МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ДАТЧИК ПЫЛИ Российский патент 2020 года по МПК G01N21/94 G01N15/02 

Область техники

Настоящее изобретение относится к измерению концентрации пыли, к определению состава пыли и к определению размеров частиц пыли.

Описание предшествующего уровня техники

На сегодняшний день разработано множество устройств для обнаружения пыли, например, метеостанции, воздухоочистители, кондиционеры с датчиками пыли и другие. При этом оборудование для метеорологических станций является громоздким, дорогим, сложным в обращении и пригодным для использования только обученными специалистами. Лабораторное испытательное оборудование с воздушной камерой и взвешиванием фильтров на данный момент является золотым стандартом для специалистов по профессиональной безопасности, но требует сложного отбора проб и сложных измерений, кроме того, такое оборудование является дорогостоящим и громоздким. В распространенной бытовой электронике с функцией пылеудаления, такой как очистители воздуха и кондиционеры, обычно используют оптические светодиодные датчики размером от 5 см х 3 см х 2 см, но такие приборы способны измерять только большие концентрации пыли и не способны разделять пыль на фракции по размерам и определять вид пыли.

Из уровня техники известен документ US 7038189 B2 (дата публикации 02.05.2006), в котором раскрыт оптоэлектронный датчик пыли и оборудование для кондиционирования воздуха, с оптоэлектронным датчиком пыли. Оптоэлектронные пылевые датчики такого типа используются в воздушных фильтрах, воздушных скрубберах, воздухоохладителях и других подобных устройствах кондиционирования воздуха, для обнаружения присутствия, отсутствия и/или концентрации пыли и/или дыма, содержащихся в воздухе, циркулирующем по оборудованию для кондиционирования воздуха. В случае наличия пыли и/или дыма, поскольку часть света от светоизлучающего блока будет рассеиваться пылью и/или дымом, количество света, принимаемого в светоприемном блоке, будет увеличиваться. Недостатками известного решения является следующее: возможность использования только в закрытой испытательной камере;

для работы устройства необходим воздушный поток; такое устройство не может быть встроено в смартфон; отсутствует дифференциация размеров частиц; нет информации о виде частиц пыли.

Из уровня техники известно решение, раскрытое в документе US 9857287 B2 (дата публикации 02.01.29018). В документе раскрыт датчик твердых частиц. Устройство оптического излучателя содержит лазер VCSEL. В датчике частиц излучаемое оптическое излучение и/ или рассеянное оптическое излучение анализируется с помощью эффекта оптической обратной связи в лазере.

Другими словами, эффект оптической обратной связи в лазере, который может быть обнаружен, например, с помощью интегрированного фотодиода, используется для обнаружения рассеянного света от частицы. Недостатком предлагаемого решения является отсутствие информации о виде частиц пыли.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является решение, раскрытое в документе US 2014/0226158 A1 (дата публикации 14.08.2014). В документе раскрыты способы и устройства для определения характеристик частиц. Устройство, раскрытое в документе, содержит средство освещения для освещения одной или более частиц, средство обнаружения для обнаружения света, рассеянного от одной или более частиц, отражатель для направления света от средства освещения к средству приема, причем свет, отраженный от отражателя, совмещается со светом, рассеянным от одной или более частиц, для получения интерференционного сигнала. Недостатками известного решения являются: невозможность определения вида частиц, невозможность измерения концентрации частиц. Кроме того, в указанном документе исследование производится в камере, а не в свободном пространстве, то есть воздух нагнетается из свободного пространства в камеру для исследования.

Решение, раскрытое документе US 9488575 B2 (дата публикации 08.11.2016), приспосабливает известные датчики пыли для их использования в мобильных устройствах. Такое мобильное устройство содержит корпус, имеющий канал для воздушного потока, через который попадает воздух, когда мобильное устройство встряхивается. Устройство также содержит датчик инерции, датчик рассеяния света, который облучает траекторию воздушного потока светом и обнаруживает частицы на пути потока воздуха, и контроллер, который включает в себя счетчик для подсчета частиц, обнаруженных датчиком рассеяния света, и калькулятор скорости потока для обнаружения потока воздуха по пути воздушного потока на основе сигнала обнаружения датчика инерции. Недостатками известного решения являются: отсутствие оценки размеров частиц, отсутствие информации о виде частиц.

Большинство известных устройств обнаружения пыли являются слишком громоздкими и не могут быть встроены в такие небольшие мобильные устройства, как например, смартфоны, а также известные устройства обнаружения пыли малоинформативны.

Кроме того, в известных устройствах диапазон обнаружения частиц пыли ограничен только чем-то одним из концентрации частиц пыли или размеров частиц пыли или типа частиц пыли. А также в известных устройствах датчики пыли работают в режиме, требующем прокачки пробы окружающего воздуха через анализирующее устройство.

Предлагаемое изобретение обеспечивает высокую чувствительность устройства, за счет проведения измерений во множестве точек, за счет применения массивов оптических элементов.

Кроме того, одновременная реализация флуоресцентного режима и гомодинного режима в измерительном канале оптической схемы предлагаемого датчика позволяет одновременно получать информацию о размере, концентрации и типе частиц.

