CN104596904A - 一种激光粉尘传感器的粉尘浓度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光粉尘传感器的粉尘浓度测量方法，包括以下步骤：在常温下，对激光粉尘传感器进行标定，并记录标定时对粉尘测量浓度有影响的三个指标：光电传感器经一级放大器后的电压值V_b、再经过一个隔直电容和一个二级放大器后的比较电压值V_c和风扇转速n_b；对光路器件的衰减、温湿度的变化等因素进行修正；对激光粉尘传感器中的风扇转速进行修正；从而得到激光粉尘传感器的实时粉尘测量浓度。本发明通过对传感器粉尘测量浓度有影响的各个因素依次进行修正补偿，大大提高了传感器的测量准确度。

Description

一种激光粉尘传感器的粉尘浓度测量方法

技术领域

本发明涉及一种激光粉尘传感器的粉尘浓度测量方法，特别是能对空气中悬浮颗粒物的质量浓度测量值进行修正补偿的方法。

背景技术

近年来，灰霾天气已经对人民的生活和身体健康造成了不良影响，对于颗粒物检测技术的研究刻不容缓，检测颗粒物浓度的核心技术就是设计准确可靠的粉尘浓度传感器，相比国内来说，国外对粉尘传感器的研究起步较早，技术也较成熟，传感器已经广泛应用于军事、航天航空、工业控制和检测技术等领域，PM2.5的检测方法有重量法、微量震荡天平法，β射线吸收法、光散射法等。

本发明中涉及的传感器在检测空气中的悬浮颗粒物质量浓度的方法在原理上主要采用米氏(Mie)理论及其近似结论。以此为理论为基础的光散射法，通用方式是用一束单色光照射在采样空气上，并通过空气的流动的通道结构(例如细长的管道)令采样空气中的颗粒物近似单个通过光束，与此同时，将感光元件(如硅光电池)布置在与某个散射角度上(通常为180度或90度)收集散射光强。

但是，传统的检测空气中悬浮颗粒物质质量浓度的传感器在检测精度和成本是相互矛盾的，传统的同类空气中悬浮颗粒物浓度传感器中，如果是高准确度的大型传感器成本高，体积大，并且不利用大规模自动化生产，也不利于作为空气质量指标的颗粒物浓度检测技术的应用普及；如果是低成本的小型传感器，则准确度较差且自我补偿校准功能不足。

发明内容

本发明所提供的方法是通过对粉尘传感器的测量精度的影响因素进行自我补偿校准，从而提高了一种低成本的小型激光粉尘传感器的粉尘浓度测量精度。采用本发明所述的测量方法的激光粉尘传感器成本低，体积小，准确度高，并且生产工艺简单，个体一致性高，易于大规模生产和应用普及。通过采用本发明的测量方法，在硬件设置不变的情况下，能大幅度的提高传感器测量的精度。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种激光粉尘传感器的粉尘浓度测量方法，其特征在于包括以下步骤：

一个标定步骤：在常温下，对激光粉尘传感器进行不同若干次标定，每次标定针对不同的PM值颗粒物进行，并记录每次标定时对粉尘测量浓度有影响的三个指标，光电传感器经一级放大器后的电压值V_b、再经过一个隔直电容和一个二级放大器后的比较电压值V_c，风扇转速n_b；从而得到每次标定时当前的PM值颗粒物以及与该PM值颗粒物对应的电压值V_b、V_c；所有标定结束后，得到PM值颗粒物与对应的电压值V_b、V_c的线性关系曲线；

一个实时测量的步骤：光电传感器经一级放大器后的电压值V₁、再经过一个隔直电容和一个二级放大器后的比较电压值V₂，未经算法修正的颗粒物的个数为n′；

一个修正参数步骤，具体包括：

修正一：针对测量结果由于光路器件的衰减、温湿度的变等因素导致偏差进行修正，得到粉尘浓度值PM₁，具体包括以下子步骤：

步骤1.11、实时获取光电传感器经一级放大器后的电压值V₁、再经过一个隔直电容和一个二级放大器后的比较电压值V₂；

步骤1.12、当外界环境变化或者光路器件衰减相比与标定有变化时，则V₁、V₂均相应发生变化，且V₁正比于V₂变化，所以通过V₁的变化量调节比较电压值调整为V₂′＝(V₁/V_b)*V_c；其中，V_c为从标定步骤中得到的关系曲线中所需测量的PM值颗粒物对应的V_c值；

