CN104062211A - 空气粉尘的快速测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种空气粉尘的快速测量装置，包括光学传感器，信号放大电路，AD转换电路，微处理器和3G无线通信模块，光学传感器根据空气中的粉尘粒子浓度输出电信号给信号放大电路；信号放大电路对该电信号进行多级放大和滤波处理；AD转换电路对经信号放大电路处理后的电信号进行模数转换；微处理器对经数模转换后的电信号进行算法处理，将粉尘粒子浓度换算成粉尘浓度数据送给3G无线通信模块；3G无线通信模块将粉尘浓度数据无线发送给远程监控中心。本发明以光学传感器来检测空气中粉尘的数量和直径，同时采用单独的32位ARM处理器为控制核心，实现了对空气中粉尘的快速检测以及数据处理；本发明内置3G通信模块，可实现实时在线远程监测。

Description

空气粉尘的快速测量装置

技术领域

本发明涉及空气中粉尘浓度测量的技术领域，尤其是涉及一种空气粉尘的快速测量装置。

背景技术

环境问题已成为危害人们健康、制约经济发展和社会稳定的重要因素。随着社会经济的发展，环境问题已经作为一个不可回避的重要问题提上了各国政府的议事日程。保护环境、减轻环境污染、遏制生态恶化趋势成为政府社会管理的重要任务。我国环境保护目前形势更加严峻，环境污染和生态破坏严重制约了经济的可持续发展，影响了人类的生存环境。因此，必须加强对环境的监控力度，建立完善的监控、管理体系，环境(包括水质和大气)监测仪器既是环境信息的源头，又是环境质量评价、监控及环境科学管理的手段，为了预防环境污染，在环保部门和各个易引起环境污染的单位配备先进、智能在线监测仪器成为必然的要求。

目前在矿山开采、火力发电、水泥制造及玻璃制造等行业中，由于产品本身或者燃料使用及输运过程中存在有大量的尘埃粒子飘扬于空气中，给现场工作人员带来了极大的健康危害。这些行业的作业现场必须装备相应的除尘装置，当空气中尘埃浓度超标时，打开除尘装置进行除尘，而空气质量达标时则关闭除尘装置，以实现在保护环境的同时，达到节约能源、降低厂家成本的目标。

此外一些先进的制造行业如集成电路、生物制药等产品质量直接和制造车间的空气洁净度密切相关，在新的技术条件下，这些行业对空气洁净度的要求也越来越高，集成电路在1um技术工艺水平下，洁净度要求是10级(每立方英尺体积内含有0.5um粒径的尘埃粒子数在10个以内)，0.5um工艺技术，洁净度要求是1级甚至更高，而在0.25um技术工艺水平下，洁净度要求是0.1级以上，受控的最大颗粒直径则都要到0.1um以内。随着集成电路内建可靠性的广泛应用，适应于其洁净度要求的尘埃粒子计数器和粉尘浓度测定仪成为必须的测试仪器。

在技术水平不断提高的条件下，对空气粉尘测试仪器的要求也在不断提高，不仅要有其速度快、精度高、灵敏度高等特点，还要求具有使用寿命长，测量范围广、无二次污染、体积小等一些列其他指标要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种空气粉尘快速测量装置，利用光学传感器来检测空气中粉尘的数量和直径，同时采用单独的32位ARM处理器为控制核心，以实现对空气中粉尘的快速检测以及数据处理。

为实现上述目的，本发明提出如下技术方案：一种空气粉尘快速测量装置，包括光学传感器，信号放大电路，AD转换电路，微处理器和3G无线通信模块，所述信号放大电路包括前置放大电路、二级放大电路及信号滤波整形电路，所述光学传感器接入所述前置放大电路，用于根据空气中的粉尘粒子浓度输出电信号给所述前置放大电路；所述二级放大电路串接在所述前置放大电路和所述信号滤波整形电路之间，所述前置放大电路、二级放大电路及信号滤波整形电路依次对所述电信号进行前置放大、二级放大及滤波整形，并输出电压信号给所述AD转换电路；所述AD转换电路与所述信号滤波整形电路相连，用于对所述电压信号进行模数转换；所述微处理器与所述AD转换电路相连，用于对经数模转换后的所述电压信号进行算法处理，将所述粉尘粒子浓度换算成粉尘浓度数据送给所述3G无线通信模块无线发送出去。

