CN104849190B - 基于真有效值检测的颗粒物浓度传感器 - Google Patents
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Abstract
一种基于真有效值检测的颗粒物浓度传感器，包括稳压供电电路、气泵、激光器、检测壳、硅光二极管、信号转换与滤波电路、真有效值检测电路。气泵将大气中的颗粒物抽入检测壳中，颗粒物依次通过狭窄的气路，受到激光的照射后产生脉冲光信号，脉冲光信号通过硅光二极管转换成波动的电流信号，通过信号转换电路转变成电压信号，电压信号通过高通滤波器得到均值为零的电压波动信号，电压波动信号通过真有效值检测电路转换成直流电压，作为传感器输出信号。大气中的颗粒物浓度越高，光波动越大，最终输出信号也越大，利用此原理实现颗粒物浓度的检测。本发明具有结构简单、功耗较低、性能可靠、使用方便、抗干扰能力强等特点。
Description
技术领域
本发明涉及大气中颗粒物质量浓度的测量技术领域，特别是涉及一种基于真有效值检测的颗粒物浓度传感器。
背景技术
大气颗粒物的质量浓度是评价空气质量好坏的重要因素之一，它不仅严重影响能见度，还对人类的生产生活和身体健康有着极为严重的影响。在现代生活中，随着人们对于空气质量要求的提高，人们需要了解所处环境的空气质量好坏，以便更好地安排各项生产生活活动；同时，空气净化器已经成为许多家庭的标配，为了减少能源浪费，人们需要实时检测空气质量以决定是否开启空气净化器。以上这些，都需要一种快速准确的检测空气质量的手段。
颗粒物质量浓度的检测方法有：手工称重法、β射线法、微量振荡天平法和光散射法。手工称重法检测精度高，但是需要有专业的设备和人员，测量周期长，不适合连续测量；β射线法和微量振荡天平法检测精度较高，能够实现连续测量，但是仪器精密，价格昂贵，而且维护成本极高，不适用于家庭和一般公共场合；光散射法能够实现连续测量，结构简单，成本很低，但是这种检测方法检测精度不高，尤其是受外界因素如气温、湿度以及内部因素如激光器长时间运行时功率波动的影响很大，运行一段时间后就需要用专业的设备去校准。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种结构简单、成本低、易于维护、可靠性高的基于真有效值检测的颗粒物浓度传感器。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
基于真有效值检测的颗粒物浓度传感器包括：稳压供电电路、气泵、激光器、检测壳、硅光二极管、信号转换与滤波电路、真有效值检测电路；
所述稳压供电电路，用于减小电源噪声以及地电位的波动，为激光器、气泵、检测电路提供低纹波的直流电压；
所述气泵，用于产生稳定的抽气气流；
所述激光器，用于产生稳定的激光信号；
所述检测壳，用于组装并固定气泵、金属管、激光器和硅光二极管；
所述硅光二极管，用于散射光信号的检测；
所述信号转换与滤波电路，用于实现光电流到电压的转换，低频直流信号的滤除；
所述真有效值检测电路，用于将信号转换与滤波电路得到的信号进行转换，以便于将产生的散射光信号波动以等效的直流电压输出，并作为整个传感器的输出信号。
所述稳压供电电路用于为激光器、气泵、信号转换与滤波电路及真有效值检测电路进行供电。
所述激光器的供电由稳压芯片L7805C和TPS78633提供，交流电或直流电经过这两个芯片得到稳定的3.3V直流；所述气泵的供电由稳压芯片L7805C和TPS7A4501提供，TPS7A4501通过接一个5K滑动变阻器调节输出直流电压，直流电压在0~5V之间变化；信号转换与滤波电路以及真有效值检测电路的供电由芯片L7805C提供+5V直流，由芯片AMS117-2.5提供+2.5V直流，由两片负电压芯片ICL7660分别提供-5V和-2.5V直流。
所述气泵为美国HARGRAVES高效气泵1C34N2，在单泵头、3V供电情况下气体流量为1.0升/分；
所述激光器的输出功率为100mW，波长为548nm的激光器；所述硅光二极管为日本滨松公司的 S2386-44K硅光二极管。
所述检测壳由高性能塑料通过3D打印形成，在检测壳的左侧开有一个圆孔以安装激光器，在检测壳的顶部和底部均安装有一根长30mm，内径1mm，外径2mm的金属管并形成气路，上部的金属管通过PU气管与气泵相连，在检测壳的右侧装有光陷阱，以减小检测壳内激光的反射强度，在检测壳中激光器与光陷阱连线顺时针旋转40°方向上开有一直径10mm的小孔，孔内安装有高性能硅光二极管。
