CN103196803B - 固体颗粒物浓度分析装置的信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固体颗粒物浓度分析装置的信号处理方法，其中，所述固体颗粒物浓度分析装置具有发射单元和反射单元，所述发射单元包括中央处理模块、半导体发光器件及传感模块，所述反射单元包括被驱动模块驱动而转动的反射部件，所述反射部件转动周期为T0，所述传感模块每次采样的周期为T2，包括如下步骤：所述发射单元驱动半导体发光器件发射出测量光束，该测量光束穿过被测环境后，由所述反射部件将测量光束反射至所述发射单元的传感模块，进行光电转换后送中央处理模块进行数据处理；在数据采样中，T2与T0满足下面关系：T2＝N1*T0+N2*ΔT，其中，N1、N2为正整数，ΔT为平台信号建立时间。

Description

固体颗粒物浓度分析装置的信号处理方法

【技术领域】

本发明涉及固体颗粒物浓度分析装置，更确切的说，涉及一种固体颗粒物浓度分析装置的信号处理方法。

【背景技术】

与本发明相关的现有技术，请参阅图1及图2所示，目前现有的固体颗粒物浓度分析装置主要包括发射单元1、反射单元2、连接所述发射单元1与反射单元2的连接单元3以及吹扫单元4。发射单元1由人机界面、中央处理模块、半导体激光器10、传感器11、12和精密光学元件等器件组成，主要实现半导体激光发射、传感信号处理和人机交互等功能，发射单元1通过连接锁箍与连接单元连接3，连接单元仪表由吹扫接口、光路调整机构和安装法兰等组成；反射单元2由反射部件、密封镜及固定装置，反射单元的主要功能是准确地将发射单元发出的激光束反射至发射单元的传感器；另外，在恶劣的现场测量环境下，为了保证固体颗粒物浓度分析装置能够长期连续运行，固体颗粒物浓度分析装置需用干净的吹扫气体对发射和反射单元上的光学视窗进行吹扫，避免测量环境中粉尘或其它污染物对视窗造成污染影响测量。固体颗粒物浓度分析装置的工作过程为：发射单元1驱动半导体激光器发射出探测激光，穿过被测环境后，由反射单元2的反射部件20将激光束反射至发射单元1的传感模块11，进行光电转换后经中央处理模块分析，计算得到测量结果。但是，由于发射装置中只有反射部件、密封镜及固定装置，正常工作时，反射部件是固定的，只是将进入到反射端的入射光按照要求反射回去，不作任何处理。同时，反射面的各点的反射效率相差较大，测量光束打到反射面不同的点反射回的光强就会有较大的区别；另外，反射部件固定，入射光入射角不一样时，反射光的角度也会发生变化；这两方面的因素对于位置相对固定的传感器来说，接收的光强都会发生变化。这样一来当该装置的反射部分受到震动影响时，一方面反射光的角度将随着震动而发生变化；另一方面，光束的反射点位置也会随着震动而发生变化，从而导致位置相对固定的测量传感器的信号发生变化，进而影响透过率的测量结果。因此该种测量方法抗外界扰动能力比较差，会导致测量结果产生较大的波动。特别是在用于各类火电、化工等行业的颗粒物检测时，环境是比较恶劣的，各种震动相关的因素常有的情况下，该种方法不利于准确测量，会存在较大的测量误差。

请参阅图3所示，为了解决上述问题，目前市场上出现了另一种固体颗粒物浓度分析装置，其与上述固体颗粒物浓度分析装置的主要区别在于，在反射单元中，不仅含有反射部件、密封镜，还包含旋转马达及马达驱动器，反射部件固定在旋转马达的轴上，可以同旋转马达一起旋转。正常工作时，反射部件不再是固定的，而是以一定速度匀速转动。在该方法中，反射端主要通过旋转马达带动发射单元匀速转动，对于反射光起到了均化的作用。对于发射端来说，仍然由发射端的中央处理模块控制测量光束的发射并对参考光及测量的光束进行采样分析计算，最终获取透过率、消光度、粉尘浓度。且该方法中，数据采集部分独立控制并且独立处理，同反射单元的没有直接的关系。

