一种粒子采样器的制作方法

1.本实用新型涉及粒子采样技术领域，具体涉及一种粒子采样器。


背景技术：

2.在气溶胶科学、食品工业、制药、医药和环境检测等许多领域，都需要使用粒子检测技术来检测粒子大小、粒子分布和粒子质量密度。目前比较常用的方法是，通过泵体以吹气或者吸气的方式，将空气中稀疏分布的气溶胶吸附到局限的表面和小体积的介质中，例如说，采用粘性采样板来进行吸附气溶胶中的粒子，取下吸附有粒子的粘性采样板就可以开展粒子的大小、数量、形状和分布的分析工作。但是，这种方法只有取下粘性采样板并进行分析之后，才能得到粒子分析结果，无法直接获得粒子的显微图像。


技术实现要素：

3.本实用新型提供一种粒子采样器，解决了现有技术无法直接获得粒子的显微图像的技术问题。
4.本实用新型提供的基础方案为：一种粒子采样器，包括：加速喷嘴，所述加速喷嘴的内壁向内倾斜，所述加速喷嘴出口的横截面积小于入口的横截面积，所述加速喷嘴的出口向下；所述加速喷嘴的出口处设有透明的粘性采样板，所述粘性采样板位于加速喷嘴的下方，所述加速喷嘴的入口处设有微型泵；所述加速喷嘴的入口处设有光源，所述光源的中心线与加速喷嘴的中心线重合，所述粘性采样板的下方设有阵列分布的图像传感器。
5.本实用新型的工作原理及优点在于：粘性采样板上所捕获的粒子的位置取决于粒子的质量和大小，对于相同尺寸的粒子，较重的粒子沉积在粘性采样板的中心区域，较轻的粒子则附着在粘性采样板的周围区域；激活微型泵进行采样，采样后光源照亮透明的粘性采样板，从光源发出的光束与粘性采样板上所收集的粒子相互作用，每个粒子根据其大小、形状、折射率对入射的光束进行散射、吸收和折射，通过粒子且被粒子散射的光束与来自光源的未散射的光束干涉产生每个粒子的全息图像，位于粘性采样板下方的图像传感器可以直接拍摄粒子的全息图像。由于全息图像是一种三维图像，其包含了每个粒子的尺寸、形状等信息，能够直观地进行展示，不用取下并分析粘性采样板就可以得到粒子的初步分析结果，提高了粒子测量的效率。
6.本实用新型可以直接获取粒子的全息图像，不用取下并分析粘性采样板就可以得到粒子的初步分析结果，解决了现有技术无法直接获得粒子的显微图像的技术问题。
7.进一步，所述图像传感器与所述粘性采样板接触或间隔一个亚毫米。
8.有益效果在于：防止图像传感器与粘性采样板之间的距离过大，导致所采集的全息图像不清楚。
9.进一步，所述光源包括led和针孔，所述针孔位于led的下方。
10.有益效果在于：led也即发光二极管，从led发出的光束通过针孔可以起到收缩光束的作用，在空气中传播了一小段距离后与粘性采样板上收集的粒子相互作用。
11.进一步，所述led为led芯片，所述led芯片用于发出三种波长的光束。
12.有益效果在于：三种波长分别对应红、黄、蓝三种颜色，通过捕捉三种波长的光束下粒子的三种图像并合并这三种图像，可以得到粒子的彩色图像。
13.进一步，所述加速喷嘴为文丘里管，所述文丘里管设有收缩端。
14.有益效果在于：文丘里管的横截面的面积逐渐减少，气流通过文丘里管时，速度会逐渐增大，能够提高气流对粘性采样板的冲击力。
15.进一步，所述粘性采样板为矩形或者圆形。
16.有益效果在于：矩形或者圆形都有明确的中心点，便于文丘里管中心线与粘性采样板中心点对齐。
17.进一步，所述图像传感器为cmos图像传感器或者电荷耦合器件ccd。
18.有益效果在于：由于cmos图像传感器的采集速度快，是实时检测的首选，但是也可以使用电荷耦合器件ccd替代，如果为了更好的光灵敏度而需要更好的图像信噪比时，可以将cmos图像传感器更改为电荷耦合器件ccd，使用这样的配置，可以实现超过15平方厘米的更广的视场范围，所提供的成像区域更大，对粒子的高通量表征也特别理想。
19.进一步，所述微型泵连接有电池，所述电池用于为微型泵供电。
20.有益效果在于：防止微型泵因断电而影响工作，避免采样过程中断。
附图说明
21.图1为本实用新型一种粒子采样器实施例的结构示意图。
22.图2为本实用新型一种粒子采样器实施例的粒子的沉积距离与直径的函数关系图。
23.图3为本实用新型一种粒子采样器实施例的光源结构图。
具体实施方式
24.下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
25.说明书附图中的标记包括：采样器100、上板101、文丘里管102、文丘里管收缩端102a、腔室103、底板104、腔室出口108、文丘里管中心线112、气流113、粒子114、底板中心点116、光束303、cmos图像传感器310、电池311、微型泵312、收集的粒子316。
26.实施例1
27.实施例基本如附图1所示，采样器100的基本部件是加速喷嘴，加速喷嘴为文丘里管102，文丘里管102的横截面积从上到下逐渐变小，文丘里管收缩端102a较小且向下，文丘里管收缩端102a终止于上板101，上板101和底板104之间形成腔室103，文丘里管102可以被称为“冲击器”，气流113中携带的粒子114通过文丘里管102对底板104造成冲击。底板中心点116位于文丘里管中心线112上，底板104包括制备好的用来捕获粒子114的粘性表面，底板104可以称为“粘性采样板”。
28.含有粒子114的气流113由微型泵312通过文丘里管102抽送一段预定的时间，微型泵312连接有电池311，由电池311供电，防止微型泵312因断电而影响工作，避免采样过程中断，作为一个优选实施例，微型泵312的抽出率为10l/min，气流113被偏转到腔室103的出口，当通过文丘里管102的气流113在底板中心点116的附近区域冲击底板104时，气流113会