Сущность изобретения

Предлагается многоканальный датчик пыли, содержащий: массив лазеров; массив коллимирующих линз, причем каждая коллимирующая линза расположена после соответствующего лазера; массив фокусирующих линз, причем каждая фокусирующая линза расположена напротив соответствующей коллимирующей линзы; причем каждый лазер из массива лазеров с соответствующими ему фокусирующей и коллимирующей линзами расположены на одной оптической оси, причем оптические оси для разных лазеров из массива лазеров параллельны друг другу и образуют первый массив оптических осей; первый массив фотодетекторов; массив дихроичных зеркал, причем за каждым из дихроичных зеркал расположен один из фотодетекторов первого массива фотодетекторов; второй массив фотодетекторов; массив дихроичных фильтров, причем за каждым из дихроичных фильтров расположен один из фотодетекторов второго массива фотодетекторов; причем каждый дихроичный фильтр расположен напротив соответствующего дихроичного зеркала, таким образом, каждый дихроичный фильтр с соответствующими ему элементами: фотодетектором второго массива фотодетекторов, дихроичным зеркалом, фотодетектором первого массива фотодетекторов расположены на одной оптической оси, причем эти оси образуют второй массив оптических осей, причем оптические оси первого массива оптических осей и второго массива оптических осей перпендикулярны друг другу;

делитель светового пучка, расположенный между массивом дихроичных фильтров и дихроичных зеркал и между массивами фокусирующих и коллимирующих линз, в точках пересечения оптических осей первого и второго массивов оптических осей, причем делитель светового пучка ориентирован таким образом, что излучение, распространяющиеся по оптической оси первого массива оптических осей от лазера к фокусирующей линзе, частично направляется по одной из оптических осей второго массива оптических осей в сторону одного их дихроичных фильтров; при этом излучение, распространяющиеся по оптической оси второго массива оптических осей в обратную сторону от фокусирующей линзы к коллимирующей линзе, частично направляется по соответствующей оптической оси второго массива оптических осей в сторону дихроичного зеркала, причем каждая пара оптических осей из первого и второго массива оптических осей, пересекающаяся в точке, расположенной на делителе, образуют измерительный канал. Причем массив лазеров состоит из лазеров, работающих на одной длине волны. Также массив лазеров может состоять из лазеров, работающих на разных длинах волн. Первый фотодетектор регистрирует смешанное рассеянное и лазерное излучение, дихроичное зеркало отражает лазерное излучение, а дихроичный фильтр пропускает смешанное рассеянное и лазерное излучение. Причем второй фотодетектор регистрирует только флуоресцентное излучение, дихроичное зеркало пропускает флуоресцентное излучение и отражает лазерное излучение, дихроичный фильтр отражает флуоресцентное излучение. Фокусирующие линзы могут быть жидкокристаллическими.

Также предлагается способ работы одного измерительного канала многоканального датчика пыли, содержащий этапы, на которых: обеспечивают коллимирование лазерного излучения; обеспечивают разделение лазерного излучения на два пучка: первый пучок и второй пучок; обеспечивают фокусировку первого пучка с образованием измерительного объема; частица пыли, попадая в измерительный объем:

а) рассеивает первый пучок, в этом случае обеспечивается гомодинный режим работы, в котором: обеспечивают смешение второго пучка и рассеянного первого пучка; смешанное излучение попадает на фотодетектор, фиксирующий эффект Доплера; и/или б) флуоресцирует, в этом случае обеспечивается флуоресцентный режим работы, в котором: обеспечивают попадание флуоресцентного излучения на фотодетектор, фиксирующий флуоресцентное излучение.

Характеристики сигнала в гомодинном канале:

- амплитуда зависит от размера частицы;

-длительность (время пролета частицы через измерительный объем) и частота модуляции сигнала зависит от скорости частицы.

Характеристики сигнала в флуоресцентном канале:

- амплитуда зависит от типа частицы (основной вклад) и размера частицы (значительно менее существенный вклад);

- длительность (время пролета частицы через измерительный объем) сигнала зависит от скорости частицы.

Краткое описание чертежей

Вышеописанные и другие признаки и преимущества настоящего изобретения поясняются в последующем описании, иллюстрируемом чертежами, на которых представлено следующее:

Фиг. 1 отображает схематичное представление многоканального датчика пыли.

Фиг. 2 отображает измерительный объем, в который попадает частица пыли.

Фиг. 3 иллюстрирует сигнал на фотодетекторе от частицы, попавшей в измерительный объем.

Фиг. 4 иллюстрирует работу канала многоканального датчика пыли в гомодинном режиме работы.

Фиг. 5 иллюстрирует работу одного измерительного канала многоканального датчика пыли во флуоресцентном и гомодинном режиме работы.

Фиг. 6 иллюстрирует работу одного флуоресцентного канала многоканального датчика пыли во флуоресцентном режиме работы.

Подробное описание изобретения

Предлагается многоканальный датчик пыли, который позволяет одновременно определять концентрацию, размер и тип частиц пыли в реальном времени. Предлагаемое изобретение позволяет определять концентрацию пыли даже в диапазоне от 0,3 мг/м³, а также имеет компактные размеры.