更近一步地，所述测量装置还包括与微处理器相连的显示单元和存储单元，所述显示单元接收并显示所述粉尘浓度数据；所述存储单元用于存储所述粉尘浓度数据。

优选地，所述显示单元为LCM液晶显示单元，所述存储单元为SPIFLASH存储单元。

优选地，所述微处理器采用32位ARM处理器，所述32位ARM处理器可选用STM32F105处理器。

优选地，所述光学传感器包括半导体激光器，聚焦透镜，柱面透镜，粉尘采样通道，非球面短焦距透镜组，椭球反射镜，消光器和雪崩型光敏二极管，所述半导体激光器，聚焦透镜，柱面透镜及消光器从前往后依次在水平方向上同轴设置，且所述粉尘采样通道位于所述柱面透镜和所述消光器之间；所述非球面短焦距透镜组，椭球反射镜及雪崩型光敏二极管从上往下依次在竖直方向上同轴设置，且所述非球面短焦距透镜组、椭球反射镜分别位于所述粉尘采样通道的上游及下游；所述雪崩型光敏二极管位于所述非球面短焦距透镜组的上游，且所述雪崩型光敏二极管接入所述前置放大电路。

优选地，所述前置放大电路采用JFET结型场效应运算放大电路。

优选地，所述二级放大电路中选用LF357放大缓冲器。

更进一步地，所述3G无线通信模块将所述粉尘浓度数据无线发送给远程监控中心。

优选地，所述远程监控中心包括服务器，服务器内的数据库及WEB监控页面，以及监控端，所述服务器通过3G无线网络实时接收远程的所述空气粉尘的快速测量装置发来的数据结果，并将所述数据结果以WEB页面方式发布出来；所述监控端访问所述WEB页面，登录到所述WEB页面查看和获取相关区域的空气质量参数指标。

本发明采用以粉尘粒子在光束中产生的散射现象为原理的光学传感器，单独的32位ARM处理器，及3G无线传输网络，由光学传感器根据空气中的粉尘粒子浓度输出微弱的电信号，该电信号经过信号放大电路采集进AD转换电路的模拟/数字接口，进行数模转换，再由ARM处理器根据相应算法计算出数据结果，再在装置自带的液晶屏上显示出来，最后ARM处理器再通过3G通信模块将粉尘浓度数据实时发送到远程监控中心，实现空气粉尘的快速测量与远程监测。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明以光学传感器来检测空气中粉尘的数量和直径，同时采用单独的32位ARM处理器为控制核心，实现对空气中粉尘的快速检测以及数据处理。

2、本发明内置3G通信模块，可远程收发数据，实现手机或其他移动智能设备远程直接在线远程监测或控制本发明的快速测量装置；且本发明采用3G通信模块实现无线通信，也提高了装置的通信速度及通信稳定性。

3、本发明的粉尘测量装置使用元件减少，实现了装置的小型化及便携式，使得携带更方便且测量精度更高。同时也大大降低了装置的功耗，延长装置电池的工作时间。

附图说明

图1是本发明空气粉尘的快速测量装置的硬件结构示意图；

图2是本发明光学传感器的结构示意图；

图3是本发明信号放大电路的框图示意图；

图4是本发明远程监控中心的系统框架示意图。

附图标记：1、半导体激光器，2、聚焦透镜，3、柱面透镜，4、粉尘采样通道，5、非球面短焦距透镜组，6、椭球反射镜，7、消光器，8、雪崩型光敏二极管。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。

