专利名称：一种利用云室进行微粒测量的系统及方法
技术领域：
本发明涉及微粒测量技术领域，尤其涉及一种利用云室进行微粒测量的系统及方 法。
背景技术：
目前，我国在纳米颗粒粒径测量技术及仪器方面主要集中在基于光散射法的测量 装置上，例如，中国专利(公开号101571470A)提出了 “一种纳米颗粒粒径测量装置及方 法”，将无线电技术中的差拍技术用于动态光散射的频谱测量，通过对散射光信号的频谱的 分析就能得到颗粒的粒径信息，为纳米颗粒粒径测量技术的进步提出了新的思路。中国专 利(授权公告号CN200941092Y)提出了一种“空气悬浮颗粒物颗粒数及质量浓度检测仪”， 包括计数传感装置、浓度传感装置、气泵及相应的后续处理电路，所述计数及浓度传感装置 内分别设有光散射腔及与之配合的光路系统和气路系统。这类基于光学原理的测量方法或 装置，虽然测量精度比较高，但是其成本往往比较高，限制了它的应用范围。近年来，有人提出通过使颗粒带电来实现对纳米颗粒进行捕集。例如，中国专利 (授权公告号CN1229637C)提出了一种“用于测定大气中悬浮颗粒物的方法和设备”，即利 用由放电电极产生的单极性离子使所述悬浮颗粒物带有电荷，并且由此将带有电荷的颗粒 吸附到相对于所述放电电极存在电位差的捕集电极上，从而利用该捕集电极将所述颗粒捕 集起来。同时，美国专利(申请号 US20080047373A1)提出 了一种"Particle measuring system and method”，通过设置分析器、过滤层对微粒进行分类，再对待测微粒进行凝结核 化处理，利用光学装置测量其数量和粒度。
发明内容
本发明的目的是提供一种微粒测量装置及其测量方法，能够通过对拍摄的带电微 粒在云室中的运动轨迹的图像分析来获得微粒的浓度和粒度，从而为微粒测量特别是纳米 颗粒的测量技术的进步提出了新的思路。一种利用云室进行微粒测量的系统，该系统包括有机身，它是与用途有关的支撑结构，包括有用以输送微粒的通道；电荷附加器，它是与前述的机身对应设置的电荷释放结构，用以对待测量的微粒 进行电荷附加操作；云室，它是与机身对应设置的通过前述的电荷附加器来加载上电荷的带电微粒的 最终导入场所，用以通过带点微粒在云室中的凝聚效应来显示出带电微粒的运动轨迹；摄像装置，它是与前述的云室对应设置的摄像结构，用以摄录带电微粒在云室中 凝聚的轨迹状况；微粒分析组件，它与前述的摄像装置相连通，用以依据预先建立的微粒的轨迹状 况与微粒状况的对应关系，对摄录的带电微粒的运动轨迹的状况进行分析，并判定得出微粒的状况。进一步，所述的利用云室进行微粒测量的系统，还具有如下技术特征与所述的电荷附加器相连通，设置有用以向所述的电荷附加器提供电荷的电荷聚
集^o在所述的设置在机身上的通道上，以输送微粒为目的设置有微粒输送驱动装置， 该微粒输送驱动装置可为可产生电场方向与通道内的微粒走向一致或相反的电场发生装 置或可产生与通道内的微粒走向一致的风力发生装置。在所述的通道上，设置有用以将微粒导入至通道内的微粒入口，对应着该微粒入 口，在该通道上设置有用以对微粒实现过滤功能的过滤层。所述的微粒分析组件，包括有用以将所述的运算处理器分析的微粒状况进行显示 的微粒结果显示组件，在该微粒分析组件上设置有包括预先建立的微粒的标准运动轨迹与 微粒状况的对应关系的参照标准�？椋约敖⒘５氖导试硕旒Ｓ肭笆龅牟握毡曜寄？� 中的标准运动轨迹进行比较的比较�？椋约敖笆龅谋冉夏？樗玫亩员仁菀谰萸笆� 的参照标准模块中的对应关系进行判定的结果判定模块。一种利用云室进行微粒测量的方法，所述的利用云室进行微粒测量的系统如前面 所述，该方法包括如下步骤步骤1，给微粒加电；步骤2，将带电微粒导入至云室；步骤3，带电微粒在云室中运动，并摄录其运动状况；步骤4，依据所摄录的数据分析微粒的状况。进一步，所述的利用云室进行微粒测量的方法，还具有如下技术特征步骤1中，给微粒加电包括如下步骤a、微粒经由过滤层过滤，筛选出待测微粒， b、待测微粒进入电荷附加通道，由电荷附加器向待测微粒附加电荷。