本发明涉及质谱仪便携化技术领域，具体地，涉及一种内置真空传感器的便携式仪器分子泵。
背景技术：
质谱仪的工作原理是：用高能离子流轰击待测物质，将其裂解为带电粒子，在高真空度环境中不受干扰地运动，运动轨迹因粒子质量和电荷数比值的差异而不同，质量分析器根据差异分析出各带电粒子质荷比，反推出待测物质的成分。质谱仪因其鉴定未知物质化学成分和监测混合物中特定物质的功能，在质量检测、环境监控、化学分析等领域都已有广泛应用，且需求有增大趋势。
质谱仪可以通过检测空气、水样、土样中的特定成分进行环境监控，风险预估。例如测定水样中某种特定污染物的含量，农产品中的农药含量等。为了实时监控，质谱仪有时需要在特殊环境中现场工作。传统质谱仪体积庞大难以运送，为适应现场工作的需要，需进行小型化、便携化改造。
质谱仪必须在高真空环境下工作。离子源工作时在灯丝上施加高压，若真空度不足，高压会击穿真空腔内气体，从而放电损坏灯丝；离子源与分析器之间若存在一定数量的空气粒子，则会干扰待测物质粒子在仪器内的自由运动，影响检测结果；气体分子若进入质量分析器，会导致信号背景噪音过大，影响分析结果；高温状态下氧气会迅速氧化高压灯丝。综上，质谱仪工作时真空度不足，会导致分析结果偏差并损坏仪器，所以要保持其内部真空度，实时检测真空度数据，一旦真空度下降立刻停止工作。
一般质谱仪使用真空规测量内部真空度。在低压气体环境中，气体分子被电离产生的正离子数与气压成正比，真空规根据该原理测量低气体压强，并在外接显示屏上显示数值。真空规工作时需外接电源，且需与显示屏实体线路连接，因此一般安装在仪器外侧合适位置，如机械泵与质谱仪连接的波纹管接口处。
一般质谱仪在内部真空度达到10-5mbar时工作，能确保背景干扰较小以及仪器的安全。一般质谱仪使用的真空规适合测量103mbar～10-7mbar级别的真空度，高真空电离规可以测量更高级别的真空度(如低限至10-12mbar)。但高真空电离规工作时会输出较高强度的本底噪声电流，该电流的x射线和eid效应较大。且高真空度下测量微弱离子流的误差极大。综合考虑高真空度下的仪器性能与成本，一般不选择高真空电离规。
目前质谱仪常用真空规，例如mks皮拉尼规，其一种型号为mks-910，量程为103～10-6mbar，尺寸为480x88x280mm，体积较大，与波纹管配套安装在仪器外部。此外，真空规运作需要外接供电及传输信号线缆，这会进一步增大仪器体积。为缩减质谱仪体积，需要一种能缩小真空规尺寸及减少连线的方案。
真空规一般安装在连接机械泵与质谱仪的波纹管接口上。抽气过程中仪器真空腔中的气体沿波纹管朝机械泵方向移动，被抽离仪器内部，制造真空环境。质谱仪工作时真空腔内因有高压放电与带电粒子飞行过程，待测样本裂解出的气体带电粒子流会干扰真空规测量数值，真空规本身也会被污染。同时，真空规工作时也会发射电流，干扰自身工作。
因此，为满足质谱仪整体小型化、便携化的设计要求，实现实时监控腔室内真空度、确保仪器安全运行，防止故障与财产损失的功能，有必要发展出一种体积更小、可安装在腔室内部、能精准测量真空度、不影响仪器整体设计、自动化运作以及使用便捷的专用分子泵及配套真空测控系统。
技术实现要素：
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种内置真空传感器的便携式仪器分子泵。
根据本发明提供的一种内置真空传感器的便携式仪器分子泵，包括涡轮分子泵、压力传感器、感应发电装置以及无线传输模块，其中：
压力传感器设置有多个，多个压力传感器设置在涡轮分子泵的腔室内侧；
所述感应发电装置依靠涡轮分子泵内部的叶片转动的能量感应发电，感应发电装置为所述压力传感器供能；
无线传输模块将压力传感器测定的数据传输至质谱仪控制主机。
优选地，所述涡轮分子泵包括中轴固定的转子，转子上固定有动叶片，涡轮分子泵外壳内表面设置有定叶片，动叶片和定叶片沿转子周向方向间隔分布。
优选地，所述压力传感器设置在涡轮分子泵的内表面且与定叶片、动叶片无接触。
优选地，还包括用于抽取真空的前级泵。
优选地，所述压力传感器至少设置有两个，且压力传感器在气流运动方向上具有间隔。
优选地，所述压力传感器包括气压测定元件和无线发信器，气压测定元件将测得的数据通过无线发信器传输到质谱仪的控制主机中。