为了说明上述固体颗粒物采样装置采样方法的缺陷，请一并参阅图4所示，我们进行进一步说明。反射部件的平面区间等分成A、B、C、D4个区，由于该反射部件的转动周期约为T mS，这样每个区间在反射部件匀速转动时对应的时间T/4mS。如果数据采样的周期为T/4，每次的有效采样数据只占了整个反射平面的1/4，加上每次采样的起点是不太容易确定的，每次采样落的区间可能落在任何一个区间，不妨设为首次采样的有效数据落在A区，余下部分采样分别落在B、C、D区。对于反射平面上不同区域而言，反射的效率差别较大。这样一来由于采样的有效数据落在不同的区间，从而导致了测量结果同样会出现较大波动，进而影响了测量结果的准确性。

【发明内容】

本发明解决的技术问题是克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种测量值波动较小、测量结果更为准确的固体颗粒物浓度分析装置的信号处理方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种固体颗粒物浓度分析装置的信号处理方法，其中，所述固体颗粒物浓度分析装置具有发射单元和反射单元，所述发射单元包括中央处理模块、半导体发光器件及传感模块，所述反射单元包括被驱动模块驱动而转动的反射部件，所述反射部件转动周期为T0，所述传感模块每次采样的周期T2，所述处理方法包括如下步骤：所述发射单元驱动半导体发光器件发射出测量光束，该测量光束穿过被测环境后，由所述反射部件将测量光束反射至所述发射单元的传感模块，进行光电转换后送中央处理模块进行数据处理；在数据采样中，T2与T0满足下面关系：T2＝N1*T0+N2*ΔT，其中，N1、N2为正整数，ΔT为平台信号建立时间。

T2与T0满足下面关系T2＝N*T0+ΔT，N＝N1、N2＝1。

T2与T0满足下面关系T2＝N(T0+ΔT)，N＝N1＝N2。

每采样T2时间后，进行数据处理，数据处理完毕后进行下次数据采样。

数据处理时剔除掉信号建立阶段采样的若干数据。

所述半导体发光器件包括半导体激光器和发光二极管。

所述固体颗粒物浓度分析装置为在线分析装置。

对采样获得的数据用累加平均滤波的方法进行处理。

对采样得到的每个通路高低电平对应的AD数据进行相减处理，将相减后得到的有效数据进行排序，剔除掉最大的m个和最小的m个数据，m＜M/2，采用中间的数据进行处理，M为有效数据的总数。

对采样获得的数据采用加权平均滤波方法处理。

与现有技术相比，本发明通过让传感模块的采样周期大于或者等于所述反射部件的转动周期，使得每次采样到的数据至少覆盖了反射部件的一个圆周，从而进一步降低了测量值的波动，提高了测量的准确度。