所述检测壳内部涂有低反射率涂料以进一步降低激光器在检测壳内的反射光。
所述信号转换与滤波电路包括电流-电压转换电路和RC高通滤波电路。
所述电流-电压转换电路主要由芯片LMP7721实现，硅光二极管输出电流信号引脚与LMP7721芯片的IN-引脚连接，硅光二极管另一个引脚接地并与LMP7721芯片的IN+引脚相连，LMP7721芯片的IN-引脚连接一个100MΩ的金属膜电阻后与LMP7721芯片的Vout引脚相连，金属膜电阻两侧并联一个10PF的聚四氟乙烯电容，以提高整个传感器的动态性能。
所述RC高通滤波电路中，电容的容量为0.01~0.1uF，串联在真有效值检测电路的输入端与电流电压转换电路的输出端之间；电阻为1~10MΩ，连接在电容与地线之间。
所述真有效值检测电路采用了AD637J真有效值转换芯片，其输出真有效值最大总误差为1mV，所述AD637J芯片的VIN引脚与RC高通滤波器输出引脚相连，所述AD637J芯片的+VS引脚连接+5V电压并通过一个0.1uF的电容接地以减小+5V电压的纹波，所述AD637J芯片的-VS引脚连接-5V电压并通过一个0.1uF的电容接地以减小-5V电压的纹波，所述AD637J芯片的CS引脚连接一个4.7KΩ的电阻后连接+5V电压，所述AD637J芯片的BUFF IN引脚分别与COMMON引脚和OUTPUT OFFSET引脚连接后接地，所述AD637J芯片的CAV引脚接一个33uF的钽电容后分别与RMS OUT引脚和DEN INPUT引脚相连。
本发明的主要优势：结构简单，成本低，体积小，传感器输出信号对激光器输出功率变化不敏感，传感器输出信号对温度、湿度变化不敏感，可靠性高，传感器对低浓度颗粒物（尤其当颗粒物质量浓度小于200ug/m^3）变化十分敏感，有效提高了低浓度时颗粒物质量浓度的检测精度。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制。
图1 是基于真有效值检测的颗粒物浓度传感器示意图；
图2 是本发明的稳压供电电路图；
图3 是本发明的检测壳和气泵、激光器、硅光二极管安装示意图；
图4 是本发明的信号转换与滤波电路图；
图5 是本发明的真有效值检测电路图；
图6 是本发明的信号处理过程图。
具体实施方式
实施例：
下面结合附图和实施例来对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用以说明本发明，但不构成对本发明的任何限制。
如图1所示，基于真有效值检测的颗粒物浓度传感器主要由稳压供电电路、气泵、激光器、检测壳、硅光二极管、信号转换与滤波电路、真有效值检测电路组成。激光器、检测壳、硅光二极管、信号转换与滤波电路、真有效值检测电路顺次相连，稳压供电电路分别与激光器、气泵、信号转换与滤波电路、真有效值检测电路相连，气泵与检测壳相连；
所述稳压供电电路，用于减小电源噪声以及地电位的波动，为激光器、气泵、检测电路提供低纹波的直流电压；所述气泵，用于产生稳定的抽气气流；所述激光器，用于产生稳定的激光信号；所述检测壳，用于组装并固定气泵、金属管、激光器和硅光二极管；所述硅光二极管，用于散射光信号的检测；所述信号转换与滤波电路，用于实现光电流到电压的转换，低频直流信号的滤除；所述真有效值检测电路，用于将信号转换与滤波电路得到的信号进行转换，以便于将颗粒物通过检测中心时产生的散射光信号波动以等效的直流电压输出，并作为整个传感器的输出信号；所述的检测中心为激光器形成的激光束与金属管所形成的气路的交汇区域。
如图2所示，所述稳压供电电路用于为激光器、气泵、信号转换与滤波电路及真有效值检测电路进行供电
所述激光器的供电由稳压芯片L7805C和TPS78633提供，交流电或直流电经过这两个芯片得到稳定的3.3V直流；所述气泵的供电由稳压芯片L7805C和TPS7A4501提供，TPS7A4501通过接一个5K滑动变阻器调节输出直流电压，直流电压在0~5V之间变化；信号转换与滤波电路以及真有效值检测电路的供电由芯片L7805C提供+5V直流，由芯片AMS117-2.5提供+2.5V直流，由两片负电压芯片ICL7660分别提供-5V和-2.5V直流。