С помощью предлагаемого изобретения достигается высокая точность определения низких концентраций частиц пыли в воздухе, включая отдельные частицы пыли, одновременное обнаружение концентрации, размера и вида частиц пыли. Причем предлагаемое решение имеет компактный дизайн, который может использоваться в мобильных устройствах, в том числе, например, в смартфонах. С помощью предлагаемого изобретения может производиться мониторинг качества окружающего воздуха с помощью смартфона, имеющего приложение датчика пыли.

Предлагаемое изобретение по сравнению с известным уровнем техники обеспечивает:

- более высокую чувствительность обнаружения частиц пыли, за счет создания различных измерительных объемов в измерительных каналах;

- возможность определения типа частиц пыли, за счет использования флуоресцентного режима работы;

- возможность определения размеров и концентрации частиц пыли, за счет использования гомодинного режима работы.

Как известно, частицы размером более 10 мкм, попадающие в организм с дыханием через нос, в основном задерживаются в верхних дыхательных путях, в легкие проникают частицы размером менее 5-10 мкм. Особую опасность для здоровья представляют частицы размером до 2,5 мкм, такие частицы могут участвовать в газообмене легочных альвеол и являются канцерогенными, причем частицы размером менее 0,1 мкм (100 нм) проникают через мембраны клеток и достигают по кровотоку других органов тела.

Известны различные виды пыли, которые могут вызвать определенные реакции живого организма и имеют разное время выведения из организма. Различные виды пыли могут быть для организма:

Фиброгенными;

Токсичными;

Раздражающими;

Аллергенными;

Канцерогенными;

Оказывать радиоактивное действие.

Наиболее опасными для организма являются следующие дисперсные частицы:

PM10 (обозначает размер частиц 2,5-10 мкм), такие как пыль, пыльца, плесень,

Краткосрочный стандарт составляет 150 мкг/м3 (в настоящее время нет долгосрочного стандарта)

PM2,5 (обозначает размер частиц <2,5 мкм), такие как продукты сгорания органических частиц, образующихся при всех типах горения, включая автомобильные выхлопы, выбросы электростанций, лесные пожары, сжигание сельскохозяйственных культур и некоторые промышленные процессы.

Краткосрочный стандарт (или среднесуточный) составляет 35 микрограммов на кубический метр воздуха (мкг/м3), а долгосрочный стандарт (в среднем) составляет 15 мкг/м3. Краткосрочный стандарт - это максимальная допустимая концентрация частиц при воздействии на организм в течение 24 часов в сутки.

Долгосрочный стандарт - максимальная допустимая среднегодовая концентрация частиц.

Предлагаемый многоканальный датчик пыли, измеряет концентрации PM10, PM2,5, а также обнаруживает отдельные частицы пыли, размеры и происхождение пылевых частиц. Такой датчик может употребляться для личного использования, встраиваться в смартфон и бытовую технику (пылесосы, кондиционеры, воздухоочистители и т. д.).

Предлагаемы датчики также могут использоваться для регионов с особыми погодными условиями: песчаными бурями, лесными пожарами и т. д. А также для определения качества воздуха в помещениях, например, для определения качества уборки, качества воздуха для аллергиков и т. д.

На фиг. 1 схематично представлен многоканальный датчик пыли. Предлагаемый датчик содержит последовательно расположенные массив лазеров, собранных на одной подложке или выполненных в едином техпроцессе, указанный массив лазеров совмещен с массивом коллиматорных микролинз, делитель светового пучка, массив фокусирующих микролинз, массив дихроичных зеркал и массив фотодетекторов, расположенный за ним. Каждая фокусирующая микролинза расположена напротив соответствующей коллиматорной микролинзы. Причем лазер, коллиматорная линза, фокусирующая линза расположены на первой оптической оси. Дихроичное зеркало, и фотодетектор, расположенный за ним, дихроичный фильтр и фотодетектор, расположенный за ним расположены на второй оптической оси. Причем первая и вторая оптические оси пересекаются в точке, расположенной на делителе, и образуют измерительный канал. Применяя массив лазеров, массив коллиматорных линз, массив фокусирующих линз, массив дихроичных зеркал с соответствующим массивом фотодетекторов, массив дихроичных фильтров с соответствующим массивом фотодетекторов возможно создать множество измерительных каналов, которые могут работать как индивидуально, так и совместно друг с другом.

Причем массив фокусирующих линз фокусирует первую часть лазерного излучения, прошедшего делитель светового пучка, формируя множество измерительных объемов.

Измерительный объем в данном случае представляет собой пространство, в котором фокусируется лазерное излучение, поэтому интенсивность рассеянного и флуоресцентного излучения будет самой высокой именно в этом пространстве. Необходимо отметить, что в реальности пучок фокусируется не в точку, а область фокусировки представляет собой перетяжку с примерными оценочными размерами 5-10 микрон и длиной по фокусу 30-50 микрон.

В измерительные объемы попадают частицы пыли. Излучение, рассеянное частицами пыли, возвращается на делитель и, отражаясь от него, через дихроичный фильтр попадает на фотодетектор. Вторая часть лазерного излучения, прошедшая делитель светового пучка также попадает на фотодетектор. При этом эффект Доплера создает рассеяние излучения от движущийся частицы пыли, использование гомодинного детектирования позволяет регистрировать этот эффект.