步骤2中，设置在通道上的微粒输送驱动装置提供与通道内的带电微粒走向一致 或相反的电�。诘绯×Φ那拢缥⒘＞稍剖掖缥⒘Ｈ肟谑渌椭猎剖�。步骤2中，设置在通道上的微粒输送驱动装置提供与通道内的带电微粒走向一致 的风力，在此力的驱动下，将带电微粒经由云室带电微粒入口输送至云室。步骤3中，在云室中设置磁场发生器，在该磁场发生器产生的磁场的作用下，带电 微粒在云室中做曲线运动。步骤4中，经由运算处理器，根据轨迹的长短、浓度以及带电微粒在磁场中的运动 路径，分析微粒的种类和性质。步骤4中，利用比较�？榻缮阆褡爸没竦玫奈⒘５氖导试硕旒５耐枷袷� 与参照标准�？橹性は冉⒌谋曜荚硕旒５耐枷袷萁斜冉希谰莶握毡曜寄？橹性� 先建立的微粒的标准运动轨迹与微粒状况的对应关系，利用结果判定�？槎郧笆龅谋冉夏� 块所得的对比数据进行判定并得出待测微粒的状况。本发明的优点本发明所述的利用云室进行微粒测量的系统，包括有起支撑作用的机身，以及对 应机身设置的用以对待测量的微粒进行电荷附加操作的电荷附加器，以及与机身对应设置 的用以通过带点微粒在云室中的凝聚效应来显示带电微粒运动轨迹的云室，以及与云室对应设置的用以摄录带电微粒的运动轨迹的摄像装置，以及与摄像装置相连用以对带电微粒 的运动轨迹进行判定的微粒分析组件。其对应的测量方法为给微粒加电，将带电微粒导入 至云室，带电微粒在云室中运动并摄录其运动状况，依据所摄录的数据分析微粒的状况。本 微量测量系统通过对拍摄的带电微粒在云室中的运动径迹的分布、浓度和截面来分析微粒 的浓度和粒度，从而为利用云室对微粒测量特别是纳米颗粒的测量技术的进步提出了一定 的新思路。
下面结合附图和具体实施方式
，对本发明利用云室进行微粒测量的系统及方法， 作进一步详细的说明图1为本发明所述的微粒测量系统的结构框图。图2为本发明所述的微粒测量的方法的流程图。图3为本发明所述的微粒测量系统的一种具体实施例。图4为对应图3的实施例带电微粒在云室中的部分运动轨迹。图中的标号说明利用云室进行微粒测量的系统-100，机身-110，通道-120，电荷附加通道-121， 微粒入口 -121a，过滤层-121b，带电微粒输送通道-122，通道带电微粒入口 -123，微粒 输送驱动装置-124，电场发生器-124a，云室带电微粒入口 -125，电荷附加器-130，电荷 聚集器-140，云室-150，摄像装置-160，微粒分析组件-170，参照标准模块-171，比较模 块-172，结果判定�？�-173，运算处理器-174，微粒结果显示组件-175，显示屏_175a。
具体实施例方式本发明所述的微粒测量系统的实现原理为利用电荷附加装置给待测微粒附加上 电荷，利用带电微粒驱动装置将带电微粒输送至云室，带电微粒进入云室后发生凝聚效应， 利用摄录装置将带电微粒在云室中的轨迹拍摄下来，通过对拍摄的数据进行分析从而得出 微粒的浓度和粒度状况。首先参照图1展示的本发明所述的微粒测量系统的结构框图，对本发明做一个整 体介绍。本发明所述的利用云室进行微粒测量的系统100，包括有与用途有关的起支撑作 用的机身110，在该机身110上设置有用以输送微粒的通道120。该通道120与具体的用途 有关可分为电荷附加通道121和带电微粒输送通道122。其中，在电荷附加通道121上，设 置有用以将微粒导入至电荷附加通道121内的微粒入口 121a，对应着该微粒入口 121a，在 该电荷附加通道121上设置有用以对微粒实现过滤操作的过滤层121b。在带电微粒输送 通道122上，对应着后述的电荷附加器130设置有用以将带电微粒由电荷附加通道121导 入至微粒输送通道122的通道带电微粒入口 123，对应着后述的云室150，设置有用以将通 道120中的带电微粒由带电微粒输送通道122输送至后述的云室150的云室带电微粒入口 125。作为对本发明的一种改进而非限定，以输送微粒为目的，在通道120内设置有微粒输 送驱动装置124，在本发明中，作为举例而非限定，该微粒输送驱动装置124为可产生电场 方向与通道内的微粒走向一致或相反的电场发生装置或者可产生与通道内的微粒走向一致的风力发生装置。