一种基于LIBS和TEOM联合的小型粉尘检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于LIBS和TEOM联合的小型粉尘检测装置及方法，包括气流干燥模块、LIBS光谱分析处理模块、TEOM振荡频率处理模块、气流参数识别模块和仪器控制模块；气流干燥模块包括采样头、进气管路和干燥管；LIBS光谱分析处理模块包括激光器、光学透镜、光纤探头、沉积凹槽和光谱仪；TEOM振荡频率处理模块包括频率振荡测量单元，利用微天平振荡频率的变化测量所采集的粉尘浓度；气流参数识别模块包括温湿度传感器、第一气体流量传感器、第二气体流量传感器、环境压力传感器。本发明专利技术的装置体积小巧，结构简单，满足低成本的工业场所粉尘成分和浓度检测需求。粉尘成分和浓度检测需求。粉尘成分和浓度检测需求。

【技术实现步骤摘要】
一种基于LIBS和TEOM联合的小型粉尘检测装置及方法


[0001]本专利技术属于粉尘成分和浓度在线检测领域，具体涉及一种基于LIBS和TEOM联合的小型粉尘检测装置及方法。

技术介绍

[0002]在现阶段，随着我国工业化进程不断加深，制造业、化工行业等一线工作场所工作人数不断增加，而相对应于这些复杂作业环境的职业健康防护措施却依然没有得到较好的保障。一方面是因为大多数工业企业的整体生产流程和工艺导致工作区域的粉尘浓度大，数量多，难以准确的检测，另一方面由于不同生产工艺产尘量不同，造成了同一厂区时间，空间上粉尘量和粉尘类型的差异，进而难以通过传统的粉尘检测方法进行监测。而检测环节的不足就带来了生产上对于防护的不关心、不重视等问题，进而影响了一线职工的健康。究其根本，需要找到一种适合目前工业场所的便携式，低成本，高精度，且能长时间连续测量的粉尘浓度检测装置。
[0003]激光诱导击穿光谱技术(LIBS)是一种基于激光发射光谱的物质成分检测技术。其主要原理在于高能量的脉冲激光照射到样品表面，使样品表面的原子被激发电离形成等离子体，这些不同元素的等离子体在降温回到基态时会释放该元素的特征谱线，通过使用光谱仪收集测定这些特征谱线和光信号可以获得样品中的元素组成以及含量。与传统的实验室分析技术如电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP
‑
AES)、原子吸收光谱(AAS)、质谱(MS)等相比，LIBS技术具有测量速度快，无须样品预处理，精度高，多元素分析等优势。针对该技术具有的以上优势，其非常适合应用于工业场所粉尘成分及浓度的检测工作。
[0004]频率振荡测量单元法是一种基于质量的惯性特性，在无重力条件下测量质量的一种方法。TEOM基于锥形元件微量振荡天平原理，此锥形元件在自然频率下振动，其振荡频率由以下几个方面决定：振荡元件的物理特性，参加振荡的滤膜质量，沉积在滤膜上的粉尘质量等。当滤膜上逐渐有颗粒物沉积时，总体质量不断增加，从而导致振荡元件的振荡频率发生变化，这种变化可以用来测量一段时间内的粉尘浓度。TEOM是一种直接测量空气中粉尘浓度的方法，其灵敏度、准确度、最低检出限等相较于其他测量方法都有较为突出的优势。
[0005]目前对气体中粉尘浓度的监测方法中，常用的方法有人工滤膜称重法、光散射法、压电晶体法、β射线法、TEOM振荡天平法和激光诱导击穿光谱法等。其中光散射法、压电晶体法、β射线法，以及激光诱导击穿光谱法等属于间接测量法，人工滤膜称重法和振荡天平法属于直接测量法。针对上述对于便携式、低成本粉尘检测装置的要求，目前较为前沿的LIBS和TEOM技术是两种比较适合长时间使用并且测量精度较高，对于工业场所复杂情况有较好适应性的粉尘成分及浓度检测方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种基于LIBS和TEOM联合的小型粉尘检测装置及方法，以解决现有技术中环境因素对测量结果的影响，测量精度，低精度，且不能长时间连续测量的粉