优选地，所述动叶片、定叶片与中轴的轴向方向垂直。
优选地，在所述动叶片上安装微型磁铁，在动叶片附近空余的位置安装磁感应线圈。
优选地，还包括整流滤波器，磁感应线圈中产生的电流经整流滤波器整合，形成稳定电流为压力传感器供能。
优选地，所述无线传输模块包括蓝牙、nfc或者wifi。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明与传统的质谱仪分子泵及真空度测控系统相比，节省了常用真空规的体积；缩减了仪器外表关于真空规接口的设计体积。
2、本发明无需与外界进行实体连线，杜绝因连线产生的真空腔气密性隐患。
3、本发明对质谱仪的小型化、便携化设计有良好的实用价值。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1-3为本发明内置真空传感器的便携式仪器分子泵的不同实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供了一种专用分子泵与真空测控系统，包括：用于配套质谱仪工作的一台涡轮分子泵102；中轴固定的转子104；固定在转子上的动叶片105；固定在分子泵外壳上的定叶片106；用于测定分子泵内部真空度的至少两个无源无线传感器103；用于传输数据的无线网络108。该分子泵为在常规分子泵结构基础上进行改装的版本，其内部空间比一般分子泵大，用以容纳微型电子元器件。两部无源无线压力传感器被安装在分子泵不同叶片附近，精确记录其在分子泵内部位置以及距离分子泵前后气体出入口的数值，根据距离数值及测定的真空度反推算真空腔101内的真空度。无源无线压力传感器的量程必须精确到至少10-5mbar的级别，才能监控质谱仪的正常工作。
所述专用分子泵两端分别连接前级泵与质谱仪的真空腔室。前级泵107多为旋片泵，在质谱仪工作时先于仪器其余部分启动，为真空腔、分子泵、前级泵107这一连通的内部结构抽真空。待真空度提升至气体呈分子流状态时，分子泵才能开始工作。一台连接了本专用分子泵及真空测控系统的质谱仪的正常工作步骤是：打开涡轮分子泵的前级泵107抽取真空，在真空度达到一定程度(0.01～0.1mbar级别)时启动分子泵继续抽取真空，直到真空度到达10^-5pa层级时才可以开启高压、灯丝等精细功能开始测量工作。例图中真空腔101与前级泵107都不属于本发明内容，为便于解释本发明工作原理所以画出，箭头方向指整个连通结构中气体的流动方向。
在该实施例中，测定分子泵内部真空度的传感器为无源无线传感器。无源无线传感技术的核心是充分利用传感器工作环境，从环境中获取能量供测量和无线通讯使用。该无源无线传感器取代了目前常见质谱仪设计中采用的真空规方案，并整体整合在分子泵内部。该分子泵是经特殊设计的新型号分子泵，其内部有足够容纳整套微型装置的空间。该无源无线传感器在分子泵内部至少装有两部，被安装在分子泵不同层级的叶片处，通过测定分子泵内部气体流动方向上不同的真空度，估算真空腔内部的真空度。
上述实施例方案的缺点是压力传感器被安装在分子泵腔室内，而非质谱仪真空腔内，所测定的真空度数据并非是真空腔内的实时情况，需要靠真空度与距离数据相结合推算真实数据，因此会有数据拟合度较为粗糙的问题存在。另外，无法保证无源无线传感器能在分子泵内侧正常工作，无法保证其能接受、适配分子泵转子转动的能量支持自身工作。一旦传感器失灵，则整台质谱仪都将无法正常工作，还有元件放电烧毁的危险。
为克服拟合数据失真这个问题，如图2改进方案所示，在分子泵体202内部加装数个压力传感器形成的传感器阵列203，同时测量多组真空度数据，根据距离与真空度的对应关系拟合更准确的函数曲线，推算出真空腔室内的实时真空度。当分子泵正常工作时，各压力传感器测得的数据根据其在气体流动方向上的距离从远到近呈平缓的对数梯度变化，这是仪器安全状况正常的特征。本实施例中其余所有对应图标所指部件与例图1中相同，被抽取的真空腔室201；中轴固定的转子204；固定在转子上的动叶片205；固定在分子泵外壳上的定叶片206；前级泵207；传感器阵列仍用无线网络208进行数据传输。该方法还具有可以降低传感器灵敏度要求的特点，如传感器的最高真空级和次高真空级均可以被移除，改用转速-压缩比关系进行数学推算，这样较低成本的mbar级压力传感器即可用于分子泵202和所抽取真空腔体201中的真空度的监控。
