CN105021501A - 检测空气中悬浮颗粒物质量浓度的传感器和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测空气中悬浮颗粒物质量浓度的传感器和检测方法，其中，所述传感器包括激光发生器、凸透镜、激光器座、光阑、凹面镜、感光元件和空气流通通道；所述激光束与所述空气流通通道垂直相交；所述凹面镜和感光元件分别设置于所述空气流通通道的两侧，且所述凹面镜与所述感光元件的连线分别与所述空气流通通道和激光束垂直相交。本发明的传感器通过凸透镜以及用以限定激光器的安装位置和自由度的激光器座，来确保光学路径的一致性；同时利用所述光阑提高了激光束的一致性，从而提高了检测空气中悬浮颗粒物粒径的精度，因此在大批量自动化生产中，每个传感器之间也能保证较高的一致性，不用手动校准，可以大大提高生产效率。

Description

检测空气中悬浮颗粒物质量浓度的传感器和检测方法

技术领域

本发明涉及一种粒子传感器及采用粒子传感器检测空气中悬浮颗粒物质量浓度的方法，尤其涉及检测空气中悬浮颗粒物质量浓度的传感器和检测方法。

背景技术

目前，检测空气中悬浮颗粒物质量浓度的传感器在原理上主要采用米氏

(Mie)理论及其近似结论。根据米氏理论的近似结论，入射光照射到周围均匀介质的各项同性的球形颗粒上,其各角度的散射光强分布与入射光的强度、入射光波长、散射角度、球形颗粒的直径有比较严格的相关性。

以此为理论基础的光散射法，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浓度传感器中，如果有着高准确度的大型传感器成本较高，体积较大，并且不利于大规模自动化生产，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校准补偿功能不足。

发明内容

本发明目的是提供一种检测空气中悬浮颗粒物质量浓度的传感器，其成本和尺寸接近传统的小型传感器，准确度接近传统的高准确度大型传感器，并且由于生产工艺简单且个体一致性高，易于大规模生产和应用普及。

本发明的另一个目的提供一种利用所述的传感器检测空气中悬浮颗粒物质量浓度的方法。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：一种检测空气中悬浮颗粒物质量浓度的传感器，包括激光发生器、凸透镜、激光器座、光阑、凹面镜、感光元件和空气流通通道；

所述激光发生器固定于所述激光器座内，并发射激光束；

所述凸透镜设置于所述激光发生器的前端，以对所述激光发生器所发射的激光束进行聚焦；

所述光阑设置于所述激光器座上；

所述激光束与所述空气流通通道垂直相交；

所述凹面镜和感光元件分别设置于所述空气流通通道的两侧，且所述凹面镜与所述感光元件的连线分别与所述空气流通通道和激光束垂直相交。

可选的，所述检测空气中悬浮颗粒物质量浓度的传感器还包括壳体和电路板，所述壳体包括顶壁、底壁和固定于所述顶壁和底壁之间的前侧壁、后侧壁、左侧壁和右侧壁；所述壳体的前侧壁开设有出风口，所述后侧壁上开设有进风口，所述电路板水平设置于所述壳体内，位于所述进风口的上方，并将所述出风口分成上出风口和下出风口；在所述电路板上靠近所述进风口处开设有多个分割孔；所述分割孔为所述空气流通通道的起点；所述激光器座和感光元件设置于所述电路板上，所述凹面镜设置于所述顶壁上，并位于所述壳体内。

可选的，所述检测空气中悬浮颗粒物质量浓度的传感器还包括设置于所述顶壁内侧，并向电路板方向延伸的挡板，所述挡板与所述激光器座构成所述空气流通通道。

可选的，所述空气流通通道呈“几”字形。

可选的，所述检测空气中悬浮颗粒物质量浓度的传感器还包括滤波放大电路、微处理器和数据输出接口；所述滤波放大电路信号连接于所述感光元件，所述微处理器信号连接于所述滤波放大电路和数据输出接口。

可选的，所述检测空气中悬浮颗粒物质量浓度的传感器还包括设置于所述进风口或出风口处的轴流式风机。

本发明解决技术问题还采用如下技术方案：一种利用上述的传感器检测空气中悬浮颗粒物质量浓度的方法，包括以下步骤：

S10、对所述传感器通电；判断是否为对所述传感器第一次通电；如果是，执行步骤S20，否则执行步骤S30；

S20、对所述传感器进行校准；

S30、获得当前工作模式；如果所述工作模式为休眠模式，则关闭所述激光器和传感器；否则执行步骤S40；

S40、采集散射光，并将所述散射光信号转换为电信号；

S50、对所述电信号进行补偿计算，得到颗粒物的参数；

S60、判断采集的数据的数量是否达到要求，如果是，执行步骤S70，否则执行步骤S40；

S70、对所述传感器采集的多个颗粒物参数进行处理，得到空气中悬浮颗粒物的质量浓度；

S80、通过数据输出接口将所述空气中悬浮颗粒物的质量浓度结果输出，并执行步骤S30。

可选的，所述步骤S20具体为：

S201、内部校准；

S202、外部校准；

S203、得到硬件补偿曲线并保存。

可选的，所述步骤S30中的工作模式具体为：休眠模式、积极模式、典型模式和省电模式。

可选的，所述步骤S70具体为：

S701、根据步骤S50补偿计算后的电信号的峰值区间计算颗粒物的等效粒径；

S702、根据步骤S50补偿计算后的电信号的强度结合颗粒物等效密度曲线得到颗粒物的等效密度；

S703、根据步骤S701和S702的结果计算颗粒物等效质量；

S704、根据颗粒物的运动特性对颗粒物等效质量进行修正，，得到空气中悬浮颗粒物的质量浓度。

本发明具有如下有益效果：本发明的检测空气中悬浮颗粒物质量浓度的传感器通过凸透镜以及用以限定激光器的安装位置和自由度的激光器座，来确保光学路径的一致性；同时利用所述光阑提高了激光束的一致性，从而提高了检测空气中悬浮颗粒物的精度，因此在大批量自动化生产中，每个传感器之间也能保证较高的一致性，不用手动校准，可以大大提高生产效率。