如图3所示，为检测壳和气泵、激光器、硅光二极管安装示意图，所述气泵为美国HARGRAVES高效气泵1C34N2，在单泵头、3V供电情况下气体流量为1.0升/分。所述激光器是输出功率为100mW，波长为548nm的激光器，该型号激光器可长时间连续工作，寿命超过10000小时。所述检测壳由高性能塑料通过3D打印形成，在检测壳的左侧开有一个圆孔以安装激光器，在检测壳的顶部和底部均安装有一根长30mm，内径1mm，外径2mm的金属管并形成气路，上部的金属管通过PU气管与气泵相连，在检测壳的右侧装有光陷阱，以减小检测壳内激光的反射强度，在检测壳中激光器与光陷阱连线顺时针旋转40°方向上开有一直径10mm的小孔，孔内安装有高性能硅光二极管。所述检测壳内部涂有低反射率涂料以进一步降低激光器在检测壳内的反射光。所述硅光二极管为日本滨松公司的S2386-44K 高性能硅光二极管。
如图4所示，所述信号转换与滤波电路包括电流-电压转换电路和RC高通滤波电路。所述电流-电压转换电路主要由芯片LMP7721实现，硅光二极管输出电流信号引脚与LMP7721芯片的IN-引脚连接，硅光二极管另一个引脚接地并与LMP7721芯片的IN+引脚相连，LMP7721芯片的IN-引脚连接一个100MΩ的金属膜电阻R1后与LMP7721芯片的Vout引脚相连，金属膜电阻两侧并联一个10PF的聚四氟乙烯电容C1以提高整个传感器的动态性能。所述RC高通滤波电路中，电容C2的容量为0.01~0.1uF，串联在真有效值检测电路的输入端与电流电压转换电路的输出端之间；电阻R2的阻值为1~10MΩ，连接在电容C2与地线之间；LMP7721芯片的V-引脚连接-2.5V电压并通过一个0.1uF的电容C3接地以减小-2.5V电压的纹波，LMP7721芯片的V+引脚连接+2.5V电压并通过一个0.1uF的电容C4接地以减小+2.5V电压的纹波。
如图5所示，所述真有效值检测电路采用了AD637J高性能真有效值转换芯片，其输出真有效值最大总误差仅为1mV，所述AD637J芯片的VIN引脚与图4中RC高通滤波器输出引脚相连，所述AD637J芯片的+VS引脚连接+5V电压并通过一个0.1uF的电容C5接地以减小+5V电压的纹波，所述AD637J芯片的-VS引脚连接-5V电压并通过一个0.1uF的电容C6接地以减小-5V电压的纹波，所述AD637J芯片的CS引脚连接一个4.7KΩ的电阻R3后连接+5V电压，所述AD637J芯片的BUFF IN引脚分别与COMMON引脚和OUTPUT OFFSET引脚连接后接地，所述AD637J芯片的CAV引脚接一个33uF的钽电容C7后分别与RMS OUT引脚和DEN INPUT引脚相连。
本发明的颗粒物浓度传感器的测量原理是：接通电源后，气泵抽气使得含有颗粒物的气体以每分钟一升的速度流过上下金属管所形成的气路，激光器的激光束经过聚焦后照射两金属管之间的检测中心，激光束通过光路出检测壳后被光陷阱收集，当有颗粒通过检测中心时，颗粒受到激光的照射产生散射光，硅光二极管接收到的光信号产生变化，由于金属管很细，在颗粒物浓度较低时，颗粒会依次通过检测中心，这使得硅光二极管收集到脉冲光信号，同时由于激光器光束在近前向由较强的衍射，检测壳内部仍然有光反射，硅光二极管收集到的信号中会含有一个很强的本底噪声光信号，这两种光信号相叠加，通过硅光二极管转换成电流信号再通过电流电压转换电路转换成电压信号，此时得到的电压信号中包含直流成分VDC和交流成分VAC。如图6所示，为信号处理过程图，随着不同的温湿度变化，随着时间的推移，激光器的功率也会有较明显的变好，这些因素使得电压信号中的直流成分VDC也会随时间缓慢变化，电压信号通过RC高通滤波器后得到均值为零的电压脉冲信号VAC，电压脉冲信号VAC通过真有效值检测电路后得到瞬时的电压有效值VRMS，当颗粒物数量浓度增大时，单位时间内的脉冲数目增加，VRMS变大，当颗粒物的粒径变大时，脉冲的高度变大，VRMS也变大，因此VRMS能够有效反映颗粒物质量浓度的变化。通过与手工称重法对比，对真有效值信号VRMS与颗粒物质量浓度的关系进行标定，得到一个相关关系式后，即可用该传感器来检测颗粒物的质量浓度。由于本发明的传感器只对颗粒物通过检测中心时产生的光波动敏感，而对激光功率以及环境因素等造成的本底光信号不敏感，因此本发明的传感器不存在零漂问题，适应各种恶劣情况下颗粒物浓度的检测，同时将低浓度时颗粒物浓度的检测水平提高到了一个新的高度。
Claims (9)
1.一种基于真有效值检测的颗粒物浓度传感器，其特征在于，包括：稳压供电电路、气泵、激光器、检测壳、硅光二极管、信号转换与滤波电路、真有效值检测电路；
