CN101487786A - 可吸入粉尘浓度测量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可吸入粉尘浓度测量传感器。包括半导体激光光源，在光束前进方向上，依次设有非球面镜、入射光阑、消光光阑、光敏区、球面反射镜、出射光阑、和光陷阱；消光光阑为长管状，光阑口位置接近光敏区；置于消光光阑右侧的球面反射镜，其位置使光敏区和光电探测器光敏面的位置分别在球面反射镜球心附近的两侧，并满足几何光学的物像关系；光电探测器采用高灵敏度的光电二极管；气路中的采样气嘴相对于光敏区对称分布。本发明以粒子群的散射光能量总和来计算可吸入粉尘的质量浓度，测量更精确，而且不受单位体积内粒子总数的限制，应用广泛；光路上设置了三个光阑，传感器的信噪比大大提高；噪声低，浓度测量电路采用积分的方法，测量更稳定、准确。

Description

可吸入粉尘浓度测量传感器

技术领域

本发明涉及一种空气洁净度检测设备，特别是一种可吸入粉尘浓度测量传感器。

背景技术

在先技术中，可吸入粉尘浓度测量传感器所采用的技术方案，如中国科学院上海光学精密机械研究所黄惠杰等人在2000年9月20日申请的实用新型专利“激光粉尘测量仪光学探头”(专利号为99251922.5)，它采用光轴相互垂直的散射光收集光路和照明光路，两光轴的交点是光敏感区的中心点，在照明光路上，沿着以半导体激光器作光源发射的光束前进方向上，依次设置准直透镜、焦点与光敏区中心点重合的柱面透镜、光敏区和光陷阱。在散射光收集光路上，光敏区的两侧分别有光电探测器和凹面反射镜。样气通道垂直于两光轴构成的平面。现有技术存在的主要问题是：1、光路上没有设置光阑，不可避免造成传感器信噪比降低。2、采用粒子计数方式测量粉尘质量浓度本身存在很大的局限，它对测量对象有一定的要求，即单位体积内的粒子数不能超过一定值，一般用于比较洁净环境下粉尘质量浓度的测量。当被测环境中的粉尘颗粒浓度增加时，出现两个或多个粒子同时出现在传感器光敏区的情况，测量就会产生极大的误差。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术中的不足，提供一种结构简单、信噪比高、灵敏度高的可吸入粉尘浓度测量传感器。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种可吸入粉尘浓度测量传感器，其特征在于：它包括：一个发出发散激光束的半导体激光光源，在该激光光源发出的光束前进方向上，依次设有非球面镜、入射光阑、消光光阑、光敏区、出射光阑、和光陷阱；消光光阑为长管状，光阑口位置接近光敏区；经过光敏区且与光路垂直的方向上设有球面反射镜和光电探测器，光敏区和光电探测器光敏面的位置分别在球面反射镜球心附近的两侧，并满足几何光学的物像关系；光电探测器[11]采用高灵敏度的光电二极管；电路与光电探测器相连并固定于支架两面；气路中的进气嘴、出气嘴相对于光敏区对称分布。

本发明与现有技术相比其显著的优点是：1、采用光度计粉尘浓度测量法，以粒子群的散射光能量总和来计算可吸入粉尘的质量浓度，测量更精确而且没有了单位体积内的粒子总数的限制，应用更加广泛；2、光路上设置了三个光阑，传感器的信噪比大大提高；3、激光光束的会聚点在光敏区与光陷阱之间，使光敏区处光强沿轴向的分布更均匀，测量也更为准确；4、前置放大电路采用低噪声、低温漂、带宽为100Hz-30KHZ的跨导放大器，有效地抑制了噪声；5、浓度测量电路采用积分的方法实现测量，使测量更稳定、准确。