对应着设置在前述的机身110上的电荷附加通道121，本发明所述的利用云室进 行微粒测量的系统100设置有用以对待测量的微粒进行电荷附加操作的电荷附加器130。 它可采用设置有呈阵列分布的尖端型电荷附加器来实现。作为举例而非限定，对应着前述 的微粒入口 121a和过滤层121b，该电荷附加器130设置在前述的电荷附加通道121的内壁 上。进一步地，以向该电荷附加器130提供电荷为目的，与该电荷附加器130相连通设置有 电荷聚集器140，该电荷聚集器140可采用静电聚集器来实现的。对应着设置在前述的机身110上的带电微粒输送通道122，本发明所述的利用云 室进行微粒测量的系统100设置有云室150。它是与前述的机身110对应设置的通过前 述的电荷附加器130来加载上电荷的带电微粒的最终导入场所，用以通过带点微粒在云室 150中的凝聚效应来显示出带电微粒的运动轨迹。在该云室150中设置有磁场发生器151， 在该磁场发生器151产生的磁场的作用下使带电微粒在云室150中做曲线运动。作为举例 而非限定，对应着带电微粒输送通道122，在云室150的一端设置有用以导入带电微粒的云 室带电微粒入口 125，对应着该云室带电微粒入口 125，与云室150的另一端相连通设置有 后述的摄像装置160。其中，所述的云室带电微粒入口 125可采用电阀门来实现。对应着前述的云室150，本发明所述的利用云室进行微粒测量的系统100设置有 摄像装置160，用以摄录带电微粒在云室中凝聚的轨迹状况，包括运动轨迹的路径长度、形 状和垂直于路径方向上的轨迹面的大小。它可以采用摄像头来实现。对应着前述的摄像装置160，本发明所述的利用云室进行微粒测量的系统100设 置有微粒分析组件170。它与前述的摄像装置160相连通，用以依据预先建立的微粒的轨迹 状况与微粒状况的对应关系，对摄录的带电微粒的运动轨迹的状况进行分析，并判定得出 微粒的状况。作为对本发明的一种改进而非限定，在该微粒分析组件170上设置有包括预 先建立的微粒的标准运动轨迹与微粒状况的对应关系的参照标准�？�171，以及将微粒的 实际运动轨迹与前述的参照标准�？�171中的标准运动轨迹进行比较的比较�？�172，以 及将前述的比较模块172所得的对比数据依据前述的参照标准�？�171中的对应关系进行 判定的结果判定�？�173。该微粒分析组件170，包括有用以根据拍摄的带电微粒的运动轨 迹的图像数据来分析微粒的状况的运算处理器174，以及用以将前述的运算处理器174分 析的微粒状况进行显示的微粒结果显示组件175。该微粒结果显示组件175 —般采用显示 屏或扬声器来实现。结合图1所述的微粒测量系统的结构框图，图2给出了基于该微粒测量系统的测 量方法的流程图。该方法包括如下步骤步骤1，给微粒加电。微粒由微粒入口 121a进入电荷附加通道121中，经由过滤层 12 Ib过滤之后，通过电荷附加器130给微粒附加电荷。步骤2，将带电微粒导入至云室。通过电荷附加器130附加上电荷的带电微粒经由 通道带电微粒入口 123进入带电微粒输送通道122。设置在带电微粒输送通道122上的微 粒输送驱动装置124提供与通道内的带电微粒走向一致或相反的电场或与通道内的带电 微粒走向一致的风力，在该动力驱动下，将带电微粒经由云室带电微粒入口 125导入至云 室 150。步骤3，带电微粒在云室150中运动，并摄录其运动状况。带电微粒进入云室150之后，发生凝聚效应，利用摄像装置160拍摄带电微粒在云室150中的轨迹状况，包括运动 轨迹的路径长度、形状和垂直于路径方向上的轨迹面的大小。同时，在云室150中设置磁场 发生器151，在该磁场发生器151产生的磁场的作用下，带电微�？稍谠剖抑凶銮咴硕�。步骤4，依据所摄录的数据分析微粒的状况。利用比较模块172将经由摄像装置 160获得的微粒的实际运动轨迹的图像数据(例如，轨迹的长短、浓度以及带电微粒在磁场 中的运动路径)与参照标准�？�171中预先建立的标准运动轨迹的图像数据进行比较，依 据参照标准�？�171中预先建立的微粒的标准运动轨迹与微粒状况的对应关系，利用结果 判定�？�173对前述的比较模块172所得的对比数据进行判定并得出待测微粒的状况。