所述稳压供电电路，用于减小电源噪声以及地电位的波动，为激光器、气泵、检测电路提供低纹波的直流电压；
所述气泵，用于产生稳定的抽气气流；
所述激光器，用于产生稳定的激光信号；
所述检测壳，用于组装并固定气泵、金属管、激光器和硅光二极管；
所述硅光二极管，用于散射光信号的检测；
在检测壳的左侧开有一个圆孔以安装激光器，在检测壳的顶部和底部均安装有一根长30mm，内径1mm，外径2mm的金属管并形成气路，上部的金属管通过PU气管与气泵相连，在检测壳的右侧装有光陷阱，以减小检测壳内激光的反射强度，在检测壳上开有一直径10mm的小孔，所述的小孔在激光器与光陷阱连线以检测中心为中心顺时针旋转40°方向上，孔内安装有硅光二极管；
所述信号转换与滤波电路，用于实现光电流到电压的转换，低频直流信号的滤除；
所述真有效值检测电路，用于将信号转换与滤波电路得到的信号进行转换，以便于将产生的散射光信号波动以等效的直流电压输出，并作为整个传感器的输出信号；真有效值检测电路采用AD637J真有效值转换芯片，其输出真有效值最大总误差为1mV，所述AD637J芯片的VIN引脚与RC高通滤波器输出引脚相连，所述AD637J芯片的+VS引脚连接+5V电压并通过一个0.1uF的电容接地以减小+5V电压的纹波，所述AD637J芯片的-VS引脚连接-5V电压并通过一个0.1uF的电容接地以减小-5V电压的纹波，所述AD637J芯片的CS引脚连接一个4.7KΩ的电阻后连接+5V电压，所述AD637J芯片的BUFF IN引脚分别与COMMON引脚和OUTPUTOFFSET引脚连接后接地，所述AD637J芯片的CAV引脚接一个33uF的钽电容后分别与RMS OUT引脚和DEN INPUT引脚相连。
2.根据权利要求1所述的基于真有效值检测的颗粒物浓度传感器，其特征在于：所述稳压供电电路用于为激光器、气泵、信号转换与滤波电路及真有效值检测电路进行供电。
3.根据权利要求2所述的基于真有效值检测的颗粒物浓度传感器，其特征在于：所述激光器的供电由稳压芯片L7805C和TPS78633提供，交流电或直流电经过这两个芯片得到稳定的3.3V直流；所述气泵的供电由稳压芯片L7805C和TPS7A4501提供，TPS7A4501通过接一个5K滑动变阻器调节输出直流电压，直流电压在0~5V之间变化；信号转换与滤波电路以及真有效值检测电路的供电由芯片L7805C提供+5V直流，由芯片AMS117-2.5提供+2.5V直流，由两片负电压芯片ICL7660分别提供-5V和-2.5V直流。
4.根据权利要求1所述的基于真有效值检测的颗粒物浓度传感器，其特征在于：所述气泵为美国HARGRAVES高效气泵1C34N2，在单泵头、3V供电情况下气体流量为1.0升/分；
所述激光器的输出功率为100mW，波长为548nm的激光器；所述硅光二极管为日本滨松公司的 S2386-44K硅光二极管。
5.根据权利要求1所述的基于真有效值检测的颗粒物浓度传感器，其特征在于：所述检测壳由高性能塑料通过3D打印形成。
6.根据权利要求1所述的基于真有效值检测的颗粒物浓度传感器，其特征在于：所述检测壳内部涂有低反射率涂料以进一步降低激光器在检测壳内的反射光。
7.根据权利要求1所述的基于真有效值检测的颗粒物浓度传感器，其特征在于：所述信号转换与滤波电路包括电流-电压转换电路和RC高通滤波电路。
8.根据权利要求7所述的基于真有效值检测的颗粒物浓度传感器，其特征在于：所述电流-电压转换电路主要由芯片LMP7721实现，硅光二极管输出电流信号引脚与LMP7721芯片的IN-引脚连接，硅光二极管另一个引脚接地并与LMP7721芯片的IN+引脚相连，LMP7721芯片的IN-引脚连接一个100MΩ的金属膜电阻后与LMP7721芯片的Vout引脚相连，金属膜电阻两侧并联一个10PF的聚四氟乙烯电容，以提高整个传感器的动态性能。
9.根据权利要求7所述的基于真有效值检测的颗粒物浓度传感器，其特征在于：所述RC高通滤波电路中，电容的容量为0.01~0.1uF，串联在真有效值检测电路的输入端与电流电压转换电路的输出端之间；电阻为1~10MΩ，连接在电容与地线之间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170714 Termination date: 20180518 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |