出端和参考积分器的输出端连接加减法器的输入端，所述加减法器的输出端通过低通滤波器连接输出电路的输入端；所述主控制模块包括控制器、显示器、存储器和温度控制开关，所述控制器的输入端连接输出电路的输出端，所述控制器的输出端连接显示器的输入端、存储器的输入端和温度控制开关的输入端，所述温度控制开关的输出端连接厚膜加热器的输入端。所述的耐温型高灵敏度电容式碳尘PM快速测量装置，所述微电容测量模块还包括温度传感器，所述温度传感器用于采集探头模块的温度，并将采集的温度信息传输至控制器。所述的耐温型高灵敏度电容式碳尘PM快速测量装置，所述主控制模块还包括电压控制电路，所述电压控制电路的输入端连接控制器的输出端，所述电压控制电路的输出端连接第一叉指电极和第二叉指电极，用于对第一叉指电极与第二叉指电极构成的测量电容的电压信号进行调节。所述的耐温型高灵敏度电容式碳尘PM快速测量装置，所述绝缘基底和绝缘层均采用氧化铝制备，所述玻璃陶瓷覆盖层采用玻璃陶瓷制备。所述的耐温型高灵敏度电容式碳尘PM快速测量装置，所述第一叉指电极、第二叉指电极和厚膜加热器均采用厚膜电极。所述的耐温型高灵敏度电容式碳尘PM快速测量装置，所述绝缘基底的厚度为400～1000um，所述第一叉指电极和第二叉指电极的长度为2～10mm，所述第一叉指电极和第二叉指电极的宽度为20～200um，所述第一叉指电极与第二叉指电极的间隙宽度为10～200um，所述绝缘层的厚度为2～20um。本技术的有益效果为：（1）本技术基于微电容检测，相比于电阻式检测，检测精度更高，盲区时间更短；（2）本技术相对于传统的电容式检测，通过刻蚀掉两两相对的叉指电极之间的绝缘层，有利于碳尘颗粒物的沉积，提高了检测灵敏度，降低了检测装置的检测下限；（3）本技术的探头模块集成了参考电容，能够有效地修正温度、气体流速等对测量结果的影响；（4）本技术在微电容检测模块中设置了温度传感器，通过控制器的信号处理，可以降低温漂对测量结果的影响；（5）本技术探头模块的制造材料是高温陶瓷和金属，能够适应高温环境，因此可以用于固定污染源和移动污染源高温环境下的碳尘颗粒物的检测；（6）本技术体积小、集成度高，一体化设计便于随身携带，可实现机动车尾气碳尘颗粒物的快速检测，也可实现大范围、多节点的联网监测。附图说明图1是本技术的装置结构示意图；图2是本技术的探头模块剖面图；图3是本技术的探头模块俯视图；图4是本技术的探头模块仰视图；图5是本技术的微电容测量模块信号处理流程图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例进一步说明本技术。如图1所示，一种耐温型高灵敏度电容式碳尘PM快速测量装置，包括探头模块1、微电容测量模块2和主控制模块3。探头模块1用于碳尘颗粒物的信号采集，包括绝缘基底11、第一叉指电极12、第二叉指电极13、参考电容14、绝缘层15、厚膜加热器16和玻璃陶瓷覆盖层17。微电容测量模块2用于微弱电容的检测，包括可调恒流源21、可变振荡器22、测量积分器23、参考积分器24、加减法器25、低通滤波器26、输出电路27和温度传感器28。主控制模块3是信号控制及可视化显示部分，包括控制器31、显示器32、存储器33、温度控制开关34和电压控制电路35。第一叉指电极12、第二叉指电极13和参考电容14均设置在绝缘基底11上表面，第一叉指电极12与第二叉指电极13平行且交错设置，参考电容14位于第一叉指电极12与第二叉指电极13之外的空间，参考电容14用于修正温度、气体流速等对测量结果的影响。绝缘层15均匀覆盖在第一叉指电极12、第二叉指电极13和参考电容14上，第一叉指电极12与第二叉指电极13之间的空间不覆盖绝缘层15。厚膜加热器16和玻璃陶瓷覆盖层17依次设置在绝缘基底11下表面，且厚膜加热器16位于绝缘基底11与玻璃陶瓷覆盖层17之间。可调恒流源21用于为第一叉指电极12与第二叉指电极13构成的测量电容以及参考电容14提供可调恒流电流，可变振荡器22用于控制测量电容和参考电容14的充放电时间。