【附图说明】

图1是现有的固体颗粒物浓度分析装置的光学原理框图；

图2是现有的固体颗粒物浓度分析装置的系统组成框图；

图3是现有技术中另外一种固体颗粒物浓度分析装置的系统组成框图；

图4是图3所揭示的固体颗粒物浓度分析装置中反射部件的反射面的结构示意图；

图5是本发明所揭示的一种固体颗粒物浓度分析装置的信号处理方法的工作流程图；

图6是本发明所揭示的正常测量方式一的测量流程图；

图7是本发明所揭示的正常测量方式一种同步采样1流程图；

图8是本发明所揭示的正常测量方式一种同步采样2流程图；

图9是本发明所揭示的正常测量方式二的测量流程图；

图10是本发明所揭示的正常测量方式二的数据同步采样流程图；

图11是本发明所揭示的正常测量方式一的工作时序图；

图12是本发明所揭示的正常测量方式二的工作时序图。

【具体实施方式】

本发明揭示了一种固体颗粒物浓度分析装置的信号处理方法，其中，所述固体颗粒物浓度分析装置(通常为在线分析装置)，包括发射单元、反射单元、连接所述发射单元与反射单元的连接单元以及吹扫单元。发射单元由人机界面、中央处理模块、半导体发光器件(如半导体激光器、发光二极管等)、传感器和精密光学元件等器件组成，主要实现测量光束发射、传感信号处理和人机交互等功能，发射单元通过连接锁箍与连接单元连接，连接单元仪表由吹扫接口、光路调整机构和安装法兰等组成；反射单元包括反射部件、密封镜、旋转马达及马达驱动器，反射部件固定在旋转马达的轴上，可以同旋转马达一起旋转，反射单元的主要功能是准确地将发射单元发出的激光束反射至发射单元的传感器；另外，在恶劣的现场测量环境下，为了保证固体颗粒物浓度分析装置能够长期连续运行，固体颗粒物浓度分析装置需用干净的吹扫气体对发射和反射单元上的光学视窗进行吹扫，避免测量环境中粉尘或其它污染物对视窗造成污染影响测量；所述反射装置的反射部件的转动周期设为T0，发射端数据采样的周期设为T2。本发明所揭示的一种固体颗粒物浓度分析装置的信号处理方法的主要技术构思在于：在数据采样中，T2与T0满足下面关系T2＝N1*T0+N2*ΔT，其中，N1、N2为正整数，ΔT为平台信号建立时间，T0为反射装置转动周期；数据处理时，剔除掉N2*ΔT时间内采样的数据或者直接丢弃不采样。T2与T0的上述关系，简化形式包括但不尽限于：T2＝N*T0+ΔT；T2＝N(T0+ΔT)。其中第一种T2＝N*T0+ΔT是指在系统数据采样过程中，首先同步采样ΔT时间内的数据，然后再连续采样反射装置转动周期T0正整数倍的数据作为处理的有效数据。第二种T2＝N(T0+ΔT)是指在系统数据采样过程中，每次采样时间都为T0+ΔT，计算得到一有效数据，采样N次，然后将每次得到的有效数据进行计算处理。其中，对于T0直接采用测量的方式获取，然后利用上位机或者手持终端通过通讯的方式设定即可。默认值为经验值。对于其中的ΔT，可以通过利用示波器或者上位机或者手持终端通过通讯的方式获取原始波形，通过分析波形特点即可获取ΔT。然后利用上位机或者手持终端通过通讯的方式设定即可。默认值为经验值。

下面结合附图对本发明进行详细的说明。

请参阅图5所示，本发明所揭示的一种固体颗粒物浓度分析装置的信号处理方法的工作流程如下：

步骤S1：系统初始化。初始化系统的相关资源，具体包含如下内容：1、EEPROM、FLASH、RAM的地址映射；2、口线、PWM、A/D、串口通讯等模组等硬件资源配置；3、全局变量、全局标志初始化。

步骤S2：系统自检。系统自检，主要检测关键的硬件资源是否满足要求。主要自检的内容有EEPROM、A/D、D/A、电流/电压源等关键器件。该部分工作在硬件工作正常后，通过控制电流/电压源，使得半导体发光器件的功率工作于设定的功率要求。自检完成后，返回系统的状态。

步骤S3：是否存在故障判断。通过检测系统自检返回的状态，来判断系统是否工作在故障模式。如果为真，那么进入故障工作模式；否则进入正常测量模式。

步骤S4：正常测量。系统自检正常后即可以进入正常测量模式。在正常测量模式中，主要完成数据的同步采样、相关检测和数据处理。对应不同的方法，正常测量的方式也对应不同。具体可以参见后文S4A和S4B的相关描述。

步骤S5：故障处理。系统自检后，如果出现异常，那么将进入故障处理模式。在故障处理模式中，将关闭电流/电压源的输出、对半导体发光器件进行保护、仪器故障指示继电器动作、模拟通道输出2mA表征仪器故障、发送仪器报警码。一旦进入该工作模式，系统将始终处于故障处理模式中，直到用户处理好故障并重新上电才可以退出该模式。

请一并参阅图6所示，对上述系统正常测量方式一S4A：T2＝N*T0+ΔT进行详细说明。在该种测量方式中，所述发射端对于半导体发光器件的调制电流/电压波形和数据同步的采样波形请一并参阅图11所示，其中，调制的方波周期为T。系统首先同步采样ΔT时间的测量通道及参考通道数据，该部分的时间作为平台信号的建立时间，一般不参与计算，此处保留，作为原始信号，可以用于诊断仪器是否工作正常的原始波形数据。然后同步连续采集N*T0时间的数据作为系统分析和计算的有效数据。采样完成后，进入T1时间段，在该部分的时间内主要进行数据分析和计算。具体描述请参见下文步骤S4A1到S4A7。