突然改变方向，气流113对底板104的冲击导致粒子114沿着底板104沉积，对于尺寸和质量不同的粒子114，粒子114在底板104上的位置取决于粒子114的大小和质量。承载粒子114的层流从底板中心点116向外抽向底板104的外缘，较重的粒子114撞击底板104，并在靠近底板中心点116处被捕获，而较轻的粒子114则在底板104较外围的区域被捕获(朝向腔室出口108方向)，当采样完成后，取下底板104，可以送到实验室进行分析。需要说明的是，不管是从下面抽还是从上面吹，粒子114的运动都是遵循惯性的原理的，也就由于惯性的不同，较重和/或较大的粒子114倾向于以相对笔直的轨迹流动并撞击在底板104的表面上，而较轻的粒子114继续沿着流线并最终以较大的距离沉积在底板104上，这个吹或者抽的效果是一样的，因为他们的微流体方向是一致的，所以不会有任何不同。质量较小的或者较轻的粒子114容易随波逐流走的更远，也更容易飘，就会沉积在周围区域；质量较大的或者较重的粒子114比较难用气流113操控，所以哪里近，就出现在哪里，所以更容易出现在靠近底板104中心的位置。粒子114沉降到底板104后一般不会再运动，因为底板104上通常设有透明胶，一旦粒子114沉积到底板104上，通常不会再被吸走。
29.如附图2所示，显示了粒子114沉积距离与粒子114直径的关系，粒子114的大小、直径和密度都会影响粒子114的惯性，从而影响气流113冲击底板104时产生的方向和轨迹。粒子114是以一定的规则进行沉积，由于惯性的影响，大质量的粒子114倾向于沿着最初的轨迹运动，并且更倾向于冲击底板中心点116。对于直径相同的粒子114，具有较高的密度的粒子114位于更靠近底板中心点116附近的冲击区域。同时，对于相同密度但是不同直径的粒子114，直径较大的粒子114更靠近底板中心点116。就是说，底板104上的粒子114的分布遵循特定规则。而且，底板104从上面看可以是任意形状，比如说矩形或者圆形，矩形或者圆形都有明确的中心点，便于文丘里管中心线112与粘性采样板中心点116对齐，腔室103中的气流113可以从底板中心点116呈放射状向外流动，也可以从点底板中心点116以一定角度呈扇形向外流动，也可以沿腔室103的一个方向流动。
30.粒子114的运动遵循牛顿第二定律，在流场中每个粒子114都会受到由粒子114与流体流场之间的相对速度而产生的斯托克斯阻力，粒子114二维运动方程可描述为：
[0031][0032][0033]
其中(x，y)描述了一个粒子114在t时刻的瞬时位置，斯托克斯数(stk)是一个无量纲数，表征悬浮在流体流场中的粒子114的行为。根据流体动力学理论，stk由粒子114的密度和直径决定，stk也与粒子114的运动轨迹和沉积位置相关。具有较大stk的粒子114将倾向于冲击底板104中心11附近，而具有较小stk的粒子114将继续随着流线流动，并最终沉积在以底板中心点116为圆心的半径较大的环状区域上。斯托克斯数(stk)的计算公式可以写成：
[0034][0035][0036]
其中，ρ
p
表示粒子114密度，ρ
α
表示气流113的密度，d
ρ
表示粒子114的平均尺寸，u表示入口平均流速，w表示腔室103进气口的宽度，y表示气流113的运动粘度。
[0037]
在本实施例中，如附图3所示，采样器100还包括光源301，光源301包括led302和针孔304，针孔304位于led302的下方，光源301发出的光束303能够穿过上板101和腔室103照亮底板104，上板101和底板104是透明的。cmos图像传感器310配置在底板104的正下方，其对来自光源301的光束303的灵敏度很高，cmos图像传感器310与底板104接触，或者间隔一个亚毫米，防止cmos图像传感器310与底板104之间的距离过大，导致所采集的全息图像不清楚。从led302发出的光束303通过针孔，在气流113中传播了一小段距离后(例如说4cm)与底板104上的收集的粒子316相互作用，每个收集的粒子316根据其大小、三维形态、折射率对入射的光束303进行散射、吸收和折射，通过收集的粒子316且被收集的粒子316散射的光束303与来自光源301的未散射的光束303干涉，产生每个收集的粒子316的全息图像，其可以通过阵列排布的cmos图像触感器310直接检测。
[0038]
在本实施例中，阵列排布的cmos图像触感器310包含像素为1.67μm的30平方米的成像区域。led302采用led芯片，其型号sunledxzbgrbbrmer158w，这种led芯片可以发出三种波长的光，通过捕捉三种波长的光下粒子114的图像并合并这三幅图像，可以得到粒子114的彩色图像。
[0039]
在本方案中，粘性采样板上所捕获的粒子114的位置取决于粒子114的质量和大小，对于相同尺寸的粒子114，较重的粒子114沉积在粘性采样板的中心区域，较轻的粒子114则附着在粘性采样板的周围区域；激活微型泵312进行采样，采样后光源照亮透明的粘性采样板，从光源发出的光束303与粘性采样板上所收集的粒子316相互作用，每个粒子114根据其大小、形状、折射率对入射的光束303进行散射、吸收和折射，通过粒子114且被粒子114散射的光束303与来自光源的未散射的光束303干涉产生每个粒子114的全息图像，位于粘性采样板下方的图像传感器可以直接拍摄粒子114的全息图像。由于全息图像是一种三维图像，其包含了每个粒子114的尺寸、形状等信息，能够直观地进行展示，不用取下并分析粘性采样板就可以得到粒子114的初步分析结果，提高了粒子114测量的效率。
[0040]
实施例2
[0041]
与实施例1不同之处仅在于，所述图像传感器为电荷耦合器件ccd，由于cmos图像传感器310的采集速度快，是实时检测的首选，但也可以使用电荷耦合器件ccd替代，如果为了更好的光灵敏度而需要更好的图像信噪比时，可以将cmos图像传感器更改为电荷耦合器件ccd，使用这样的配置，可以实现超过15平方厘米的更广的视场范围，所提供的成像区域更大，对粒子114的高通量表征也特别理想。
[0042]
以上所述的仅是本实用新型的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前实用新型所属技术领
域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本技术给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本技术的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围，这些都不会影响本实用新型实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