第一叉指电极12连接测量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种耐温型高灵敏度电容式碳尘PM快速测量装置，其特征在于：该装置包括探头模块（1）、微电容测量模块（2）和主控制模块（3）；所述探头模块（1）包括绝缘基底（11）、设置在所述绝缘基底（11）上表面的第一叉指电极（12）、第二叉指电极（13）和参考电容（14）、均匀覆盖在所述第一叉指电极（12）、第二叉指电极（13）和参考电容（14）上的绝缘层（15）、依次设置在绝缘基底（11）下表面的厚膜加热器（16）和玻璃陶瓷覆盖层（17）；所述第一叉指电极（12）与第二叉指电极（13）平行且交错设置，所述参考电容（14）位于第一叉指电极（12）与第二叉指电极（13）之外的空间，所述第一叉指电极（12）与第二叉指电极（13）之间的空间不覆盖绝缘层（15），所述厚膜加热器（16）位于绝缘基底（11）与玻璃陶瓷覆盖层（17）之间；所述微电容测量模块（2）包括可调恒流源（21）、可变振荡器（22）、测量积分器（23）、参考积分器（24）、加减法器（25）、低通滤波器（26）和输出电路（27），所述可调恒流源（21）用于为所述第一叉指电极（12）与第二叉指电极（13）构成的测量电容以及所述参考电容（14）进行充放电，所述可变振荡器（22）用于控制所述测量电容和参考电容（14）的充放电时间，所述测量积分器（23）的输入端连接第一叉指电极（12），所述第二叉指电极（13）接地，所述参考积分器（24）的输入端连接参考电容（14），所述测量积分器（23）的输出端和参考积分器（24）的输出端连接加减法器（25）的输入端，所述加减法器（25）的输出端通过低通滤波器（26）连接输出电路（27）的输入端；所述主控制模块（3）包括控制器（31）、显示器（32）、存储器（33）和温度控制开关（34），所述控制器（31）的输入端连接输出电路（27）的输出端，所述控制器（31）的输出端连接显示器（32）的输入端、存储器（33）的输入端和温度控制开关（34）的输入端，所述温度控制开关（34）的输出端连接厚膜加热器（16）的输入端。...

【技术特征摘要】
1.一种耐温型高灵敏度电容式碳尘PM快速测量装置，其特征在于：该装置包括探头模块（1）、微电容测量模块（2）和主控制模块（3）；所述探头模块（1）包括绝缘基底（11）、设置在所述绝缘基底（11）上表面的第一叉指电极（12）、第二叉指电极（13）和参考电容（14）、均匀覆盖在所述第一叉指电极（12）、第二叉指电极（13）和参考电容（14）上的绝缘层（15）、依次设置在绝缘基底（11）下表面的厚膜加热器（16）和玻璃陶瓷覆盖层（17）；所述第一叉指电极（12）与第二叉指电极（13）平行且交错设置，所述参考电容（14）位于第一叉指电极（12）与第二叉指电极（13）之外的空间，所述第一叉指电极（12）与第二叉指电极（13）之间的空间不覆盖绝缘层（15），所述厚膜加热器（16）位于绝缘基底（11）与玻璃陶瓷覆盖层（17）之间；所述微电容测量模块（2）包括可调恒流源（21）、可变振荡器（22）、测量积分器（23）、参考积分器（24）、加减法器（25）、低通滤波器（26）和输出电路（27），所述可调恒流源（21）用于为所述第一叉指电极（12）与第二叉指电极（13）构成的测量电容以及所述参考电容（14）进行充放电，所述可变振荡器（22）用于控制所述测量电容和参考电容（14）的充放电时间，所述测量积分器（23）的输入端连接第一叉指电极（12），所述第二叉指电极（13）接地，所述参考积分器（24）的输入端连接参考电容（14），所述测量积分器（23）的输出端和参考积分器（24）的输出端连接加减法器（25）的输入端，所述加减法器（25）的输出端通过低通滤波器（26）连接输出电路（27）的输入端；所述主控制模块（3）包括控制器（31）、显示器（32）、存储器（33）和温度控制开关（34），所述控制器（3...

【专利技术属性】
技术研发人员：王焕钦，孙强，陈明洁，虞发军，桂华侨，刘建国，胡俊涛，吕亮，王玉钟，万伟，秦飞虎，王程鹏，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：新型
国别省市：安徽,34