步骤1.13、通过比较电压值V₂的变化修正当前颗粒物的个数n′到标定状态下的颗粒物的理论个数n，通过标定时的理论值得到颗粒物经过补偿修正后的质量浓度值PM₁；

修正二：对激光粉尘传感器中的风扇转速进行修正，得到粉尘浓度信号值PM₂，具体包括以下子步骤：

步骤1.21、获取风扇实时转速n_r；

步骤1.22、计算风扇转速修正系数

步骤1.23、计算对风扇转速进行修正后的粉尘浓度值PM₂＝k_f PM₁；

一个测量结果输出步骤：输出修正后的测量结果PM₂。

本发明具有如下有益效果：本发明的目的是提供使用于一种低成本的小型激光粉尘传感器的粉尘浓度测量方法，在本发明中，影响传感测量精度的主要因素有如下：

1、光路器件的衰减、温湿度的变化等因素对传感器测量精度的影响；

2、风扇使用寿命对传感器测量精度的影响；

本发明所提供的方法是通过对粉尘传感器的测量精度的影响因素进行自动补偿校准，从而提高了一种低成本的小型激光粉尘传感器的粉尘浓度测量精度。采用本发明所述的测量方法的激光粉尘传感器成本低，体积小，准确度高，并且生产工艺简单，个体一致性高，易于大规模生产和应用普及。通过采用本发明的测量方法，在硬件设置不变的情况下，能大幅度的提高传感器测量的精度。

附图说明

图1为本发明的一种激光粉尘传感器的粉尘浓度测量方法总流程图。

图2为本发明的一种激光粉尘传感器的粉尘浓度测量方法光路器件的衰减、温湿度的变化等因素修正原理图。

图3为本发明的一种激光粉尘传感器的粉尘浓度测量方法V₁原理图。

图4为本发明的一种激光粉尘传感器的粉尘浓度测量方法V₂原理图。

图5为本发明的一种激光粉尘传感器的粉尘浓度测量方法光路器件的衰减、温湿度的变化等因素修正流程图。

图6为本发明的一种激光粉尘传感器的粉尘浓度测量方法风扇转速修正流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例及附图对本发明的技术方案做进一步阐述。

参考图1-5，本实施例提供了一种使用于低成本的小型激光粉尘传感器的粉尘浓度测量方法，在本发明中，影响传感测量精度的主要因素有如下：

1、光路器件的衰减、温湿度的变化等因素对传感器测量精度的影响；

2、风扇使用寿命对传感器测量精度的影响；

本发明所提供的方法是通过对粉尘传感器的测量精度有影响的各个因素进行自动补偿校准，从而提高了一种低成本的小型激光粉尘传感器的粉尘浓度测量精度。所述的一种激光粉尘传感器的粉尘浓度测量方法，包含以下步骤，如图1所示：

(1)在常温下，对激光粉尘传感器进行标定，并记录标定时对粉尘测量浓度有影响的两个指标：光电传感器经一级放大器后的电压值V_b、再经过一个隔直电容和一个二级放大器后的比较电压值V_c，风扇转速n_b；

(2)开始实时测量；

(3)对光路器件的衰减、温湿度的变化等因素进行修正，得到粉尘浓度值PM₁；

(4)对激光粉尘传感器中的风扇转速进行修正，得到粉尘浓度信号值PM₂；

(5)输出修正后的测量结果PM₂。

如原理图2-4所示，光路器件的衰减、温湿度的变化等因素修正原理图，光电传感器接收的信号经过一级放大器后的电压为V₁，再经过一个隔直电容与一个二级放大器后的电压为V₂，当光路器件衰减时，环境温度等因素产生变化时，原理图中V₁与比较电压值V₂的值会相应变化，且变化呈正比关系。所以可以由测量V₁值的变化幅度来完成对此传感器的光路器件衰减，温湿度的变化等因素进行自动补偿校准。例如图3和4所示，标定时V₁电压为V_b,V₂电压为V_c,落在V_c比较电压内的颗粒物个数为3，但是当光路器件衰减，环境温度等因素产生变化时，V₁的电压值变为V₁′，如果不调整比较电压V_c，则落在V_c比较电压内的颗粒物个数为1，当将V₂按照比例调整到V₂′时，则落在V₂′比较电压内的颗粒物个数为3，与标定时状态一致。