本发明所揭示的一种空气粉尘的快速测量装置，主要是针对空气污染严重的城市中空气粉尘参数的快速智能检测。

如图1所示，本发明揭示了一种空气粉尘的快速测量装置，包括光学传感器，信号放大电路，AD转换电路，微处理器和3G无线通信模块，本发明光学传感器根据空气中的粉尘粒子浓度输出微弱的电信号，该电信号经过信号放大电路采集进AD转换电路的模拟/数字接口，进行相应的数模转换，再由微处理器根据相应算法计算出数据结果，最后微处理器再通过3G无线通信模块将粉尘浓度数据实时发送到远程监控中心，实现空气粉尘的快速测量与远程监测。

如图2所示，所述光学传感器包括半导体激光器1，聚焦透镜2，柱面透镜3，粉尘采样通道4，非球面短焦距透镜组5，椭球反射镜6，消光器7和雪崩型光敏二极管8，其中，半导体激光器1，聚焦透镜2，柱面透镜3及消光器7从前往后依次在水平方向上同轴设置，且粉尘采样通道4位于柱面透镜3和消光器7之间。非球面短焦距透镜组5，椭球反射镜6及雪崩型光敏二极管8从上往下依次在竖直方向上同轴设置，且非球面短焦距透镜组5、椭球反射镜6分别位于粉尘采样通道4的上游及下游，雪崩型光敏二极管8位于非球面短焦距透镜组5的上游。

半导体激光器1作为本发明的发光光源，发射出激光，激光光源依次经过聚焦透镜2和柱面透镜3后，由点状光线变成一条线状光线，形成散射光脉冲信号，其横截面覆盖粉尘采样通道4。散射光脉冲信号经过雪崩型光敏二极管8的作用，最终线性地转化为相应幅度的电流信号来进行粉尘数量及直径的检测。

该光学传感器在专利CN2754061Y揭示的一种便捷式大流量激光粉尘测定仪光学传感器中已有详细介绍，这里便不再赘述。

由于光学传感器的雪崩型光敏二极管产生的电流信号较小，因此需要信号放大电路将此微弱的电流信号转换成相应幅度的电压信号。如图3所示，信号放大电路包括依次相连的前置放大电路、二级放大电路及信号滤波整形电路，前置放大电路与雪崩型光敏二极管相连，电流信号经过前置放大电路处理后转换成具有对应幅度的电压信号，本发明实施例中前置放大电路采用JFET结型场效应运算放大电路。

前置放大电路输出的电压信号比较稳定，但是其脉冲幅度较小，所以需要对其进行二级放大，电压信号经二级放大电路放大后输出信号稳定且幅度适合的电压信号，最后再经信号滤波整形电路的滤波整形后，则最终输出稳定的电压信号。

微处理器是整个装置的控制和数据处理中心，其主要负责空气粉尘参数模拟信号的转换、数据的解析处理、数据的存储、LCM的显示控制、3G通信的控制等。微处理器对AD转换电路输入的数据进行快速转换，然后再采用n极连分式算法与卡尔漫滤波算法，算出粉尘浓度数据，再对粉尘浓度数据进行打包处理，送入3G无线通信模块发送给远程监控中心。

与现有技术采用主、副双处理器方式对电压信号处理不同，本发明在装置中只接入一个处理器，即AD转换电路之后接入微处理器，这样使得本发明使用主要元件更少，实现装置的小型化便携式，测量携带更方便且测量精度更高，大大降低了装置功耗。在本发明实施例中，微处理器可选用STM32F105处理器。

如图1所示，本发明测量装置还包括显示单元和存储单元，显示单元接收并显示经微处理器处理得出的粉尘浓度数据；存储单元用于存储所述粉尘浓度数据。

显示单元可优选LCM液晶显示单元，存储单元可优选SPI FLASH存储单元。

与现有配置GPRS模块不同，本发明内置3G无线通信模块，该模块是本发明装置的无线通信单元，ARM处理器通过它可以将采集的结果数据实时发送给远程监控中心，以实现远程的在线实时监控功能。

