一种压电谐振式PM2.5监测系统技术方案

一种压电谐振式PM2.5监测系统，基于压电谐振频差法，采用模块化设计，主要包括控制单元，以及分别与控制单元连接的静电沉降采样单元、压电谐振单元、频率测试单元和显示单元；静电沉降采样单元主要包括冲击式惯性分粒器和静电沉降器；压电谐振单元主要包括压电石英晶体谐振器、放大器和低压电源。压电石英晶体谐振器是由两个相同的压电石英晶体振荡电路构成的双石英晶体谐振器，建立压电谐振频率与压电晶片质量之间的关系模型，根据压电谐振频率的变化确定PM2.5的质量浓度，双石英晶体谐振器的一个振荡电路为测量端，另一个振荡电路为参考端。本发明专利技术的PM2.5颗粒物采集率稳定，其监测灵敏度不受包括环境温度等诸多因素的影响。

A piezoelectric resonant PM2.5 monitoring system

A piezoelectric resonator type PM2.5 monitoring system, the piezoelectric resonance frequency difference method based on modular design, including the main control unit and control unit are respectively connected with the electrostatic sedimentation sampling unit, the piezoelectric resonance unit, frequency measuring unit and a display unit; electrostatic precipitation sampling unit including the impact type inertia separator and electrostatic precipitator; piezoelectric resonant unit mainly comprises a piezoelectric quartz crystal resonator, and low voltage power amplifier. Piezoelectric quartz crystal resonator is a dual quartz crystal resonator composed of two identical piezoelectric quartz crystal oscillation circuit, establish the relation model between the piezoelectric resonance frequency of the piezoelectric wafer quality, determine the mass concentration of PM2.5 according to the change of the resonant frequency of the piezoelectric oscillator circuit, a dual quartz crystal resonator for measuring end on the other, an oscillation circuit for reference end. The collection rate of PM2.5 particles in the invention is stable, and its monitoring sensitivity is not affected by many factors, including environmental temperature.

