一種基于局部壓強(qiáng)差異的差分式粉塵傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種粉塵傳感器，尤其是一種通過(guò)檢測(cè)局部壓強(qiáng)差異進(jìn)而實(shí)時(shí)檢測(cè)空 氣中粉塵濃度的傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國(guó)是全球職業(yè)病高發(fā)國(guó)家。近年來(lái)，隨著工業(yè)化進(jìn)程的快速推進(jìn)，塵肺病、職業(yè) 中毒等職業(yè)病發(fā)病率居高不下，群發(fā)性職業(yè)病事件時(shí)有發(fā)生，又由于人們環(huán)境和健康意識(shí) 的增強(qiáng)，實(shí)體經(jīng)濟(jì)發(fā)展所帶來(lái)的粉塵問(wèn)題越來(lái)越引起政府和研究人員的關(guān)注。
[0003] 粉塵是懸浮在空氣中的固體微粒。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織將粒徑小于75 μ m的固體懸浮 物定義為粉塵，一般可按照顆粒大小分為如下幾類：
[0004] 1、飄塵，系指大氣中粒徑小于IOym的固體微粒，它能較長(zhǎng)期地在大氣中漂浮，有 時(shí)也稱為浮游粉塵，也被稱為可吸入顆粒物，英文縮寫為PM10。人們常說(shuō)的PM2. 5是指環(huán)境 空氣中空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于2. 5微米的顆粒物。與較粗的大氣顆粒物相比，PM2. 5 粒徑小，面積大，活性強(qiáng)，易附帶重金屬、微生物等有毒有害物質(zhì)，且在大氣中的停留時(shí)間 長(zhǎng)、輸送距離遠(yuǎn)，因而對(duì)人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響更大。
[0005] 2、降塵，系指大氣中粒徑大于10 μ m的固體微粒，在重力作用下，它可在較短的時(shí) 間內(nèi)沉降到地面。
[0006] 3、總懸浮微粒，系指大氣中粒徑小于100 μ m的所有固體微粒。也被稱為總懸浮顆 粒物，英文縮寫為TSP。
[0007] 粉塵的來(lái)源主要有兩個(gè)方面，一是自然界固有的地質(zhì)或生物演化活動(dòng)，如火山噴 發(fā)、土壤和巖石風(fēng)化、地震、花粉及孢子等有機(jī)顆粒等，二是人類改造自然的活動(dòng)，如采石場(chǎng) 爆破、破碎等開(kāi)礦作業(yè)，熔煉，焊接、澆鑄、研磨、切削、鉆孔等機(jī)械加工作業(yè)，切割、磨粉、焚 燒等農(nóng)林產(chǎn)品加工作業(yè)等。與自然界固有的活動(dòng)相比，人類改造自然的活動(dòng)往往具有更多 的毒害物質(zhì)，如鉻、錳、鎘、鉛、汞、砷、石英、石棉、滑石等無(wú)機(jī)粉塵以及農(nóng)藥、染料、樹脂、橡 膠、纖維、煙塵類有機(jī)粉塵等。人體吸入粉塵后，小于5 μ m的微粒，極易深入肺部，引起中毒 性肺炎或矽肺，有時(shí)還會(huì)引起肺癌。沉積在肺部的污染物一旦被溶解，就會(huì)直接侵入血液， 引起血液中毒，未被溶解的污染物，也可能被細(xì)胞所吸收，導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞。
