一种纳米粒子检测电路的制作方法

1.本实用新型涉及气体检测技术领域，具体涉及一种纳米粒子检测电路。


背景技术：

2.对空气中的粒子浓度、直径等参数进行监测是火灾预防监测的重要途径。在宏观上，生物质材料的燃烧过程可分为五个阶段，即预热、热分解、着火、燃烧和火蔓延。当一物质受热达到过热时，即因化学变化导致材质热分解，会释放出不可见的纳米粒子(直径为约0.002μm)。
3.预热和热分解阶段可统称为火灾的极早期阶段，极早期阶段，空气中产生大量的不可见纳米粒子，但尚无烟粒子产生，此时常规的烟雾传感器、烟雾报警器等产品无法检测到空气中的纳米粒子，无法及时监测到火灾的极早期阶段。而目前现有技术中，纳米粒子的检测设备大多结构复杂、操作不便、成本高昂，不能良好的应用于火灾预防监测过程中。因而，提出一种更适于实用的纳米级别粒子检测电路，对于火灾预防监测过程有重大意义。


技术实现要素：

4.本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种纳米粒子检测电路。本实用新型能准确检测纳米级别粒子的粒子参数，结构简单、操作便捷、成本低，更适于实用，能良好的应用于火灾预防监测过程中。
5.本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
6.提供一种纳米粒子检测电路，包括：
7.处理器；
8.用于将样本气体压缩至目标状态的压缩模块，所述处理器与所述压缩模块信号连接；
9.用于在所述样本气体被压缩至目标状态时快速释放被压缩样本气体的达标释放模块，所述处理器与所述达标释放模块信号连接；
10.用于检测被压缩气体粒子参数的激光检测模块，所述处理器与所述激光检测模块信号连接。
11.优选地，所述达标释放模块包括：
12.用于检测样本气体状态参数的状态参数检测元件；
13.用于释放被压缩样本气体的释放元件；
14.所述状态参数检测元件的信号输出端与所述处理器的信号输入端电性连接，所述处理器的信号输出端与所述释放元件的信号输入端电性连接；
15.所述处理器用于在所述状态参数检测元件的检测参数达到预设的目标参数时，控制所述释放元件释放被压缩样本气体。
16.优选地，所述状态参数检测元件包括气压传感器。
17.优选地，所述状态参数检测元件包括温度传感器。
18.优选地，所述状态参数检测元件包括湿度传感器。
19.优选地，所述释放元件包括电磁阀。
20.优选地，所述激光检测模块包括至少一对相适配的激光出射元件和激光接收元件；
21.所述处理器的信号输出端与所述激光出射元件的信号输入端电性连接，所述激光接收元件的信号输出端与所述处理器的信号输入端电性连接；
22.所述激光出射元件的出射激光穿过所述被压缩样本气体，并被所述激光接收元件所接收，使所述激光接收元件产生相应的感应信号。
23.优选地，所述压缩模块包括加压气泵。
24.优选地，所述纳米粒子检测电路还包括：
25.与所述处理器信号连接的通信模块。
26.优选地，所述通信模块为4g模块或蓝牙模块或wifi模块或zigbee模块。
27.本实用新型所述的一种纳米粒子检测电路，其优点在于：本实用新型的纳米粒子检测电路，通过压缩模块将样本气体压缩至目标状态后快速释放被压缩样本气体，样本气体在经历压缩和快速释放后，可使气体产生凝结核现象，即被压缩气体内的直径最小至0.002μm的不可见粒子放大成直径范围为10μm
‑
20μm的可探测小水滴，然后使用激光检测模块对形成的可探测小水滴进行检测，根据所测得的信号，按照光的mie散射原理计算出被测粒子的粒径大小和分布等参数，并可进一步计算获得样本气体中的纳米粒子浓度，上述参数可应用于火灾预防监测过程中，以对火灾的极早期阶段进行监测和预警。本实用新型能准确检测纳米级别粒子的粒子参数，结构简单、操作便捷、成本低，更适于实用，能良好的应用于火灾预防监测过程中。
附图说明
28.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图：
29.图1是本实用新型所述一种纳米粒子检测电路的结构框图；
30.图2是本实用新型所述一种纳米粒子检测电路的检测步骤流程图。
31.附图标记说明：1
‑
处理器，2
‑
压缩模块，3
‑
达标释放模块，31
‑
状态参数检测元件，32
‑
释放元件，4
‑
激光检测模块，41
‑
激光出射元件，42
‑
激光接收元件，5
‑
通信模块。
具体实施方式
32.为了使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的部分实施例，而不是全部实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。
33.本实用新型实施例的如图1、图2所示，本实用新型所述的一种纳米粒子检测电路，包括：