附图说明

图1是本发明的可吸入粉尘浓度测量传感器的结构示意图。

图2是本发明的可吸入粉尘浓度测量传感器的剖视图。

图3是本发明的信号处理电路的框图。

具体实施方式

结合图1、图2，本发明可吸入粉尘浓度测量传感器是一个直角散射型光学系统，包括照明系统、散射光收集系统、气路系统。照明系统由半导体激光器1、非球面镜2、入射光阑3、消光光阑4、出射光阑7、光陷阱8组成，半导体激光器1发出发散光束经过短焦距非球面镜2二维聚焦，会聚点在光敏区5的后面，以此保证光敏区5沿轴向光强的均匀，光敏区5处光束的宽度是气嘴9宽度的两倍，保证光敏区5与轴向垂直方向上光强的均匀。激光光束穿过光敏区5后进入光陷阱8，并被光陷阱8吸收掉。其中，照明光路中入射光阑3、出射光阑7皆为喇叭形，保持尖锐角度，既可以防止杂散光的产生，又可以消除光路上的杂散光，可大大提高传感器的信噪比。消光光阑4为长管状，将激光包在其中，其出口位置接近光敏区5，与出射光阑7相对于光敏区5对称，以保证只有在光敏区的粒子才可以被照亮，以满足大浓度测量的要求。散射光收集系统主要由球面反射镜6和光电二极管11组成，光敏区5光电二极管11分别位于球面反射镜6的球心两侧，并满足几何物象关系。与当被测气流通过光敏感区5时，其中的粒子产生的散射光的一部分直接进入光电二极管11，另一部分经过球面反射镜6反射后会聚在光电二极管11的光敏面上，光电二极管11和信号处理电路12分别固定在支架13的两面，支架13可以相对于光敏区5上下移动，达到最佳效果时固定并密封。气路系统主要由进气嘴9、排气嘴10构成。抽气泵将外界被测空气通过进气嘴9吸入光学传感器内，使带有被测粒子的采样气流通过光敏感区5，以得到粒子的散射光信号。进气嘴9、排气嘴10完全相同，都是扁平气嘴，其外尺寸为1.3*0.6mm，两个气嘴相对光敏区5对称分布，相距5mm。结合图3，信号处理电路[12]由前置放大电路、浓度测量电路、AD转换、单片机处理电路、LCD显示、RS232数据传输模块和CF卡数据存储模块组成，前置放大电路的带宽为100Hz-300KHz，能有效抑制噪声。而且整个传感器外壳接地，有效地抑制了外界50Hz交流电的干扰。浓度测量采用积分的方法，能够使测量更稳定、准确。积分时间的选取：为避开50Hz的干扰，积分周期为20ms，即将50Hz的交流电也整周期积分，积分结果为零。积分参数的选取：由 $V_o=-\frac{1}{\mathrm{RC}}\∫V_{\mathrm{in}}\mathrm{dt}$ ，当积分饱和是的电压为3.3V，则选取R＝300K，C＝0.01uF，在积分时间内积分信号不饱和，将1s内50次积分信号经AD转换后相加，即作平均。

本实施例的粉尘质量浓度的测试范围为0.01～20mg/m³，采样流量为1.5～3L/min(具体流量视气泵情况决定)，可测粒径动态范围为0.3～10μm.本发明与TSI公司的AM510做对比实验，误差小于0.01mg。体积小，结构简单，成本低，性能先进。

Claims (5)

1、一种可吸入粉尘浓度测量传感器，其特征在于：它包括：一个发出发散激光束的半导体激光光源[1]，在该激光光源[1]发出的光束前进方向上，依次设有非球面镜[2]、入射光阑[3]、消光光阑[4]、光敏区[5]、出射光阑[7]、和光陷阱[8]；消光光阑[4]为长管状，光阑口位置接近光敏区[5]；经过光敏区[5]且与光路垂直的方向上设有球面反射镜[6]和光电探测器[11]，光敏区[5]和光电探测器[11]光敏面的位置分别在球面反射镜[6]球心附近的两侧，并满足几何光学的物像关系；光电探测器[11]采用高灵敏度的光电二极管；电路[12]与光电探测器[11]相连并固定于支架[13]两面；气路中的进气嘴[9]、出气嘴[10]相对于光敏区[5]对称分布。

2、根据权利要求1所述的可吸入粉尘浓度测量传感器，其特征在于：入射光阑[3]、出射光阑[7]呈喇叭状，方向相对，保持尖锐角度，光阑靠近光敏区的表面进行哑光处理。

3、根据权利要求1或2所述的可吸入粉尘浓度测量传感器，其特征在于光电探测器[11]的位置可以随支架[13]上下调节，达到最佳状态时固定并密封。

4、根据权利要求1或2所述的可吸入粉尘浓度测量传感器，其特征在于信号处理电路[12]由前置放大电路、浓度测量模块、AD转换、单片机数据处理电路、LCD显示、RS232数据传输模块和文件存储模块组成。

5、根据权利要求4所述的可吸入粉尘浓度测量传感器，其特征在于信号处理电路[12]的前置放大的带宽为100Hz-300KHz，并且加上了电磁屏蔽。

Images