具体实施例图3为本发明所述的微粒测量系统的一种具体实施例。在本实施例中，微粒输送 驱动装置124采用电场发生器124a来实现，微粒结果显示组件采用显示屏175a来实现。本实施例所述的利用云室进行微粒测量的系统100，包括其支撑作用的机身110， 在该机身110上设置有通道120，该通道120分为电荷附加通道121和带电微粒输送通道 122。在电荷附加通道121上设置有微粒入口 121a，对应着该微粒入口 121a，在该电荷附加 通道121上设置有过滤层121b。在带电微粒输送通道122上设置有通道带电微粒入口 123 和云室带电微粒入口 125，以及电场发生器124a。对应着前述的微粒入口 121a和过滤层 121b，在电荷附加通道121内设置电荷附加器130。对应着带电微粒输送通道122的一端设 置有云室150，在云室150的一端设置有云室带电微粒入口 125，对应着该云室带电微粒入 口 125，与云室150的另一端相连通设置有摄像装置160。对应着摄像装置160，设置有运算 处理器174，与该运算处理器174相连通设置有微粒结果显示组件显示屏175a。结合图4所述的带电微粒在云室中的部分运动轨迹，本实施例所述的利用云室进 行微粒测量的系统100的测量方法为微粒由微粒入口 121a进入电荷附加通道121中，经由过滤层121b过滤之后，通过 电荷附加器130给微粒附加电荷。通过电荷附加器130附加上电荷的带电微粒经由通道带 电微粒入口 123进入带电微粒输送通道122。在由电场发生器124a提供的与通道122内 的带电微粒走向一致的电场力的驱动下，带电微粒经由云室带电微粒入口 125导入至云室 150。带电微粒进入云室150后发生凝聚效应，利用摄像装置160拍摄带电微粒在云室 150中的轨迹状况，所得拍摄数据如图4中的c-f所示，带电微粒进入云室150后会以一个 初速度作平抛运动，假定初速度的方向为立体坐标系中的χ轴正方向，其中图4中的c为 垂直与χ轴的ζ轴方向上拍摄的微粒的路径；图4中的d为χ轴负方向上拍摄的微粒的路 径的横截面；图4中的e为分别从y轴的正方向和负方向拍摄的微粒的曲线路径。预先建立的标准运动轨迹的图像数据如图4中的a-b所示，其中图4中的a为微 粒路径宽度对应的微粒尺度，图4中的b为垂直于微粒路径的截面对应的微粒尺度。利用 运算处理器174将由摄像装置160所得的如图4中的c-f所示的图像与如图4中的a_b所 示的标准运动轨迹的图像进行比较，依据预先建立的单个微粒的标准运动轨迹与微粒个数 的一一对应关系，判定并得出待测微粒的状况为“空气中微粒的浓度为1900个/cm3，其中， 50-100nm的纳米微粒约为500个，介于100_500nm之间的微粒约为700个，500_1000nm的微粒约为700个”。 以上是对本发明的描述而非限定，基于本发明思想的其它实施方式，均在本发明 的保护范围之中。
权利要求
一种利用云室进行微粒测量的系统，其特征在于，该系统包括有机身，它是与用途有关的支撑结构，包括有用以输送微粒的通道；电荷附加器，它是与前述的机身对应设置的电荷释放结构，用以对待测量的微粒进行电荷附加操作；云室，它是与机身对应设置的通过前述的电荷附加器来加载上电荷的带电微粒的最终导入场所，用以通过带点微粒在云室中的凝聚效应来显示出带电微粒的运动轨迹；摄像装置，它是与前述的云室对应设置的摄像结构，用以摄录带电微粒在云室中凝聚的轨迹状况；微粒分析组件，它与前述的摄像装置相连通，用以依据预先建立的微粒的轨迹状况与微粒状况的对应关系，对摄录的带电微粒的运动轨迹的状况进行分析，并判定得出微粒的状况。
2.根据权利要求1所述的利用云室进行微粒测量的系统，其特征在于与所述的电荷 附加器相连通，设置有用以向所述的电荷附加器提供电荷的电荷聚集器。
3.根据权利要求1所述的利用云室进行微粒测量的系统，其特征在于在所述的设置 在机身上的通道上，以输送微粒为目的设置有微粒输送驱动装置。