34.处理器1，处理器1用于进行数据和信号处理，接收各个传感元件的传感信号，根据各个传感元件的传感信号，控制各个执行元件的运行。在一些具体的实施例中，处理器1可选用如mcu(microcontroller unit，微控制单元)、cpu(central processing unit，中央处理器)、plc(programmable logic controller，可编程逻辑控制器)或其他具有逻辑运算和数据处理功能的控制元件。
35.压缩模块2，压缩模块2用于将样本气体压缩至目标状态，处理器1与压缩模块2信号连接，在具体的应用实例中，样本气体通常被通入到一个气体腔室内进行检测，压缩模块2与该气体腔室相通，用于对其内部的样本气体进行加压压缩。
36.达标释放模块3，用于在该样本气体被压缩至目标状态时，快速释放被压缩的样本气体，处理器1与达标释放模块3信号连接，以判断样本气体是否达到目标状态，同时根据该判断结果，控制是否释放被压缩样本气体。
37.激光检测模块4，激光检测模块4用于发出激光，根据激光在被压缩气体中的散射状态，检测被压缩气体的粒子参数，处理器1与激光检测模块4信号连接，以控制激光检测模块4的运行，同时接收检测信号进行运算。
38.本实用新型的纳米粒子检测电路，通过压缩模块2将样本气体压缩至目标状态后快速释放被压缩样本气体，样本气体在经历压缩和快速释放后，可使气体产生凝结核现象，即被压缩气体内的直径最小至0.002μm的不可见粒子放大成直径范围为10μm
‑
20μm的可探测小水滴，然后使用激光检测模块4对形成的可探测小水滴进行检测，根据所测得的信号，按照光的mie散射原理计算出被测粒子的粒径大小和分布等参数，并可进一步计算获得样本气体中的纳米粒子浓度，上述参数可应用于火灾预防监测过程中，以对火灾的极早期阶段进行监测和预警。本实用新型能准确检测纳米级别粒子的粒子参数，结构简单、操作便捷、成本低，更适于实用，能良好的应用于火灾预防监测过程中。
39.进一步的，本实施例中，达标释放模块3具体包括：
40.状态参数检测元件31，状态参数检测元件31用于检测样本气体的状态参数，具体设置时，状态参数检测元件31的检测端通常伸入到充入有样本气体的气体腔室内进行检测；
41.释放元件32，用于释放被压缩样本气体，通常的，释放元件32被设置在气体腔室的排气口处，并通过自身的动作来控制排气口的开闭，以释放气体腔室内的被压缩样本气体。
42.状态参数检测元件31的信号输出端与处理器1的信号输入端电性连接，处理器1的信号输出端与释放元件32的信号输入端电性连接；
43.处理器1用于在状态参数检测元件31的检测参数达到预设的目标参数时，控制释放元件32动作，使排气口打开，释放气体腔室内的被压缩样本气体，在具体的实施例中，目标参数包括但不限于目标压强、压缩时间、目标温度、目标湿度；和/或其他可使样本气体中的目不可见纳米粒子分别凝结成直径可被探测的小水滴的目标参数。
44.实施例1
45.当目标参数为目标压强时，状态参数检测元件31可选用气压传感器，以检测气体腔室内的实时压强并转换为对应的电信号发送至处理器1中，处理器1进行信号处理，并将实时压强与预设的目标压强进行比对，当实时压强达到目标压强时，处理器1控制释放元件32释放被压缩样本气体。
46.实施例2
47.当目标参数为目标温度时，状态参数检测元件31可选用温度传感器，以检测气体腔室内的实时温度并转换为对应的电信号发送至处理器1中，处理器1进行信号处理，并将实时温度与预设的目标温度进行比对，当实时温度达到目标温度时，处理器1控制释放元件32释放被压缩样本气体。
48.实施例3
49.当目标参数为目标湿度时，状态参数检测元件31可选用湿度传感器，以检测气体腔室内的实时湿度并转换为对应的电信号发送至处理器1中，处理器1进行信号处理，并将实时湿度与预设的目标湿度进行比对，当实时湿度达到目标湿度时，处理器1控制释放元件32释放被压缩样本气体。
50.上述三种不同的状态参数检测元件31，可分别检测被压缩样本气体的压强、温度和湿度，这三个指标均可反映气体的压缩程度，可根据实际情况进行选用。在其他可行的实施例中，还可设置两种或以上的目标参数，并设置对应的多种状态参数检测元件31，当各个状态参数检测元件31均达到目标参数时，使释放元件32释放被压缩样本气体，以确保样本气体被压缩至目标状态，提高检测结果的准确性。
51.进一步的，本实施例中，释放元件32具体为电磁阀，电磁阀通常设置在气体腔室的排气口处，处理器1的信号输出端连接到电磁阀的控制端，处理器1通过输出信号控制电磁阀的开闭，进而控制被压缩样本气体的释放。电磁阀具有便于控制的优点。
52.进一步的，本实施例中，激光检测模块4包括至少一对相适配的激光出射元件41和激光接收元件42；