Флуоресценция частиц пыли, индуцированная лазерным излучением, возвращается на делитель, часть попадает на дихроичный фильтр, который не пропускает излучение флуоресценции, отражается от дихроичного фильтра, пройдя через делитель, проходит через дихроичное зеркало и попадает на фотодетектор, фиксирующий флуоресценцию.

Каждый из измерительных объемов, соответствует своему измерительному каналу, и может анализироваться отдельно и индивидуально. То есть возможно формирование независимых измерительных каналов с независимыми измерительными объемами. Лазеры, составляющие массив лазеров, могут работать как на одной длине волны, так и на разных длинах волн. За счет применения в каждом конкретном случае оптических элементов с необходимыми определенными параметрами, может достигаться изменение измерительного объема. То есть измерительный объем может изменяться за счет изменения параметров коллимирующей и фокусирующей линз, за счет изменения длины волны лазера.

На Фиг. 2 показан измерительный объем, в который попадает частица пыли. Как видно из фиг. 2 измерительный объем представляет собой пространство, имеющее вид перетяжки, при этом очевидно, что, попадая в измерительный объем, частица пыли облучается сфокусированным пучком, то есть интенсивность рассеянного излучения от частицы будет самой высокой именно в этом пространстве.

На Фиг. 3 показана зависимость гомодинной составляющей фототока от времени. На графике отображены сигналы на фотодетекторе от нескольких частиц разных размеров (10 мк; 2,5 мк; 1 мк), попавших в измерительный объем. Очевидно, что обратное рассеяние зависит от размера частицы, большие частицы рассеивают больше, маленькие меньше. То есть, по амплитуде (А) сигнала можно судить о том, каким размером обладает частица. С помощью предлагаемого датчика возможно определять размер каждой частицы пыли по-отдельности.

Для определения размера частицы можно воспользоваться следующей формулой:

(1)

i_hom - гомодинная составляющая фототока, являющаяся результатом смешения опорного лазерного излучения и рассеянного лазерного излучения на чувствительной площадке фотодетектора, данная составляющая i_hom фототока является результатом смешения двух волн. В случае, когда рассеивающий объект движется в направлении к/от источника, в данном фототоке присутствует вклад эффекта Доплера (W_d ≠ 0),

i_LO - фототок, соответствующий лазерному излучению опорного пучка,

i_scat - фототок, соответствующий лазерному излучению рассеянного пучка

W_{d -} доплеровский сдвиг частоты лазерного излучения (разность частот опорного излучения и излучения, рассеянного движущимся объектом),

t - время,

Δϕ (x,y,z)=ϕ_LO - ϕ_scat - разность фаз колебаний опорного и рассеяного пучков

ϕ_LO - фаза колебаний лазерного излучения опорного пучка;

ϕ_scat - фаза колебаний лазерного излучения рассеянного пучка.

По формуле (1) определяют W_d -доплеровский сдвиг частоты лазерного излучения.

Число частиц в единице объема связано с концентрацией частиц следующим образом (частицы предполагаются сферическими):

(2)

N_v - число частиц в единице объема (1/м³)

- плотность частицы (кг/м³)

- радиус частицы (м)

С - концентрация частиц (кг/м³)

Регистрация отдельных частиц с измерением их скорости позволяет измерить Nv:

- колличество зарегистрированных частиц

t - время измерения (с)

S - эффективная площадь поверхности измерительного объема(м²). (измерительный объем представляет собой область пространства, в котором фокусируется лазерное излучение)

- скорость частиц (м/с), которая определяется из измерения доплеровского сдвига частоты излучения.

Причем скорость частицы определяется из уравнения следующим образом:

=W_d*C/W_LO (3)

C - скорость света;

W_LO - частота лазерного излучения.

Таким образом, определив W_d из уравнения (1), затем скорость частицы из уравнения (3), с помощью уравнения (2) можно найти концентрацию частиц в данном измерительном объеме.

На Фиг. 4 подробно проиллюстрирована работа канала многоканального датчика пыли в гомодинном режиме работы.

Гомодинный прием (режим) -разновидность когерентного приема, основанного на смешении двух электромагнитных волн - опорной и сигнальной. В отличие от гетеродинного приема обе волны имеют один источник излучения. Как видно из формулы (1), гомодинный сигнал зависит от разности фаз опорной и рассеянной волны Δϕ(x,y,z), следовательно, данный метод может быть использован для фазовой демодуляции регистрируемого сигнала. Именно гомодинный сигнал зависит от доплеровского сдвига частоты излучения Wd, и именно этот метод используется для определения скорости частицы в настоящем изобретении. Кроме того, гомодинный сигнал также пропорционален амплитуде опорного излучения, что обеспечивает усиление малого сигнала, вызванного рассеянием индивидуальной частицей. Гомодинный режим является ключевым и обязательным условием работы предлагаемого датчика пыли.

Как показано на фиг. 4 лазерное излучение коллимируется коллимирующей линзой 1, коллимированное лазерное излучение проходит через делитель 2 светового пучка, который делит излучение на два пучка. Второй опорный пучок 3, отражаясь от делителя, попадает на дихроичное зеркало, и, отразившись от него, проходит сквозь делитель 2 и через дихроичный фильтр попадает на фотодетектор 5.