如图4所示，为远程监控中心的系统框架图，远程监控中心包括服务器，数据库，WEB监控页面以及监控端，其中，服务器通过3G无线网络实时接收远程的空气粉尘的快速测量装置发来的数据结果，然后再将数据结果以WEB页面方式发布出来；数据库是远程监控中心与快速测量装置进行数据交换的中心。监控端可为移动手机或其他移动通信设备，用户通过监控端可以实时访问该WEB页面，直接登录到页面来查看和获取相关区域的空气质量参数指标，且此种方式不受设备平台或操作系统平台的限制。

本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种空气粉尘的快速测量装置，其特征在于，包括光学传感器，信号放大电路，AD转换电路，微处理器及3G无线通信模块，所述信号放大电路包括前置放大电路、二级放大电路及信号滤波整形电路，

所述光学传感器接入所述前置放大电路，用于根据空气中的粉尘粒子浓度输出电信号给所述前置放大电路；

所述二级放大电路串接在所述前置放大电路和所述信号滤波整形电路之间，所述前置放大电路、二级放大电路及信号滤波整形电路依次对所述电信号进行前置放大、二级放大及滤波整形，并输出电压信号给所述AD转换电路；

所述AD转换电路与所述信号滤波整形电路相连，用于对所述电压信号进行模数转换；

所述微处理器与所述AD转换电路相连，用于对经数模转换后的所述电压信号进行算法处理，将所述粉尘粒子浓度换算成粉尘浓度数据送给所述3G无线通信模块无线发送出去。

2.根据权利要求1所述的空气粉尘快速测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括与微处理器相连的显示单元和存储单元，所述显示单元接收并显示所述粉尘浓度数据；所述存储单元用于存储所述粉尘浓度数据。

3.根据权利要求2所述的空气粉尘快速测量装置，其特征在于，所述显示单元为LCM液晶显示单元，所述存储单元为SPI FLASH存储单元。

4.根据权利要求2所述的空气粉尘快速测量装置，其特征在于，所述微处理器采用32位ARM处理器。

5.根据权利要求4所述的空气粉尘快速测量装置，其特征在于，所述32位ARM处理器为STM32F105处理器。

6.根据权利要求1所述的空气粉尘快速测量装置，其特征在于，所述光学传感器包括半导体激光器，聚焦透镜，柱面透镜，粉尘采样通道，非球面短焦距透镜组，椭球反射镜，消光器和雪崩型光敏二极管，

所述半导体激光器，聚焦透镜，柱面透镜及消光器从前往后依次在水平方向上同轴设置，且所述粉尘采样通道位于所述柱面透镜和所述消光器之间；

所述非球面短焦距透镜组，椭球反射镜及雪崩型光敏二极管从上往下依次在竖直方向上同轴设置，且所述非球面短焦距透镜组、椭球反射镜分别位于所述粉尘采样通道的上游及下游；

所述雪崩型光敏二极管位于所述非球面短焦距透镜组的上游，且所述雪崩型光敏二极管接入所述前置放大电路。

7.根据权利要求1所述的空气粉尘快速测量装置，其特征在于，所述前置放大电路采用JFET结型场效应运算放大电路。

8.根据权利要求1所述的空气粉尘快速测量装置，其特征在于，所述二级放大电路中选用LF357放大缓冲器。

9.根据权利要求1所述的空气粉尘快速测量装置，其特征在于，所述3G无线通信模块将所述粉尘浓度数据无线发送给远程监控中心。

10.根据权利要求9所述的空气粉尘快速测量装置，其特征在于，所述远程监控中心包括服务器，服务器内的数据库及WEB监控页面，以及监控端，

所述服务器通过3G无线网络实时接收远程的所述空气粉尘的快速测量装置发来的数据结果，并将所述数据结果以WEB页面方式发布出来；

所述监控端访问所述WEB页面，登录到所述WEB页面查看和获取相关区域的空气质量参数指标。