53.处理器1的信号输出端与激光出射元件41的信号输入端电性连接，用于控制激光出射元件41的运行，进而控制激光的出射。激光接收元件42的信号输出端与处理器1的信号输入端电性连接，以将激光接收元件42产生的感应信号发送到处理器1中。
54.激光出射元件41的出射激光穿过被压缩样本气体，受气体中凝结的小水滴产生散射现象，出射激光经过散射后射入到激光接收元件42上，激光接收元件42通过光电感应产生对应的电信号并将电信号输入到处理器1中，处理器1根据该电信号的电平可转换获得激光的光强，从而计算被压缩样本气体中的粒子浓度等参数。上述的激光检测模块4可根据激光在被压缩样本气体中的散射程度，计算获得被压缩样本气体中的粒子浓度等参数。
55.进一步的，本实施例中，所述纳米粒子检测电路还包括与处理器1信号连接的通信模块5，通信模块5用于与pc等上位机通信，也可与智能终端等终端设备进行通信，用于将处理器1的运算结果(即检测所得的被压缩样本气体的粒子参数)发送至其他设备，可便于数据传输。更具体的，通信模块5可选用4g模块或蓝牙模块或wifi模块或zigbee模块进行外部通信。
56.以下将以一具体的应用过程为例，举例说明本实用新型的纳米粒子检测电路的检测过程。
57.压缩模块2压缩样本气体的过程为绝热压缩，即：气体在和外界没有热交换的情况下进行压缩。
58.理想气体描述如下式(a)：
[0059][0060]
其中，r为气体常数，m为气体摩尔质量。
[0061]
绝热压缩过程的温度t和压强p守恒公式如下式(b)：
[0062]
tγp1‑
γ
＝k
”ꢀꢀꢀ
(b)；
[0063]
其中，参数γ为空气定压比热容和定容比热容的比值γ＝c
p
/c
v
，k”为常数。由此可计算压缩后的气体状态参数t0。
[0064]
根据机械能守恒方程式(c)：
[0065][0066]
其中，上述式(c)中第一项为气体内能，第二项为气体释放动能，第三项是气体受大气阻力所作功。
[0067]
释放元件32释放被压缩样本气体的过程中，计算的高压气体经过排气口释放的速度为以下式(d)：
[0068][0069]
其中，p为腔外气压，p0、t0为腔内压强与温度，c0为结构相关的常系数。
[0070]
根据上述公式，可以得出压缩过程中的动能损失和雾化效果之间的关系，并可根据探测结果对上述雾化效果进行定量的分析。
[0071]
i.动能损失
[0072]
假设腔内气体损失质量均形成了动能释放，因随着气体逐渐释放而降低速度，其平均速度平方按照初始最高速的一半来计算，即动能损失，如下式(e)：
[0073][0074]
其中，压缩后腔内气体质量m
d
＝mvp0/rt0，压缩前腔内气体质量m＝mvp/rt，v为腔内体积。
[0075]
ii.凝结程度
[0076]
动能损失带来的过饱和加湿效应在腔内逐渐扩散，定义一种理想过渡状态为使得其中部分比例rs的气体的湿度正好处于饱和状态。
[0077]
腔内含湿量不变的条件下，首先计算使得温度达到饱和时的温度t
r
(类似于露点，可查表或由近似公式计算)，如下式(f)：
[0078][0079]
上述式(f)为基于magnus饱和汽压公式，其中h为腔外相对湿度，t为腔外温度。
[0080]
又根据空气分子内能公式e＝3nrt，(绝对温度t与摄氏温度t的关系：t＝t 273.15)。可计算得到在de能量损失下，有多少摩尔的分子的温度可以从当时室温t降低至露点温度t
r
，计算公式如下式(g):
[0081][0082]
结合腔内标准状态时的气体摩尔数n0＝vp/rt，可计算饱和空气比例r
s
＝n
s
/n0，如下式(h)：
[0083][0084]
iii.散射与探测
[0085]
散射总截面正比于被凝结的粒子数量，则激光接收元件42的感应电平i计算如下式(i)：
[0086]
i＝c1*n
d
*r
s
ꢀꢀꢀ
(i)；
[0087]
其中，n
d
为待测粒子浓度，c1是探测系统决定的常系数。
[0088]
则粒子浓度的计算方法：
[0089]
1)通过前述气体动态过程，结合环境空气参数t、p、h，计算确定腔内压缩与开阀放气状态下的气体参数：t0、t
r
；
[0090]
2)通过标准粒子发生工具对腔内送入已知浓度的粒子，结合腔体结构参数v等参数，标定与c0与c1有关的乘积常数；
[0091]
3)在实际测量中，测定激光接收元件42的感应电平i，则粒子浓度n
d
为下式(j)：
[0092][0093]
通过以上的运算过程，本实用新型的纳米粒子检测电路可在样本气体被凝结成可探测小水滴后，根据激光接收元件42的感应电平i，计算获得样本气体中的粒子浓度n
d
，该参数可应用于火灾预防监测过程中，以对火灾的极早期阶段进行监测和预警。
[0094]
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。