[0008] 大氣中的粉塵對(duì)于地球和人類健康具有重要意義，一方面可以在白天反射一部分 來(lái)自太陽(yáng)的能量，另一方面也可以防止進(jìn)入地球的能量發(fā)散至地外空間，粉塵對(duì)于保持地 球溫度的穩(wěn)定具有重要意義；粉塵也是空氣中云，霧，雪等雨水循環(huán)重要凝結(jié)核，沒(méi)有了粉 塵，雨水循環(huán)將受到嚴(yán)重影響；此外，粉塵還可以阻擋一部分紫外線和宇宙射線，從而減少 紫外線和宇宙射線對(duì)人類健康的危害。但是過(guò)多的粉塵對(duì)人類的生命健康則是極為有害 的，特別是近年來(lái)，隨著實(shí)體經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的擴(kuò)散和普及，早期相對(duì)集中的局部工業(yè)污染問(wèn)題已 經(jīng)成為全國(guó)性的困擾人們?nèi)粘Ｉ畹钠毡閱?wèn)題。工業(yè)污染或多或少會(huì)含有一些有害物質(zhì)， 易誘發(fā)多種疾病，進(jìn)而危害人們的健康，這方面標(biāo)志性的事件如2009年6月發(fā)生在河南省 的張海超開(kāi)胸驗(yàn)肺事件。此外，局部空間中特定的高濃度粉塵遇明火時(shí)還可能引發(fā)爆炸從 而釀成嚴(yán)重的安全事故。近年來(lái)，我國(guó)粉塵爆炸事故頻發(fā)，僅2014年就發(fā)生6起粉塵爆炸 事故，如8月2日上午7時(shí)37分，江蘇昆山中榮金屬制品有限公司汽車輪轂拋光車間發(fā)生 導(dǎo)致75死120余傷的慘烈爆炸，國(guó)家安監(jiān)局的調(diào)查表明，這是一起車間漂浮的高濃度鋁粉 所導(dǎo)致的安全責(zé)任事故；6月21日17時(shí)15分左右，烏蘇市新疆天玉生物科技有限公司發(fā)生 粉塵爆炸，所幸未造成人員傷亡；5月27日下午4時(shí)許，廣東溢達(dá)紡織有限公司輔料包裝廠 車紐車間除塵室發(fā)生粉塵爆炸事故，造成5人受傷；4月16日10時(shí)左右，江蘇省南通市如 皋市東陳鎮(zhèn)雙馬化工有限公司硬脂酸造粒塔發(fā)生硬脂酸粉塵爆炸事故，造成8人死亡，9人 受傷；2月8日晚11時(shí)許，常州市新北區(qū)新橋鎮(zhèn)史墅村華達(dá)化工廠發(fā)生金屬粉塵爆炸；2月 5日10時(shí)青R縣黑龍江龍鳳玉米有限公司淀粉包裝車間爆炸，事故共造成1亡9名傷。目 前已知七類粉塵具有爆炸性：金屬（如鎂粉、鋁粉）；煤炭；糧食（如小麥、淀粉）；飼料（如 血粉、魚粉）；農(nóng)副產(chǎn)品（如棉花、煙草）；林產(chǎn)品（如紙粉、木粉）；合成材料（如塑料、染 料）。
[0009] 如果能對(duì)大氣和局部空間中的粉塵進(jìn)行有效的檢測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，無(wú)疑將有助于人 們及時(shí)采取措施對(duì)潛在污染和爆炸風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行及時(shí)的干預(yù)控制，進(jìn)而維護(hù)良好的自然環(huán)境、 生活環(huán)境和安全環(huán)境。
[0010] 在粉塵檢測(cè)方法方面，目前國(guó)內(nèi)外的技術(shù)手段主要包括：重量法、光散射法、β射 線法、靜電感應(yīng)法。
[0011] 1)重量法。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)即采用重量法作為粉塵濃度的基礎(chǔ)檢測(cè)方法，即以手工采樣 的重量法作為基準(zhǔn)，其他方法的監(jiān)測(cè)值是否準(zhǔn)確，需要與手工采樣的結(jié)果進(jìn)行比較，手工采 樣測(cè)得的數(shù)值才被認(rèn)為是真值。重量法檢測(cè)時(shí)，還可通過(guò)具有一定切割特性的采樣器，以恒 速抽取定量體積空氣，使環(huán)境空氣中ΡΜ2. 5和PMlO被截留在已知質(zhì)量的濾膜上，根據(jù)采樣 前后濾膜的重量差和采樣體積，計(jì)算出ΡΜ2. 5和PMlO的濃度。該方法成本低廉、數(shù)據(jù)可靠， 不足之處在于檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，通常以小時(shí)計(jì)算。