【技术实现步骤摘要】
一种压电谐振式PM2.5监测系统
本专利技术涉及PM2.5监测，特别是涉及一种压电谐振式PM2.5监测系统。
技术介绍
PM2.5指的是粒径在2.5μm以下的细颗粒物，已成为国内外城市大气的首要污染物。压电晶振法又称为压电晶振频差法，是基于压电元件谐振频率的变化测定PM2.5质量浓度的方法，具有监测灵敏度高、选择性好，装置相对简单等优点，已日益受到相关行业人士的重视，其缺陷是PM2.5颗粒物采集率不够稳定，其监测灵敏度易受到包括环境温度等诸多因素的影响。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是弥补上述现有技术的缺陷，提供一种压电谐振式PM2.5监测系统。本专利技术的技术问题通过以下技术方案予以解决。这种压电谐振式PM2.5监测系统，基于压电谐振频差法，用于对PM2.5连续采样，实时准确监测PM2.5的质量浓度。这种压电谐振式PM2.5监测系统的特点是：采用模块化设计，主要包括控制单元，以及分别与所述控制单元连接的静电沉降采样单元、压电谐振单元、频率测试单元和显示单元；所述静电沉降采样单元主要包括冲击式惯性分粒器和静电沉降器；所述压电谐振单元主要包括压电石英晶体谐振器、放大器和低压电源。所述压电石英晶体谐振器是由两个相同的压电石英晶体振荡电路构成的双石英晶体谐振器，建立压电谐振频率与压电晶片质量之间的关系模型，根据压电谐振频率的变化确定PM2.5的质量浓度，所述双石英晶体谐振器的一个振荡电路为测量端，另一个振荡电路为参考端，参考端与测量端所处的环境温度等因素完全相同，参考端的频率与测量端空载时的频率相同，两个振荡电路的输出分别输入差频器得到差频信号，以减小环境温度等因素对压电晶体检测性能的影响，从而，减小包括环境温度等诸多因素对PM2.5的质量浓度监测灵敏度的影响。本专利技术的技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决。所述控制单元包括单片机PIC24FJ96，用于对仪器系统各部件的协调控制、数据处理和显示。所述冲击式惯性分粒器是喷嘴孔径分别为φ7mm、φ5mm的冲击式惯性分粒器，用于分别分离粒径10μm以下、2.5μm以下的气溶胶颗粒物。所述静电沉降器主要包括作为集尘极的压电石英晶片、高压放电针、高压电源和抽气泵，所述压电石英晶片是质量敏感元件，与静电沉降集尘技术相结合，通过高压放电提高PM2.5质量浓度检测灵敏度。优选的是，所述高压放电针与石英晶片间的距离为7.0mm±0.5mm，高压电源为3.0KV电源，抽气泵的抽气流量恒定为1L/min，PM2.5质量浓度检测灵敏度最佳，对PM2.5颗粒物的采集率稳定。所述双石英晶体谐振器是采用型号为74LS00芯片的双石英晶体谐振器，所述差频器是采用型号为74LS132芯片的差频器。优选的是，所述双石英晶体谐振器的石英晶片是AT切型，晶体直径为φ13.7mm，频率为4.998MHz。本专利技术的技术问题通过以下再进一步的技术方案予以解决。所述频率测试单元主要包括频率计，所述频率计包括与所述差频器连接的放大整形模块、分频选择模块，以及基准频率模块，由所述控制单元控制进行频率计数和PM2.5质量浓度计算。所述显示器主要包括显示模块，用于显示频率计数与PM2.5质量浓度计算结果。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：本专利技术的PM2.5颗粒物采集率稳定，PM2.5质量浓度的监测灵敏度不受包括环境温度等诸多因素的影响。附图说明图1是本专利技术具体实施方式的系统组成示意图；图2是图1的采样单元组成结构图。具体实施方式下面结合具体实施方式并对照附图对本专利技术进行说明。一种如图1~2所示的压电谐振式PM2.5监测系统，基于压电谐振频差法，用于对PM2.5连续采样，实时准确监测PM2.5的质量浓度。采用模块化设计，主要包括控制单元，以及分别与控制单元连接的静电沉降采样单元、压电谐振单元、频率测试单元和显示单元。控制单元包括单片机PIC24FJ96，用于对仪器系统各部件的协调控制、数据处理和显示。静电沉降采样单元主要包括冲击式惯性分粒器和静电沉降器；冲击式惯性分粒器是喷嘴孔径分别为φ7mm、φ5mm的冲击式惯性分粒器，用于分别分离粒径10μm以下、2.5μm以下的气溶胶颗粒物。静电沉降器主要包括作为集尘极的压电石英晶片、高压放电针、高压电源和抽气泵，压电石英晶片是质量敏感元件，与静电沉降集尘技术相结合，通过高压放电提高PM2.5质量浓度检测灵敏度。高压放电针与石英晶片间的距离为7.0mm±0.5mm，高压电源为3.0KV电源，抽气泵的抽气流量恒定为1L/min，PM2.5质量浓度检测灵敏度最佳，对PM2.5颗粒物的采集率稳定。压电谐振单元主要包括压电石英晶体谐振器、放大器和低压电源，压电石英晶体谐振器是由两个相同的压电石英晶体振荡电路构成的采用型号为74LS00芯片的双石英晶体谐振器，建立压电谐振频率与压电晶片质量之间的关系模型，根据压电谐振频率的变化确定PM2.5的质量浓度，双石英晶体谐振器的石英晶片是AT切型，晶体直径为φ13.7mm，频率为4.998MHz。双石英晶体谐振器的一个振荡电路为测量端，另一个振荡电路为参考端，参考端与测量端所处的环境温度等因素完全相同，参考端的频率与测量端空载时的频率相同，两个振荡电路的输出分别输入采用型号为74LS132芯片的差频器得到差频信号，以减小环境温度等因素对压电晶体检测性能的影响，从而，减小包括环境温度等诸多因素对PM2.5质量浓度的监测灵敏度的影响。频率测试单元主要包括频率计，所述频率计包括与所述差频器连接的放大整形模块、分频选择模块，以及基准频率模块，由所述控制单元控制进行频率计数和PM2.5质量浓度计算。显示器主要包括显示模块，用于显示频率计数与PM2.5质量浓度计算结果。采用本具体实施方式的监测地点为南昌大学前湖校区，邻近官方公布监测数据的南昌市新建区建工学校监测站点，监测周期为2017年9月1日-20日，监测结果对比如下表所示（单位：μg/m3）。监测结果对比表明，本具体实施方式的PM2.5质量浓度的监测数据与官方公布的数据相接近，数据变化趋势相一致，可以反映监测区域的PM2.5质量浓度的变化情况，满足PM2.5质量浓度的监测需求。以上内容是结合具体的优选实施方式对本专利技术所作的进一步详细说明，不能认定本专利技术的具体实施只局限于这些说明。对于本专利技术所属
的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本专利技术由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电谐振式PM2.5监测系统，基于压电谐振频差法，其特征在于：采用模块化设计，主要包括控制单元，以及分别与所述控制单元连接的静电沉降采样单元、压电谐振单元、频率测试单元和显示单元；所述静电沉降采样单元主要包括冲击式惯性分粒器和静电沉降器；所述压电谐振单元主要包括压电石英晶体谐振器、放大器和低压电源;所述压电石英晶体谐振器是由两个相同的压电石英晶体振荡电路构成的双石英晶体谐振器，建立压电谐振频率与压电晶片质量之间的关系模型，根据压电谐振频率的变化确定PM2.5的质量浓度，所述双石英晶体谐振器的一个振荡电路为测量端，另一个振荡电路为参考端。

【技术特征摘要】
1.一种压电谐振式PM2.5监测系统，基于压电谐振频差法，其特征在于：采用模块化设计，主要包括控制单元，以及分别与所述控制单元连接的静电沉降采样单元、压电谐振单元、频率测试单元和显示单元；所述静电沉降采样单元主要包括冲击式惯性分粒器和静电沉降器；所述压电谐振单元主要包括压电石英晶体谐振器、放大器和低压电源;所述压电石英晶体谐振器是由两个相同的压电石英晶体振荡电路构成的双石英晶体谐振器，建立压电谐振频率与压电晶片质量之间的关系模型，根据压电谐振频率的变化确定PM2.5的质量浓度，所述双石英晶体谐振器的一个振荡电路为测量端，另一个振荡电路为参考端。2.如权利要求1所述的压电谐振式PM2.5监测系统，其特征在于：所述控制单元包括单片机PIC24FJ96。3.如权利要求1或2所述的压电谐振式PM2.5监测系统，其特征在于：所述冲击式惯性分粒器是喷嘴孔径分别为φ7mm、φ5mm的冲击式惯性分粒器。4.如权利要求3所述的压电谐振式PM2.5监测系统，其特征在于：所述静电沉降器主要包括作为集尘极的...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢建宏，胡兆吉，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：发明
国别省市：江西,36