Если частицы пыли попадут не только в измерительный объем, то они тоже будут рассеивать свет и флуоресцировать, но с меньшей интенсивностью, чем в измерительном объеме, то есть вкладом излучения от таких частиц можно пренебречь, ввиду его малости, поскольку большая часть энергии излучения сконцентрирована в измерительном объеме.

В случае, когда исследуемая среда является совокупностью движущихся частиц, возникает проблема многочастичного рассеяния, которое вносит вклад в частотную структуру фотоэлектрического тока и искажает результаты измерений. Как показывают наши исследования, для частиц PM2,5 движущихся со скоростями порядка 0,1 мм/с вклад одиночных событий является основным вплоть до концентраций порядка десятков мг/м3, что является чрезвычайно большой величиной. В общем виде данная погрешность является неустранимой, однако она проявляется при чрезвычайно больших концентрациях частиц пыли, при которых применение данного сенсора нецелесообразно.

Для обнаружения движущейся частицы по доплеровскому сдвигу частоты, необходимо зарегистрировать этот сдвиг, для этого требуется определенное время, зависящее от опорной частоты. Поскольку оптическое излучение имеет чрезвычайно высокие частоты, этот промежуток можно считать бесконечно малым для любой электронной системы регистрации. Таким образом в конкретный момент времени, когда излучение упало на пылинку, и она рассеяла свет, ее можно считать движущейся и это дает эффект Доплера.

На фиг. 4 показано, что первый пучок проходит через фокусирующую линзу и взаимодействует с частицами пыли. Каждая частица пыли, попадая в измерительный объем, рассеивает излучение, падающее на нее. Рассеянное излучение 4 проходит обратно через фокусирующую линзу к делителю и, отразившись от делителя, смешивается со вторым опорным пучком.

Необходимо отметить, что, говоря о смешении двух волн нужно указывать, на каком элементе (детекторе) происходит смешение. Для того чтобы зарегистрировать частотный сдвиг, опорный и рассеянный пучки должны быть сфокусированы в плоскости фотодетектора. Вне плоскости детектора пучки никак не взаимодействуют друг с другом.

Итак, два смешанных пучка через дихроичный фильтр попадают на фотодетектор 5, который регистрирует гомодинную составляющую фототока, которая включает в себя вклад от эффекта Доплера. Дихроичный фильтр имеет свойство пропускать излучение на длине волны лазера и не пропускать излучение на длинах волн, отличных от лазерной. Фототок, зарегистрированной фотодетектором, таким образом состоит из трех составляющих i_hom - гомодинного фототока; i_LO - фототока, соответствующего лазерному излучению опорного пучка и i_scat - фототока, соответствующего лазерному излучению рассеянного пучка. Эти составляющие разнесены частотно, и поскольку в данном случае информативной является именно составляющая i_hom, которая, как видно из уравнения (1) несет информацию о частоте Доплера, то составляющие i_LO и i_scat могут быть отфильтрованы. Эти составляющие могут быть отфильтрованы, наприме, электрическим фильтром, кроме того, i_scat обычно чрезвычайно мал.

Далее с помощью уравнений (1), (2), (3) производится расчет концентрации частиц в данном измерительном объеме.

Для определения размера частиц амплитуду сигнала датчика необходимо прокалибровать на частицах с заданным размером. Данная калибровка является единоразовой (может производиться, например, изготовителем). Для калибровки могут быть использованы частицы полистирола с заданными размерами, что является стандартным решением в данной области. Для определения размера частицы, измеряется амплитуда зарегистрированного сигнала, соответствующего прохождению частицы через измерительный объем. Эта амплитуда сверяется со значениями, полученными в результате калибровки. Возможны различные сценарии:

(1) размер частицы принимается равным ближайшему по амплитуде калибровочному значению;

(2) измеренная в результате калибровки зависимость амплитуды сигнала от размера частицы аппроксимируется аналитической функцией, из которой определяется размер неизвестной частицы.

За счет увеличения числа каналов многоканального датчика пыли можно увеличить скорость работы датчика, так как при увеличении числа каналов увеличивается количество измерительных объемов, а значит и вероятность попадания частиц пыли в датчик. Увеличение (включение) или уменьшение (выключение) количества измерительных каналов многоканального датчика пыли может производиться самим датчиком в зависимости от поставленной задачи, а именно от прибора, в котором будет использоваться датчик. Например, в таких приборах, как пылесосы, количество работающих каналов, может быть уменьшено, поскольку пылесосы работают с большими концентрациями пыли и подсчет концентрации пыли может быть произведен с большой скоростью даже при включении небольшого количества каналов. В таких устройствах, как, например, кондиционеры, датчик может автоматически включать в работу большее количество каналов, если скорость подсчета концентрации будет недостаточной, поскольку концентрация пыли в помещениях, где используются кондиционеры, не так велика. Датчик также может ориентироваться в скоростях потока частиц пыли, при увеличении скорости потока частиц, датчик может отключить часть каналов, а при уменьшении скорости потока датчик может включить недостающие каналы.

Изменение характеристик фокусирующей линзы в канале приводит к изменению измерительного объема. При этом используя в качестве фокусирующих линз жидкокристаллические линзы можно перестраивать измерительный объем каждого канала. Фокус такой линзы можно изменять просто с помощью приложенного напряжения.