[0012] 2)光散射法。如直讀式激光粉塵儀，該儀器通過(guò)檢測(cè)由粉塵所折射的激光強(qiáng)度進(jìn) 而檢測(cè)粉塵濃度。激光粉塵儀以激光為光源，內(nèi)置濾膜收集顆粒物樣品，并實(shí)現(xiàn)ΡΜ2. 5、 PM5、PM10、TSP，PMl。測(cè)量時(shí)，粉塵儀通過(guò)氣泵將待測(cè)氣溶膠吸入檢測(cè)艙，待測(cè)氣溶膠在分支 處分流成為兩部分，一部分經(jīng)過(guò)一個(gè)高效過(guò)濾器后被過(guò)濾為干凈的空氣，作為保護(hù)鞘氣來(lái) 保護(hù)傳感器室的元器件不受待測(cè)氣體污染；另一部分氣溶膠作為待測(cè)樣品進(jìn)入傳感器室。 傳感器室內(nèi)的器件包括激光二極管、透鏡組和光電檢測(cè)器。檢測(cè)時(shí)，激光二極管發(fā)出的激光 通過(guò)透鏡組形成一個(gè)薄層面光源。薄層光照射在流經(jīng)傳感器室的待測(cè)氣溶膠時(shí)，會(huì)產(chǎn)生散 射，該散射光強(qiáng)度正比于氣溶膠的質(zhì)量濃度。所以，光電探測(cè)器檢測(cè)出該散射光強(qiáng)后乘以電 壓校準(zhǔn)系數(shù)即可以探測(cè)出粉塵濃度。光散射法已被多個(gè)國(guó)家部委作為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)采納，如衛(wèi) 生部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)WS/T206-2001，勞動(dòng)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LD98-1996和鐵道部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T2323-92 等。光散射法的不足之處在于多次使用后透鏡組和光路易被粉塵污染，從而逐漸喪失精度。
[0013] 3) β射線吸收法：其原理為β射線穿過(guò)待測(cè)定物質(zhì)后，其強(qiáng)度衰減程度僅與被穿 透物質(zhì)的質(zhì)量有關(guān)，而與其物理、化學(xué)性質(zhì)無(wú)關(guān)，即粉塵粒子吸收β射線的量與粉塵粒子 的質(zhì)量成正比關(guān)系。檢測(cè)時(shí)，可讓?duì)律渚€先后穿過(guò)清潔濾紙和有塵濾紙，即可以測(cè)出β射 線兩次吸收量的差異，進(jìn)而計(jì)測(cè)出粉塵的質(zhì)量濃度。該方法不受粉塵粒子大小及顏色的影 響，快速，操作簡(jiǎn)便。β射線粉塵儀不足之處在于需要放射源，存在一定的安全隱患。
[0014] 4)靜電吸附式壓電法：石英壓電晶體有一定的振蕩頻率，當(dāng)石英晶體表面沉積有 一定量的粉塵粒子時(shí)，就會(huì)改變其振蕩頻率，根據(jù)頻率的變化得出相對(duì)粉塵濃度。根據(jù)換算 系數(shù)算出粉塵的質(zhì)量濃度。采樣時(shí)間一般為24秒或120秒，測(cè)定后石英晶體的清洗較復(fù)雜。
[0015] 上述除重量法之外的非國(guó)標(biāo)規(guī)定檢測(cè)方法通常只能得到微小區(qū)域的粉塵瞬時(shí)值， 與實(shí)際呼吸性粉塵和總粉塵的測(cè)值相關(guān)性不大，所檢測(cè)數(shù)據(jù)通常不能作為執(zhí)法依據(jù)，而以 重量法作為執(zhí)法依據(jù)，又存在檢測(cè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，給實(shí)時(shí)取證帶來(lái)很大困難。