例如在常温下完成标定后，记录了标定时的V₁的记录值为V_b，比较电压V₂的记录值：PM 2.5时为与V_c′；实时测量时，重新实时读取V₁值，根据实时测量的V₁值调整比较电压V₂的值为V₂′，当PM 2.5时的比较电压值调整为V₂′＝V₁/V_b*V_c′，通过调整比较电压值V₂的值到V₂′来修正颗粒物的个数到n′，从而得到颗粒物经过补偿修正后的质量浓度值PM₁。例如，在常温标定时，可以标定3000个PM2.5的颗粒物质量浓度为300mg/m³,则可确认标定系数为0.1，所以当PM2.5颗粒物个数为1000时，则可得到质量浓度为100mg/m³。

所述的步骤(3)中包括以下步骤，如图5所示：

(a)实时获取光电传感器经一级放大器后的电压值V₁、再经过一个隔直电容和一个二级放大器后的比较电压值V₂；

(b)当外界环境变化或者光路器件衰减相比与标定有变化时，则V₁、V₂均相应发生变化，且V₁正比于V₂变化，所以通过V₁的变化量调节比较电平值V₂＝V₁/V_b*V_c；

所述的步骤(4)中包括以下步骤：

(a)获取风扇实时转速n_r；

(b)计算风扇转速修正系数

(c)计算对风扇转速进行修正后的粉尘浓度值PM₂＝k_f PM₁。

输出的PM₂即为对粉尘传感器的测量精度的影响因素进行自我补偿校准后的测量浓度值。

本发明中所述的比较电压值V₂可根据所测量的粉尘颗粒物的大小不同而设置和调整。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种激光粉尘传感器的粉尘浓度测量方法，其特征在于包括以下步骤：

一个标定步骤：在常温下，对激光粉尘传感器进行不同若干次标定，每次标定针对不同的PM值颗粒物进行，并记录每次标定时对粉尘测量浓度有影响的三个指标，光电传感器经一级放大器后的电压值V_b、再经过一个隔直电容和一个二级放大器后的比较电压值V_c，风扇转速n_b；从而得到每次标定时当前的PM值颗粒物以及与该PM值颗粒物对应的电压值V_b、V_c；所有标定结束后，得到PM值颗粒物与对应的电压值V_b、V_c的线性关系曲线；

一个实时测量的步骤：光电传感器经一级放大器后的电压值V₁、再经过一个隔直电容和一个二级放大器后的比较电压值V₂，未经算法修正的颗粒物的个数为n′；

一个修正参数步骤，具体包括：

修正一：针对测量结果由于光路器件的衰减、温湿度的变等因素导致偏差进行修正，得到粉尘浓度值PM₁，具体包括以下子步骤：

步骤1.11、实时获取光电传感器经一级放大器后的电压值V₁、再经过一个隔直电容和一个二级放大器后的比较电压值V₂；

步骤1.12、当外界环境变化或者光路器件衰减相比与标定有变化时，则V₁、V₂均相应发生变化，且V₁正比于V₂变化，所以通过V₁的变化量调节比较电压值调整为V₂′＝(V₁/V_b)*V_c；其中，V_c为从标定步骤中得到的关系曲线中所需测量的PM值颗粒物对应的V_c值；

步骤1.13、通过比较电压值V₂的变化修正当前颗粒物的个数n′到标定状态下的颗粒物的理论个数n，通过标定时的理论值得到颗粒物经过补偿修正后的质量浓度值PM₁；

修正二：对激光粉尘传感器中的风扇转速进行修正，得到粉尘浓度信号值PM₂，具体包括以下子步骤：

步骤1.21、获取风扇实时转速n_r；

步骤1.22、计算风扇转速修正系数

步骤1.23、计算对风扇转速进行修正后的粉尘浓度值PM₂＝k_fPM₁；

一个测量结果输出步骤：输出修正后的测量结果PM₂。