Нужно отметить, что вероятность попадания одной и той же частицы пыли в несколько измерительных объемов канала датчика достаточно мала, хотя такую вероятность также можно учесть при расчете концентрации. Вкладом излучения, рассеянного от частиц, попавших в луч, но не в измерительный объем можно пренебречь, ввиду его малости.

На Фиг. 5 проиллюстрирована работа одного канала многоканального датчика пыли во флуоресцентном и гомодинном режиме работы. Лазерное излучение возбуждает флуоресценцию в частицах отдельных видов пыли.

Лазерное излучение коллимируется коллимирующей линзой 1, коллимированное лазерное излучение проходит через делитель 2 светового пучка, который делит излучение на два пучка. Первый пучок проходит через фокусирующую линзу и взаимодействует с частицами пыли. Каждая частица пыли, попавшая в измерительный объем, под воздействием лазерного излучения флуоресцирует (4а) и/или рассеивает (4b) лазерное излучение, падающее на нее. Флуоресцентное излучение 4a проходит фокусирующую линзу, отражается от делителя 2, попадает на дихроичный фильтр, который способен пропускать только лазерное излучение, и, отражаясь от дихроичного фильтра, проходит через делитель 2 и дихроичное зеркало, отражающее только лазерное излучение и пропускающее все остальное излучение, и фокусируется на фотодетекторе, фиксирующем флуоресцентное излучение. Второй опорный пучок лазерного излучения 3, отражаясь от делителя, попадает на дихроичное зеркало, и, отразившись от него, проходит через делитель. При этом рассеянное излучение 4b проходит через фокусирующую линзу, отражается от делителя и смешивается со вторым опорным пучком 3. Это смешанное излучение проходит через дихроичный фильтр и фокусируются на фотодетекторе 5b для смешанного излучения. Необходимо отметить, что фотодетектор для смешанного излучения детектирует только рассеянное излучение, смешанное с лазерным излучением, а фотодетектор 5a детектирует только флуоресцентное излучение.

По флуоресцентному режиму определяется тип частицы пыли, по гомодинному режиму определяется концентрация частиц пыли и размер конкретных частиц пыли, как указано выше. Сочетание этих двух режимов обеспечивает точную и более развернутую информацию для пользователя.

В многоканальном датчике пыли может быть включено одновременно оба режима работы - флуоресцентный и гомодинный, а также может быть включен только один из режимов работы - или флуоресцентный или гомодинный.

Более подробно остановимся на работе одного измерительного канала многоканального датчика пыли только во флуоресцентном режиме работы.

Фиг. 6 иллюстрирует работу измерительного канала многоканального датчика пыли во флуоресцентном режиме работы. Лазерное излучение коллимируется коллимирующей линзой, коллимированное лазерное излучение проходит через делитель светового пучка, который делит излучение на два пучка. Один из пучков отражается от дихроичного зеркала и не принимает участие во флуоресцентном режиме. Другой пучок проходит через фокусирующую линзу и взаимодействует с частицами пыли. Каждая частица пыли, попавшая в измерительный объем, под воздействием лазерного излучения флуоресцирует (рассеяние в данном режиме не рассматривается). Флуоресцентное излучение от частицы пыли проходит фокусирующую линзу, отражается от делителя, попадает на дихроичный фильтр, который не пропускает флуоресцентное излучение, и, отражаясь от дихроичного фильтра, проходит через делитель и дихроичное зеркало, пропускающее флуоресцентное излучение, и фокусируется на фотодетекторе для флуоресцентного излучения.

Как было указано выше, по флуоресценции определяется тип частицы пыли. Многоканальный датчик пыли может быть настроен на определение практически любого вида пыли. Почти все виды пыли флуоресцируют под действием соответствующей определенной длины волны. Известно, что частицы биологического происхождения, такие как омертвевшие частички кожи, различные споры плесени, грибки, пыльца имеют флуоресценцию в разных областях спектра. Известно также, что минеральная пыль может как флуоресцировать, так и не флуоресцировать, например, частицы песка (кварц) флуоресцируют, а угольная пыль не флуоресцирует.

Спектры флуоресценции различных видов пыли известны из области техники, например, Yong-Le Pa, Detection and characterization of biological and other organic-carbon aerosol particles in atmosphere using fluorescence // Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer 150(2015)12-35; и Voloshina O. V., ShirshinE. A., LademannJ., FadeevV. V., Darvin M. E., Fluorescence detection of protein content in house dust: the possible role of keratin // Indoor Air 2017; 27: 377-385.

Известно, что различные частицы пыли биологического происхождения имеют схожую флуоресценцию, поэтому, если датчик фиксирует спектр флуоресценции такого вида, то делается вывод, что пыль состоит из частиц биологического происхождения. Для примера, можно выделить, например, спектр флуоресценции кератина. Общеизвестно, что кератин представляет собой белок, аминокислотный состав которого может сильно различаться в зависимости от того, какой фрагмент тела он формирует. Например, у человека кератин содержится в коже, ногтях и волосах, в зубах. То есть, если многоканальный датчик пыли фиксирует, например, флуоресценцию кератина, то состав пыли включает в себя частицы биологического происхождения. Известно, что флуоресценция частиц пыли биологического происхождения может возбуждаться излучением с любой длиной волны в диапазоне 290-400 нм. Для максимальной интенсивности флуоресценции определенного вида биологической пыли крайне желательно подбирать оптимальную длину волны именно для этого типа пыли (эта длина волны соответствует максимуму поглощения для данного типа пыли). Например, для кератина оптимальная длина волны возбуждения 350 нм.