尘浓度检测的问题。
[0007]本专利技术采用以下技术方案：
[0008]一种基于LIBS和TEOM联合的小型粉尘检测装置，包括：气流干燥模块、TEOM振荡频率处理模块、LIBS光谱分析处理模块、气流参数识别模块和仪器控制模块。
[0009]其中，气流干燥模块包括依次连通设置的采样头、进气管路和干燥管，其用于采集含所需粒径大小粉尘的气流并对其进行干燥。
[0010]TEOM振荡频率处理模块包含：频率振荡测量单元和环境压力传感器，频率振荡测量单元用振荡微天平振荡频率的变化测量所采集的粉尘浓度。
[0011]LIBS光谱分析处理模块包括：LIBS光谱分析处理模块腔体、光谱仪、光纤探头，以及设置在LIBS光谱分析处理模块内的激光器、光学透镜和沉积凹槽，LIBS光谱分析处理模块采用激光诱导击穿光谱法对所采集的粉尘浓度进行测量，其测量后的气体进入气流参数识别模块。
[0012]气流参数识别模块包括：气流参数识别模块腔体，以及设置在气流参数识别模块腔体内的温度湿度传感器、第一气体流量传感器和第二气体流量传感器，用于采集数据处理过程中的相关参数。
[0013]仪器控制模块包括控制计算器和流量气泵，用于控制设备的整体运作及处理TEOM振荡频率处理和LIBS光谱分析处理模块两种测量方法所得的测量结果。
[0014]其中，干燥管尾端分两路分别与TEOM振荡频率处理模块和LIBS光谱分析处理模块连通；在频率振荡测量单元与气流参数识别模块连通的通路上设置有环境压力传感器；气流参数识别模块腔体设置第一腔室和第二腔室，第一腔室和第二腔室的上部通过隔板相隔，两腔室的下部连通至外界，在与外界连通的管路上设置流量气泵，连通至外界的管道的尾端为气流出口；第一腔室内上部设置第一气体流量传感器，第二腔室内上部设置第二气体流量传感器，第一腔室和第二腔室的上部均设置有温度湿度传感器，频率振荡测量单元与第一腔室的上部连通。
[0015]干燥管尾端的另一气路与LIBS光谱分析处理模块腔体连通，LIBS光谱分析处理模块腔体内设置激光器，激光器的正下方依次设置光学透镜和沉积凹槽，沉积凹槽可拆卸地设置在LIBS光谱分析处理模块腔体上，激光器一端与光谱仪连接；LIBS光谱分析处理模块腔体侧壁设置光纤探头，且光纤探头处于沉积凹槽的上方，用于接收被激发的物质的等离子体的光信号，光纤探头与光谱仪连接，LIBS光谱分析处理模块腔体与第二腔室的上部连通。
[0016]控制计算器与频率振荡测量单元、流量泵、激光器、光谱仪、环境压力传感器、温度湿度传感器、第一气体流量传感器和第二气体流量传感器均连接。
[0017]优选地，干燥管内部填充干燥剂。
[0018]优选地，LIBS光谱分析处理模块的光谱仪和控制计算器与蓄电池组连接。
[0019]优选地，沉积凹槽材质是耐烧蚀、耐高温的材质。
[0020]优选地，沉积凹槽为抽屉式碗状结构。
[0021]优选地，凹槽凹陷圆心率为70
°
。
[0022]优选地，环境压力传感器包含外部和内部传感器两部分，内部传感器处于管路内，外部传感器暴露于外部环境中，用于测量外部环境中的大气压力以及内部气流管路中的气
体压力。
[0023]本专利技术采用的另一技术方案如下：一种基于LIBS和TEOM联合的小型粉尘检测装置的检测方法，包括如下步骤：
[0024]步骤1，气流经过采样头，随后气流经过进气管路进入干燥管。