4.根据权利要求3所述的利用云室进行微粒测量的系统，其特征在于所述的微粒输 送驱动装置，为可产生电场方向与通道内的微粒走向一致或相反的电场发生装置。
5.根据权利要求3所述的利用云室进行微粒测量的系统，其特征在于所述的微粒输 送驱动装置，为可产生与通道内的微粒走向一致的风力发生装置。
6.根据权利要求1所述的利用云室进行微粒测量的系统，其特征在于在所述的通道 上，设置有用以将微粒导入至通道内的微粒入口，对应着该微粒入口，在该通道上设置有用 以对微粒实现过滤功能的过滤层。
7.根据权利要求1所述的利用云室进行微粒测量的系统，其特征在于所述的微粒分 析组件，包括有用以将所述的运算处理器分析的微粒状况进行显示的微粒结果显示组件。
8.根据权利要求1所述的利用云室进行微粒测量的系统，其特征在于所述的微粒分 析组件，包括有预先建立的微粒的标准运动轨迹与微粒状况的对应关系的参照标准�？椋� 以及将微粒的实际运动轨迹与前述的参照标准�？橹械谋曜荚硕旒＝斜冉系谋冉夏� 块，以及将前述的比较模块所得的对比数据依据前述的参照标准�？橹械亩杂叵到信� 定的结果判定�？椤�
9.一种利用云室进行微粒测量的方法，所述的利用云室进行微粒测量的系统如权力要 求1所述，其特征在于该方法包括如下步骤步骤1，给微粒加电；步骤2，将带电微粒导入至云室；步骤3，带电微粒在云室中运动，并摄录其运动状况；步骤4，依据所摄录的数据分析微粒的状况。
10.根据权利要求9所述的利用云室进行微粒测量的方法，其特征在于步骤1中，给 微粒加电包括如下步骤a、微粒经由过滤层过滤，筛选出待测微粒，b、待测微粒进入电荷附加通道，由电荷附加器向待测微粒附加电荷。
11.根据权利要求9所述的利用云室进行微粒测量的方法，其特征在于步骤2中，设 置在通道上的微粒输送驱动装置提供与通道内的带电微粒走向一致或相反的电�。诘绯� 力的驱动下，将带电微粒经由云室带电微粒入口输送至云室。
12.根据权利要求9所述的利用云室进行微粒测量的方法，其特征在于步骤2中，设 置在通道上的微粒输送驱动装置提供与通道内的带电微粒走向一致的风力，在此力的驱动 下，将带电微粒经由云室带电微粒入口输送至云室。
13.根据权利要求9所述的利用云室进行微粒测量的方法，其特征在于步骤3中，在 云室中设置磁场发生器，在该磁场发生器产生的磁场的作用下，带电微粒在云室中做曲线 运动。
14.根据权利要求9所述的利用云室进行微粒测量的方法，其特征在于步骤4中，经 由运算处理器，根据轨迹的长短、浓度以及带电微粒在磁场中的运动路径，分析微粒的种类 和性质。
15.根据权利要求9所述的利用云室进行微粒测量的方法，其特征在于步骤4中，利 用比较模块将经由摄像装置获得的微粒的实际运动轨迹的图像数据与参照标准�？橹性� 先建立的标准运动轨迹的图像数据进行比较，依据参照标准�？橹性は冉⒌奈⒘５谋曜� 运动轨迹与微粒状况的对应关系，利用结果判定�？槎郧笆龅谋冉夏？樗玫亩员仁萁� 行判定并得出待测微粒的状况。
全文摘要
本发明提出了一种利用云室进行微粒测量的系统及方法，属于微粒测量技术领域，该系统包括有起支撑作用的机身，对应机身设置的用以对微粒附加电荷的电荷附加器，与机身对应设置的用以显示带电微粒运动轨迹的云室，与云室对应设置的用以摄录带电微粒运动轨迹的摄像装置，与摄像装置相连用以根据拍摄图像判定微粒状况的微粒分析组件。其对应的测量方法为给微粒加电，将带电微粒导入至云室，带电微粒在云室中运动并摄录其运动状况，依据所摄录的数据分析微粒的状况。本发明通过对拍摄的带电微粒在云室中的运动径迹的分布、浓度和截面来分析微粒的浓度和粒度，从而为利用云室对微粒测量特别是纳米颗粒的测量技术的进步提出了一定的新思路。
文档编号G01N15/02GK101907554SQ201010214860
公开日2010年12月8日 申请日期2010年6月29日 优先权日2010年6月29日
发明者马宇尘 申请人:上海杰远环�？萍加邢薰�
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