步骤S4A1：启动周期为T的方波。开始启动周期为T的方波，也即开启电流/电压源的调制波形，开始给半导体发光器件提供经过调制的电流/电压源。半导体发光器件开始发出光束。周期T的设计主要考虑要求可以去除杂散光对于测量的影响同时兼顾数据采样的时间、数据处理时间以及相关部分处理时间。

步骤S4A2：数据同步采样1，采样的总时间(ΔT)。在平台信号建立时间ΔT内采样，该部分的数据主要分析系统工作情况和调试时使用，数据不仅采样而且保存，但一般不参与数据分析和计算。该部分数据采样要求于调制信号保持同步，具体请参阅见图7及步骤S4A21-S4A27。在经过ΔT时间后，平台信号稳定，将开始进入跟反射装置的同步采样阶段，参见后文描述。

步骤S4A3：同步周期计数器n＝0。该计数器主要用于记录同步采样了多少个T0周期的数据，同时用于确定采样的时间计算。此处初始化清零。

步骤S4A4：数据同步采样2，采样的总时间(T0)，返回Dn，n加1。进入该阶段时，平台信号已经稳定，继续进行测量通道信号和参考通道信号的数据采集，并对采集到的数据进行处理，得到一有效数据Dn，并且同步周期计数器n加1，对采样周期进行记录。该部分是有效原始数据采样的关键部分，此步骤具体流程详见图8及步骤S4A41-S4A48。

步骤S4A5：n＜采样总周期数N。判断同步采样周期计数是否达到了设定的采样总周期数N，如果没有达到，则重新进入S4A4步进行采样；如果达到了设定的采样总周期数N，则进入S4A6。总周期数N表征仪器数据采集分析的响应速度。对外特性为系统的响应时间。N的取值越大，系统的响应时间越长，同时由于参与运算的数据也越多，有更好的滤波效果。该参数N可以通过上位机或者手持终端通过通讯的方式设定和读取。默认值为经验值。

步骤S4A6：停止周期为T的方波。数据采样结束，将方波信号停止，准备进行数据计算。

步骤S4A7：对数据D1，D2...Dn进行处理分析计算。

对前面采样处理得到的数据D1，D2...Dn进行处理，得到最终的结果。

对于该部分数据的处理根据不同的响应速度要求可以分别采用如下方法：

采用累加平均滤波的方法进行处理，计算公式：

采用先排序，再扣除m个最小值和最大值，m＜M/2，然后对余下的部分数据，采用累加平均滤波的方法进行处理，M为有效数据的总数。

采用加权平均滤波方法处理，计算公式：

步骤S4A21：采样数据计数器i＝0。

在数据同步采样1开始时，将采样计数器i清零，i用来计算采样周期为T的方波的周期数，也即是用来确定总体采样时间的计数器。周期T采用定时器的方式来实现，定时器的的定时时间为T/2。

步骤S4A22：调制方波处于高电平。

在周期为T/2的时间中断中，将调制驱动方波输出设置为高。

步骤S4A23：采集测量通道信号(Dh[i])及参考通道信号(Rh[i])并保存。在方波输出为高时，触发A/D对测量通道和参考通道两路信号的进行同时采样，并将测量通道的采样信号保存在Dh[i]中，将参考通道的采样信号保存在Rh[i]中。

步骤S4A24：调制方波处于低电平。在周期为T/2的时间中断中，将调制驱动方波输出设置为低。

步骤S4A25：采集测量通道信号(Dl[i])及参考通道信号(Rl[i])并保存。在方波输出为低时，触发A/D对测量通道和参考通道两路信号的进行采样，并将测量通道的采样信号保存在Dl[i]中，将参考通道的采样信号保存在Rl[i]中。

步骤S4A26：i＝i+1。将采样计数器i加1。

步骤S4A27：i是否小于M1。判断i是否小于M1，M1等于(ΔT/T+0.5)进行取整后获得的常量。M1表示该平台信号建立所需要延迟的周期为T的周期总数。如果i小于M1，则跳转到S4A22步，继续执行循环，否则退出。