[0025]步骤2，经过所述步骤1干燥后的气流通过两根支管分别进入LIBS光谱分析处理模块和TEOM频率振荡处理模块，当含粉尘气流从上部通路入口进入LIBS光谱分析处理模块激发腔室，会在重力作用下沉积到沉积凹槽的凹槽中，此时控制计算器控制激光器进行快速释放激光，激光通过光学透镜的聚焦作用汇聚在沉积凹槽的底部，对所沉积的颗粒物进行激发，激发所释放的光信号，光谱特征波长及在该波长下对应的光谱强度信息由光纤探头接收并传输到光谱仪中进行信号处理本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于LIBS和TEOM联合的小型粉尘检测装置，其特征在于，包括：气流干燥模块、TEOM振荡频率处理模块、LIBS光谱分析处理模块、气流参数识别模块和仪器控制模块；其中，所述气流干燥模块包括依次连通设置的采样头(1)、进气管路(2)和干燥管(3)，其用于采集含所需粒径大小粉尘的气流并对其进行干燥；所述TEOM振荡频率处理模块包含：频率振荡测量单元(5)和环境压力传感器(4)，所述频率振荡测量单元(5)用振荡微天平振荡频率的变化测量所采集的粉尘浓度；所述LIBS光谱分析处理模块包括：LIBS光谱分析处理模块腔体、光谱仪(14)、光纤探头(16)，以及设置在LIBS光谱分析处理模块内的激光器(18)、光学透镜(17)和沉积凹槽(15)，所述LIBS光谱分析处理模块采用激光诱导击穿光谱法对所采集的粉尘浓度进行测量，其测量后的气体进入所述气流参数识别模块；所述气流参数识别模块包括：气流参数识别模块腔体，以及设置在气流参数识别模块腔体内的温度湿度传感器(8)、第一气体流量传感器(7)和第二气体流量传感器(10)，用于采集数据处理过程中的相关参数；所述仪器控制模块包括控制计算器(6)和流量气泵(9)，用于控制设备的整体运作及处理所述TEOM振荡频率处理和所述LIBS光谱分析处理模块两种测量方法所得的测量结果；其中，所述干燥管(3)尾端分两路分别与所述TEOM振荡频率处理模块和LIBS光谱分析处理模块连通；在所述频率振荡测量单元(5)与所述气流参数识别模块连通的通路上设置有环境压力传感器(4)；所述气流参数识别模块腔体设置第一腔室和第二腔室，第一腔室和第二腔室的上部通过隔板相隔，两腔室的下部连通至外界，在与外界连通的管路上设置流量气泵(9)，连通至外界的管道的尾端为气流出口(13)；所述第一腔室内上部设置第一气体流量传感器(7)，所述第二腔室内上部设置第二气体流量传感器(10)，所述第一腔室和第二腔室的上部均设置有温度湿度传感器(8)，所述频率振荡测量单元(5)与所述第一腔室的上部连通；所述干燥管(3)尾端的另一气路与LIBS光谱分析处理模块腔体连通，所述LIBS光谱分析处理模块腔体内设置激光器(18)，所述激光器(18)的正下方依次设置光学透镜(17)和沉积凹槽(15)，所述沉积凹槽(15)可拆卸地设置在LIBS光谱分析处理模块腔体上，所述激光器(18)一端与光谱仪(14)连接；所述LIBS光谱分析处理模块腔体侧壁设置光纤探头(16)，且光纤探头(16)处于所述沉积凹槽(15)的上方，用于接收被激发的物质的等离子体的光信号，所述光纤探头(16)与所述光谱仪(14)连接，所述LIBS光谱分析处理模块腔体与所述第二腔室的上部连通；所述控制计算器(6)与频率振荡测量单元(5)、流量泵(9)、激光器(18)、光谱仪(14)、环境压力传感器(4)、温度湿度传感器(8)、第一气体流量传感器(7)和第二气体流量传感器(10)均连接。2.如权利要求1所述的基于LIBS和TEOM联合的小型粉尘检测装置，其特征在于，所述干燥管(3)内部填充干燥剂。3.如权利要求1所述的基于LIBS和TEOM联合的小型粉尘检测装置，其特征在于，所述LIBS光谱分析处理模块的光谱仪(14)和控制计算器(6)与蓄电池组(11)连接。4.如权利要求1所述基于LIBS和TEOM联合的小型粉尘检测装置，其特征在于，所述沉积凹槽...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑丽娜，周福宝，宣鹏，顾俊彦，陈超，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：