在本发明的另一个改进实施例中展示了一种利用感应发电技术为无线传感器供能的方法，如图3所示。该方案的主体结构仍与上述实施例相同，如包含被抽取的真空腔室301，分子泵体302；中轴固定的转子305；固定在转子上的动叶片306；固定在分子泵外壳上的定叶片307；前级泵308；传感器阵列仍用无线网络309进行数据传输。该方法的改进是用有源无线传感器303替代无源无线传感器，在动叶片附近加装微型感应发电装置304，通过动叶片转动范围的磁感应线切割产生感生电动势驱动传感器。工作原理为利用转子旋转切割磁感应线，在线圈中产生感应电流，将感应电流通过整流滤波装置转化为稳定电流为传感器供能。在本发明中的具体实施方法是在分子泵动叶片周围安装线圈，在动叶片上安装微型磁子，当转子开始转动时磁子被带动切割磁感应线产生电流。具体的方式是，当分子泵开始工作后，转子带动动叶片转动，高速旋转切割磁感应线，在发电装置中产生感应电流，经其内部整合的整流滤波装置转化为可供传感器使用的电流。本改进例的优点是能保证传感器的供能与正常工作，由于采用了有源传感器，压力传感器的选择使用范畴可以更为宽泛，如使用灯丝发射或冷阴极等需要更大功率的传感器。该方法相比传统有源传感器外联电源方案减省了多余的接线需求，保证了分子泵腔室的气密性，且大大减少了能耗。因此，本发明真空度测控装置的稳定性与本体性能均可优于常见的真空腔室外接真空规的设计。
在本发明中，无线传感器通过现场提供的无线信号与质谱仪控制主机实现数据传输。本发明应用的无线传感器或无源无线传感器需要内置发信装置，并在控制主机上安装配套的数据接收、处理软件，以便通过电子屏幕实时监控真空度变化。进一步的，可以将压力传感器信号处理软件与质谱数据分析软件整合，实现多种功能。
本发明提出一种内置真空传感器的便携式仪器分子泵，其可供便携式质谱仪进一步缩小体积，同时达到对内部真空度更实时精准的监控，保障仪器的安全性。为实现上述功能及其他相关功能，本发明提供一种基于无源无线传感器的微型测控功能系统，可以实现自我供能、自动工作，可被安装在真空环境内，减少质谱仪本体真空密封性设计成本，对质谱仪的小型化、便携化设计非常有意义。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
1.一种内置真空传感器的便携式仪器分子泵，其特征在于，包括涡轮分子泵、压力传感器、感应发电装置以及无线传输模块，其中：
压力传感器设置有多个，多个压力传感器设置在涡轮分子泵的腔室内侧；
所述感应发电装置依靠涡轮分子泵内部的叶片转动的能量感应发电，感应发电装置为所述压力传感器供能；
无线传输模块将压力传感器测定的数据传输至质谱仪控制主机。
2.根据权利要求1所述的内置真空传感器的便携式仪器分子泵，其特征在于，所述涡轮分子泵包括中轴固定的转子，转子上固定有动叶片，涡轮分子泵外壳内表面设置有定叶片，动叶片和定叶片沿转子周向方向间隔分布。
3.根据权利要求2所述的内置真空传感器的便携式仪器分子泵，其特征在于，所述压力传感器设置在涡轮分子泵的内表面且与定叶片、动叶片无接触。
4.根据权利要求1所述的内置真空传感器的便携式仪器分子泵，其特征在于，还包括用于抽取真空的前级泵。
5.根据权利要求1所述的内置真空传感器的便携式仪器分子泵，其特征在于，所述压力传感器至少设置有两个，且压力传感器在气流运动方向上具有间隔。
6.根据权利要求1所述的内置真空传感器的便携式仪器分子泵，其特征在于，所述压力传感器包括气压测定元件和无线发信器，气压测定元件将测得的数据通过无线发信器传输到质谱仪的控制主机中。
7.根据权利要求2所述的内置真空传感器的便携式仪器分子泵，其特征在于，所述动叶片、定叶片与中轴的轴向方向垂直。
8.根据权利要求2所述的内置真空传感器的便携式仪器分子泵，其特征在于，在所述动叶片上安装微型磁铁，在动叶片附近空余的位置安装磁感应线圈。
9.根据权利要求8所述的内置真空传感器的便携式仪器分子泵，其特征在于，还包括整流滤波器，磁感应线圈中产生的电流经整流滤波器整合，形成稳定电流为压力传感器供能。
10.根据权利要求1所述的内置真空传感器的便携式仪器分子泵，其特征在于，所述无线传输模块包括蓝牙、nfc或者wifi。
技术总结