Спектры флуоресценции частиц биологического происхождения хотя и имеют широкую полосу флуоресценции, но имеют и спектральную особенность в виде узкой и яркой полосы в районе 400 нм. Параметры дихроичного зеркала можно подобрать таким образом, чтобы оно пропускало только диапазон длин волн, например, в области этой характерной яркой полосы, тогда канал датчика будет фиксировать именно частицы биологического происхождения.

Общеизвестно, что спектры флуоресценции различных видов пыльцы имеют характерную флуоресценцию в диапазоне 650-700 нм в красном свете. То есть, по наличию в спектре флуоресценции такого пика определяется, что частица пыли является пыльцой. Кроме того, для получения флуоресценции именно от частиц пыльцы на пыль нужно воздействовать длиной волны наиболее близкой к максимумам поглощения пыльцы различных растений.

Спектры флуоресценции, например, песка, имеют характерную флуоресценцию в диапазоне 390-450 нм.

То есть, по наличию в спектре флуоресценции такого пика определяется, что частица пыли является песком. Кроме того, для получения флуоресценции именно от частиц минеральной пыли на пыль нужно воздействовать длиной волны наиболее близкой к максимумам поглощения веществ минеральной пыли.

Ниже приведена таблица, которая показывает зависимость характеристик сигнала в гомодинном канале и флуоресцентном канале от длины волны лазера.

Частица Длина волны лазера Флуоресцентный канал Гомодинный канал Тип Размер Длина волны флуореесценции флуоресценции Интенсивность сигнала Длина волны Интенсивность сигнала Биологического происхождения 10 мкм 370 нм
280 нм 460 нм (флуоресцирует кератин [1])
350 нм (флуоресцирует триптофан [2]) Сильная
Сильная 370 нм
280 нм Сильная
Сильная 1 мкм 370 нм
280 нм 460 нм (флуоресцирует кератин [1])
350 нм (флуоресцирует триптофан [2]) Слабая
Слабая 370 нм
280 нм Слабая
Слабая Пыльца 10 мкм 360 нм
360 нм 480 нм (широкий пик), 675 нм (узкий пик) (флуоресцирует S. angustifolium [3])
530 нм (широкий пик) (флуоресцирует S. palustre [3]) Сильная
Сильная 360 нм
360 нм Сильная
Сильная 1 мкм 360 нм
360 нм 480 нм (широкий пик), 675 нм (узкий пик) (флуоресцирует S. angustifolium [3])
530 нм (широкий пик) (флуоресцирует S. palustre [3]) Сильная
Сильная 360 нм
360 нм Сильная
Сильная Минерального происхождения 10 мкм 337 нм 430 нм (широкий пик), 550 нм (узкий пик) (флуоресцирует песок [4]) Сильная 337 нм Сильная 1 мкм 337 нм 430 нм (широкий пик), 550 нм (узкий пик) (флуоресцирует песок [4]) Слабая 337 нм Слабая

Данные взяты из работ [1] Voloshina O. V., Shirshin E. A., LademannJ., Fadeev V. V., Darvin M. E., Fluorescence detection of protein content in house dust: the possible role of keratin // Indoor Air 2017; 27: 377-385; [2]Yong-Le Pa, Detection and characterization of biological and other organic-carbon aerosol particles in atmosphere using fluorescence // Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer 150(2015)12-35; [3]Justyna Urbanczyk, Maria Angeles Fernandez Casado, Tomás E. Díaz, Patxi Heras, Marta Infante, Angeles G. Borrego. Spectral fluorescence variation of pollen and spores from recent peat-forming plants // International Journal of Coal Geology, 131 (2014) 263-273; [4] A. R. Mack and E. J. Brach. Laser fluorescence of sand and clay materials // Canadian journal of soil science. Vol. 57, No. 1, 1977.

Таким образом, зная характерные спектры различных видов пыли, параметры дихроичного зеркала каждого из каналов многоканального датчика пыли можно подстраивать под любой желаемый вид спектра, тогда датчик сможет фиксировать и определять одновременно несколько видов частиц пыли. Также, изменяя длину волны лазерного излучения в каждом из каналов можно воздействовать на пыль, получая соответственно флуоресценцию того или иного вида пыли. Подстройкой в каждом из каналов параметров дихроичного зеркала и длины волны лазерного излучения можно пользоваться, в зависимости от поставленных задач, как вместе, так и отдельно.

Делитель светового пучка является одним из ключевых элементов предлагаемого многоканального датчика пыли. Делитель светового пучка может быть представлен любым известным решением для разделения излучения.

В качестве лазеров можно использовать любые известные лазеры, в том числе и перенастраиваемые диодные лазеры, в которых можно управлять длиной волны.

Очевидно, что вероятность попадания частицы пыли в многоканальный датчик пыли прямо пропорциональна количеству используемых каналов. То есть, чем больше массив лазеров, тем выше чувствительность многоканального датчика пыли.