步骤S4A41：采样数据计数器i＝M1，DhA＝0，DlR＝0，RhA＝0，RlA＝0。数据同步2采样入口，采样数据计数器i的初始值为M1，并将DhA＝0，DlA＝0，RhA＝0，RlA＝0；DhA用来保存每次测量通路方波为高电平时测量信号的累加值；DlA用来保存每次测量通路方波为低电平时测量信号的累加值；RhA用来保存每次参考通路方波为高电平时测量信号的累加值；RlA用来保存每次参考通路方波为低电平时测量信号的累加值。

步骤S4A42：调制方波处于高电平。在周期为T/2的时间中断中，将调制驱动方波输出设置为高。

步骤S4A43：采集测量通道信号(Dh)及参考通道信号(Rh)并DhA＝DhA+Dh，RhA＝RhA+Rh。在驱动方波为高电平时进行测量通道和参考通道两路信号的采样，并将采样的信号值进行累加分别存放在DhA和RhA中。

步骤S4A44：调制方波处于低电平。在周期为T/2的时间中断中，将调制驱动方波输出设置为低。

步骤S4A45：采集测量通道信号(Dl)及参考通道信号(Rl)并DlA＝DlA+Dl，RlA＝RlA+Rl。在驱动方波为低电平时进行测量通路和参考通路两路信号的采样，并将采样的信号值进行累加分别存放在DlA和RlA中。

步骤S4A46：i＝i+1。将采样计数器i加l。

步骤S4A47：i是否小于(M1+M2)。判断采样计数器i是否小于(M1+M2)，如果小于，则进入S4A42步，否则进入S4A48步。M2为(T0/T+0.5)取整后的值。M2表征同步采样需要采样的点数，也即反射装置之匀速转动一周均匀同步采样的点数。

步骤S4A48：对DhA，DlA，RhA，RlA处理得到Dn。利用计算公式计算获取Dn，其中n为同步周期计数器，该计数器主要用于记录同步采样了多少个T0周期的数据。

请一并参阅图9所示，对上述系统正常测量方式二S4B：T2＝N(T0+ΔT)进行详细说明。

在该种测量方式中，所述发射端对于半导体发光器件的调制调流波形和数据同步的采样波形请参见图12所示，其中，调制的方波周期为T。系统每次采样T0+ΔT时间测量通道及参考通道数据，ΔT时间作为平台信号的建立时间，一般不参与计算。采样完成后，进入T1时间段，在该部分的时间内主要进行数据分析和计算。总共进行N次这样的采样处理，采样完成后，对数据进行分析。

步骤S4B1：同步周期计数器n＝0。该计数器主要用于记录同步采样了多少个T0+ΔT周期的数据，同时用于确定采样的时间计算。此处初始化清零。

步骤S4B2：启动周期为T的方波。将方波输出使能，也即开启电流/电压源的调制波形，开始给半导体发光器件提供经过调制的电流/电压源。半导体发光器件开始发出光束。

步骤S4B3：数据同步采样，采样的总时间(T0+ΔT)。持续进行T0+ΔT时间的反射光和参考光数据采集，并对采集到的数据保存，此步骤具体流程详见图10及步骤S4B31-S4B37。

步骤S4B4：停止周期为T的方波。停止方波输出，准备数据处理。

步骤S4B5：对采样的数据进行平均处理，得到一有效数据Dn，n加1。对采样的数据进行处理，将前ΔT时间内的采样数据去除，采用ΔT时间以后的数据。分别对测量通路和参考通路信号高低电平采样值作差再求和，两路求和信号进行相除得到Dn，同时n加1。具体计算公式：

公式中M0为(ΔT/T+0.5)取整后的值，表征平台建立时间对应的采样周期T的总数；M3为((T0+ΔT)/T+0.5)取整后的值，M3表示该平台信号建立所需要延迟时间及有效数据信号采集T0时间总和对应的周期为T的周期总数。

步骤S4B6：n＜采样总周期数N。判断同步周期计数值n是否小于设定的采样总周期数N，如果小于则返回步S4B2，否则进入步S4B7。N为采样总的周期，该参数表征仪表的响应时间，该参数N可以通过上位机或者手持终端通过通讯的方式设定和读取。默认值为经验值。