技术特征：
1.一种粒子采样器，包括：加速喷嘴，所述加速喷嘴的内壁向内倾斜，所述加速喷嘴出口的横截面积小于入口的横截面积，所述加速喷嘴的出口向下；所述加速喷嘴的出口处设有透明的粘性采样板，所述粘性采样板位于加速喷嘴的下方，所述加速喷嘴的入口处设有微型泵；其特征在于，所述加速喷嘴的入口处设有光源，所述光源的中心线与加速喷嘴的中心线重合，所述粘性采样板的下方设有阵列分布的图像传感器。2.如权利要求1所述的粒子采样器，其特征在于，所述图像传感器与所述粘性采样板接触或间隔一个亚毫米。3.如权利要求2所述的粒子采样器，其特征在于，所述光源包括led和针孔，所述针孔位于led的下方。4.如权利要求3所述的粒子采样器，其特征在于，所述led为led芯片，所述led芯片用于发出三种波长的光束。5.如权利要求2所述的粒子采样器，其特征在于，所述加速喷嘴为文丘里管，所述文丘里管设有收缩端。6.如权利要求5所述的粒子采样器，其特征在于，所述粘性采样板为矩形或者圆形。7.如权利要求2所述的粒子采样器，其特征在于，所述图像传感器为cmos图像传感器或者电荷耦合器件ccd。8.如权利要求1-7任一项所述的粒子采样器，其特征在于，所述微型泵连接有电池，所述电池用于为微型泵供电。

技术总结
本实用新型涉及粒子采样技术领域，具体涉及一种粒子采样器，包括：加速喷嘴，所述加速喷嘴的内壁向内倾斜，所述加速喷嘴出口的横截面积小于入口的横截面积，所述加速喷嘴的出口向下；所述加速喷嘴的出口处设有透明的粘性采样板，所述粘性采样板位于加速喷嘴的下方，所述加速喷嘴的入口处设有微型泵；所述加速喷嘴的入口处设有光源，所述光源的中心线与加速喷嘴的中心线重合，所述粘性采样板的下方设有阵列分布的图像传感器。本实用新型可以直接获取粒子的全息图像，不用取下并分析粘性采样板就可以得到粒子的初步分析结果，解决了现有技术无法直接获得粒子的显微图像的技术问题。法直接获得粒子的显微图像的技术问题。法直接获得粒子的显微图像的技术问题。


技术研发人员：李璟文
受保护的技术使用者：江西盛泰精密光学有限公司
技术研发日：2022.07.29
技术公布日：2023/1/6