Очевидно, что предлагаемое изобретение может найти широкое применение в бытовой технике, например, в пылесосах, кондиционерах и т.д. Кроме того, благодаря своим компактным размерам многоканальный датчик пыли может быть встроен в обычный смартфон. То есть обычный пользователь сможет с помощью своего смартфона получить информацию о концентрации и виде аллергенов в воздухе, что актуально для аллергиков. А также пользователь смартфона, проживающий в экологически неблагоприятном районе сможет самостоятельно контролировать концентрацию и вид вредных примесей в воздухе.

Хотя изобретение описано в связи с некоторыми иллюстративными вариантами осуществления, следует понимать, что сущность изобретения, не ограничивается этими конкретными вариантами осуществления. Напротив, предполагается, что сущность изобретения включает в себя все альтернативы, коррекции и эквиваленты, которые могут быть включены в сущность и объем формулы изобретения.

Кроме того, изобретение сохраняет все эквиваленты заявляемого изобретения, даже если пункты формулы изобретения изменяются в процессе рассмотрения.

Датчик содержит массив лазеров; массивы коллимирующих и фокусирующих линз, первый и второй массивы фотодетекторов; массив дихроичных зеркал, массив дихроичных фильтров. Каждый лазер из массива лазеров с соответствующими ему фокусирующей и коллимирующей линзами расположены на одной оптической оси, причем оптические оси для разных лазеров параллельны друг другу и образуют первый массив оптических осей. Каждый дихроичный фильтр расположен напротив соответствующего дихроичного зеркала и с соответствующими ему фотодетектором второго массива фотодетекторов, дихроичным зеркалом, фотодетектором первого массива фотодетекторов расположены на одной оптической оси, причем эти оси образуют второй массив оптических осей. Оптические оси первого и второго массивов оптических осей перпендикулярны друг другу. Делитель светового пучка расположен в точках пересечения оптических осей первого и второго массивов оптических осей. Технический результат - обеспечение высокой чувствительности за счет проведения измерений во множестве точек и возможность одновременно получать информацию о размере, концентрации и типе частиц. 5 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

1. Многоканальный датчик пыли, содержащий:

массив лазеров;

массив коллимирующих линз, причем каждая коллимирующая линза расположена после соответствующего лазера;

массив фокусирующих линз, причем каждая фокусирующая линза расположена напротив соответствующей коллимирующей линзы;

причем каждый лазер из массива лазеров с соответствующими ему фокусирующей и коллимирующей линзами расположены на одной оптической оси, причем оптические оси для разных лазеров из массива лазеров параллельны друг другу и образуют первый массив оптических осей;

первый массив фотодетекторов;

массив дихроичных зеркал, причем за каждым из дихроичных зеркал расположен один из фотодетекторов первого массива фотодетекторов;

второй массив фотодетекторов;

массив дихроичных фильтров, причем за каждым из дихроичных фильтров расположен один из фотодетекторов второго массива фотодетекторов;

причем каждый дихроичный фильтр расположен напротив соответствующего дихроичного зеркала, таким образом, каждый дихроичный фильтр с соответствующими ему элементами: фотодетектором второго массива фотодетекторов, дихроичным зеркалом, фотодетектором первого массива фотодетекторов расположены на одной оптической оси, причем эти оси образуют второй массив оптических осей;

причем оптические оси первого массива оптических осей и второго массива оптических осей перпендикулярны друг другу;

делитель светового пучка, расположенный между массивом дихроичных фильтров и дихроичных зеркал и между массивами фокусирующих и коллимирующих линз, в точках пересечения оптических осей первого и второго массивов оптических осей,

причем делитель светового пучка ориентирован таким образом, что излучение, распространяющееся по оптической оси первого массива оптических осей от лазера к фокусирующей линзе, частично направляется по одной из оптических осей второго массива оптических осей в сторону одного их дихроичных фильтров;

при этом излучение, распространяющееся по оптической оси второго массива оптических осей в обратную сторону от фокусирующей линзы к коллимирующей линзе, частично направляется по соответствующей оптической оси второго массива оптических осей в сторону дихроичного зеркала, причем каждая пара оптических осей из первого и второго массива оптических осей, пересекающаяся в точке, расположенной на делителе, образует измерительный канал.

2. Многоканальный датчик пыли по п. 1, в котором массив лазеров состоит из лазеров, работающих на одной длине волны.

3. Многоканальный датчик пыли по п. 1, в котором массив лазеров состоит из лазеров, работающих на разных длинах волн.

4. Многоканальный датчик пыли по п. 1, в котором первый фотодетектор регистрирует только смешанное рассеянное и лазерное излучение, дихроичное зеркало отражает лазерное излучение, а дихроичный фильтр пропускает смешанное рассеянное и лазерное излучение.

5. Многоканальный датчик пыли по п. 1, в котором второй фотодетектор регистрирует только флуоресцентное излучение, дихроичное зеркало пропускает флуоресцентное излучение и отражает лазерное излучение, дихроичный фильтр отражает флуоресцентное излучение.

6. Многоканальный датчик пыли по п. 1, в котором по меньшей мере одна фокусирующая линза является жидкокристаллической.