[0016] 本發(fā)明即是在上述背景下提出的一種基于局部壓強(qiáng)差異的差分式粉塵傳感器，該 傳感器可實(shí)現(xiàn)大氣環(huán)境或局部空間總粉塵的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 技術(shù)問(wèn)題：
[0018] 本發(fā)明的目的是針對(duì)上述非國(guó)標(biāo)規(guī)定檢測(cè)方法通常只能得到微小區(qū)域的粉塵瞬 時(shí)值，與實(shí)際呼吸性粉塵和總粉塵的測(cè)值相關(guān)性不大，所檢測(cè)數(shù)據(jù)通常不能作為執(zhí)法依據(jù)， 而以重量法作為執(zhí)法依據(jù)，又存在檢測(cè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)取證等不足，提供一 種基于局部壓強(qiáng)差異的差分式粉塵傳感器，該傳感器可實(shí)現(xiàn)大氣環(huán)境或局部空間總粉塵的 實(shí)時(shí)檢測(cè)。
[0019] 技術(shù)方案：
[0020] 該粉塵傳感器包括垂直板壁（1)、彈簧鉸鏈一（2)、細(xì)長(zhǎng)桿支架一（3)、方盒一（4)、 托板一（5)、彈簧鉸鏈二（6)、細(xì)長(zhǎng)桿支架二（7)、方盒二（8)、托板二（9)、激光光源一（10)、 激光光源二（11)、感光器一（12)、感光器二（13)、鏡面一（14)及鏡面二（15)。
[0021] 1)在垂直板壁上固定兩個(gè)可上下擺動(dòng)的彈簧鉸鏈；
[0022] 2)在兩個(gè)彈簧鉸鏈的另一端分別固定一個(gè)水平細(xì)長(zhǎng)桿支架，細(xì)長(zhǎng)桿支架與彈簧鉸 鏈聯(lián)接后可以在外力的作用下上下擺動(dòng)，但不能側(cè)向轉(zhuǎn)動(dòng)；
[0023] 3)在兩個(gè)細(xì)長(zhǎng)桿支架的另一端通過(guò)分別固定一個(gè)方形托板，兩個(gè)方形托板的大小 重量完全一致。方形托板與細(xì)長(zhǎng)桿之間為剛性連接。
[0024] 4)在上述兩個(gè)托板上分別固定一個(gè)開(kāi)口向下的方盒，其中一個(gè)方盒置于托板上 方，另一個(gè)方盒至于托板下方；置于托板上方的方盒與托板之間完全密封，密封腔內(nèi)為純凈 空氣，并通過(guò)微細(xì)小孔與外部保持氣壓平衡。置于托板下方的方盒與托板之間為剛性連接， 方盒開(kāi)口向下，其內(nèi)部與外部空氣直接相通。
[0025] 5)在方盒和托板的下方分別斜向布置一激光源，兩個(gè)激光源的角度和方向一致， 分別指向方盒置于上方的托板底部及方盒置于下方的方盒頂部。
[0026] 6)在方盒置于上方的托板底部及方盒置于下方的方盒頂部分別放置一鏡面，以反 射來(lái)自光源的激光束。
[0027] 7)在反射光束的方向上分別放置激光探測(cè)器，以探測(cè)反射激光束的空間位置。
[0028] 8)兩個(gè)細(xì)長(zhǎng)桿支架上的載荷應(yīng)完全相同，彈簧鉸鏈的彈性亦應(yīng)通過(guò)選配確保完全 一致，以確保兩個(gè)激光束經(jīng)鏡面反射后的位置相同。
[0029] 9)當(dāng)上述傳感器置于待檢測(cè)的空氣環(huán)境中時(shí)，如果空氣中存在粉塵時(shí)，方盒置于 托板上方的細(xì)長(zhǎng)桿支架將由于方盒所封閉的空間內(nèi)為純凈空氣而承受相對(duì)較小的壓強(qiáng)，而 方盒置于托板下方的細(xì)長(zhǎng)桿支架則由于其上方等體積的開(kāi)放空間內(nèi)存在粉塵而承受相對(duì) 較大的壓強(qiáng)。由此導(dǎo)致各自所反射的激光束的偏轉(zhuǎn)角度也有所不同，進(jìn)而可以反向求解得 到等體積開(kāi)放空間中的粉塵濃度。
[0030] 有益效果：
[0031] 本發(fā)明一種基于局部壓