步骤S4B7：对数据D1，D2...Dn进行处理分析计算。对得到的数据D1，D2...Dn进行计算，得出最终的结果。具体可以采用的实现方法可参见S4A7，在此不在赘述。

步骤S4B31：采样数据计数器i＝0。采样方法二的同步采样入口，首先对采样数据计数器i清零。采样数据计数器用来统计采样周期为T的方波的周期数。

步骤S4B32：调制方波处于高电平。在周期为T/2的时间中断中，将调制驱动方波输出设置为高。

步骤S4B33：采集测量通道信号(Dh[i])及参考通道信号(Rh[i])并保存。在方波输出为高时进行测量通道和参考通道两路信号的采样，并将测量通道的采样信号保存在Dh[i]中，将参考通道的采样信号保存在Rh[i]中。

步骤S4B34：调制方波处于低电平。在周期为T/2的时间中断中，将调制驱动方波输出设置为低。

步骤S4B35：采集测量通道信号(Dl[i])及参考通道信号(Rl[i])并保存。在方波输出为低时进行测量通道和参考通道两路信号的采样，并将测量通道的采样信号保存在Dl[i]中，将参考通道的采样信号保存在Rl[i]中。

步骤S4B36：i＝i+1。完成了一个T周期方波采样，将采样数据计数器加1。

步骤S4B37：i是否小于M3。判断采样数据计数器是否小于M3，如果小于，则返回步S4B32，否则退出。M3等于((ΔT+T0)/T+0.5)进行取整后获得的常量。M3表示该平台信号建立所需要延迟时间及有效数据信号采集T0时间总和对应的周期为T的周期总数。

本发明的关键在于：通过保证使反射部件转动周期T0与发射端数据采样周期T2满足下面关系T2＝N1*T0+N2*ΔT，从而使得每次采样到的数据至少覆盖了反射部件的一个圆周，进而降低了测量值的波动，提高了测量的准确度。

需要指出的是，上述实施方式不应理解为对本发明保护范围的限制。在不脱离本发明精神的情况下，对本发明作出的任何形式的改变均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种固体颗粒物浓度分析装置的信号处理方法，其中，所述固体颗粒物浓度分析装置具有发射单元和反射单元，所述发射单元包括中央处理模块、半导体发光器件及传感模块，其特征在于：所述反射单元包括被驱动模块驱动而转动的反射部件，所述反射部件转动周期为T0，所述传感模块每次采样的周期为T2，所述处理方法包括如下步骤：所述发射单元驱动半导体发光器件发射出测量光束，该测量光束穿过被测环境后，由所述反射部件将测量光束反射至所述发射单元的传感模块，进行光电转换后送中央处理模块进行数据处理；在数据采样中，T2与T0满足下面关系：T2=N1*T0+N2*ΔT，其中，N1、N2为正整数，ΔT为平台信号建立时间。

2．根据权利要求1所述的固体颗粒物浓度分析装置的信号处理方法，其特征在于：T2与T0满足下面关系T2=N*T0+ΔT，N=N1、N2=1。

3．根据权利要求1所述的固体颗粒物浓度分析装置的信号处理方法，其特征在于：T2与T0满足下面关系T2=N(T0+ΔT), N=N1=N2。

4．根据权利要求1-3中任一项所述的固体颗粒物浓度分析装置的信号处理方法，其特征在于：每采样T2时间后，进行数据处理，数据处理完毕后进行下次数据采样。

5．根据权利要求1-3中任一项所述的固体颗粒物浓度分析装置的信号处理方法，其特征在于：数据处理时剔除掉信号建立阶段采样的若干数据。

6．根据权利要求1-3中任一项所述的固体颗粒物浓度分析装置的信号处理方法，其特征在于：所述半导体发光器件包括半导体激光器和发光二极管。

7．根据权利要求1-3中任一项所述的固体颗粒物浓度分析装置的信号处理方法，其特征在于：所述固体颗粒物浓度分析装置为在线分析装置。

8．根据权利要求1-3中任一项所述的固体颗粒物浓度分析装置的信号处理方法，其特征在于：对采样获得的数据用累加平均滤波的方法进行处理。

9．根据权利要求1-3中任一项所述的固体颗粒物浓度分析装置的信号处理方法，其特征在于：对采样获得的数据采用加权平均滤波方法处理。