本发明的检测空气中悬浮颗粒物质量浓度的方法利用所述检测空气中悬浮颗粒物质量浓度的传感器进行检测，因此其相应地所述检测方法也具有高精度和较高的一致性。

附图说明

图1为本发明的检测空气中悬浮颗粒物质量浓度的传感器结构示意图；

图2为本发明的检测空气中悬浮颗粒物质量浓度的传感器另一侧面的结构示意图；

图3为本发明的检测空气中悬浮颗粒物质量浓度的传感器的激光器座的结构示意图；

图4为本发明的检测空气中悬浮颗粒物质量浓度的传感器的检测原理示意图；

图5为本发明的微处理器及其它零部件连接关系示意图；

图6为本发明的检测方法的流程图；

图中标记示意为：1-激光发生器；2-凸透镜；3-激光器座；4-光阑；5-凹面镜；6-感光元件；7-电路板；8-顶壁；9-底壁；10-前侧壁；11-后侧壁；12-左侧壁；13-右侧壁；14-出风口；15-进风口；16-分割孔；17-挡板；18-滤波放大电路；19-微处理器；20-数据输出接口。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明的技术方案作进一步阐述。

实施例1

参考图1-5，本实施例提供了一种检测空气中悬浮颗粒物质量浓度的传感器，包括激光发生器1、凸透镜2、激光器座3、光阑4、凹面镜5、感光元件6和空气流通通道；

所述激光发生器1固定于所述激光器座内，并发射激光束；

所述凸透镜2设置于所述激光发生器1的前端，即设置于所述激光发生器1内，以对所述激光发生器1所发射的激光束进行聚焦；

所述光阑4设置于所述激光器座3上；

所述激光束与所述空气流通通道垂直相交；

所述凹面镜5和感光元件6分别设置于所述空气流通通道的两侧，且所述凹面镜5与所述感光元件6的连线分别与所述空气流通通道和激光束垂直相交。

本发明的检测空气中悬浮颗粒物质量浓度的传感器通过凸透镜2以及用以限定激光器的安装位置和自由度的激光器座3，来确保光学路径的一致性；同时利用所述光阑4提高了激光束的一致性，从而提高了检测空气中悬浮颗粒物的精度，因此在大批量自动化生产中，每个传感器之间也能保证较高的一致性，不用手动校准，可以大大提高生产效率。

本实施例中，所述激光器座的长度小于32mm，所述凸透镜的焦距小于15mm，从而使得所述传感器的尺寸得以减小，方便将所述传感器集成于其他的系统。

本实施例的所述检测空气中悬浮颗粒物质量浓度的传感器的感光元件收集颗粒物对激光束散射所产生的散射光，其中75度-105度方向的散射光由感光元件直接收集，165度-195度方向的散射光由感光元件对面的凹面镜收集并反射到感光元件上，感光元件同时把散射光转化为电信号输出到滤波放大电路。

本实施例中，可选的，所述激光器座为封闭式独立的激光器座，以防止灰尘等进入所述激光器座，降低所述传感器的精度；而且也避免了内部光路被灰尘污染时，维护成本较高的问题。

本实施例中，可选的，所述检测空气中悬浮颗粒物质量浓度的传感器还包括壳体和电路板7，所述壳体包括顶壁8、底壁9和固定于所述顶壁8和底壁9之间的前侧壁10、后侧壁11、左侧壁12和右侧壁13；所述壳体的前侧壁10开设有出风口14，所述后侧壁11上开设有进风口15，所述电路板7水平设置于所述壳体内，且位于所述进风口15的上方，并将所述出风口14分成上出风口和下出风口，分别作为直径10um以上和以下的颗粒物出口；在所述电路板7上靠近所述进风口处开设有多个分割孔16；所述分割孔16为所述空气流通通道的起点；所述激光器座3和感光元件6设置于所述电路板上，所述凹面镜5设置于所述顶壁8上，并位于所述壳体内；可见本发明通过对零部件结构的充分利用，即将所述电路板7作为空气流通通道的一部分，避免对空气流通通道结构的设计，从而使得本发明的传感器结构简单，且容易实现小型化；更进一步，通过对所述分割孔16的设计，对所述进风口15所流入的空气进行分离，使得大颗粒物通过所述电路板7下部的区域到达下出风口，从而从所述下出风口直接排出，且小颗粒物(10um以下颗粒物)通过所述分割孔16进入空气流通通道，并进行检测，以防止大颗粒的灰尘进入所述空气流通通道，并附着在空气流通通道上，造成所述传感器的灰尘污染。

本实施例中，可选的，所述检测空气中悬浮颗粒物质量浓度的传感器还包括设置于所述顶壁8内侧，并向电路板7方向延伸的挡板17，所述挡板17与所述激光器座3构成所述空气流通通道，以规范进入所述传感器内的包含悬浮颗粒物的空气的流通路径，方便对所述悬浮颗粒物进行检测；更进一步，所述空气流通通道呈“几”字形，以进一步提高所述传感器的检测精度。

本实施例中，可选的，所述挡板17为两块，所述两块挡板17之间具有间隙，所述激光束穿过所述间隙进入光陷阱。

本实施例中，可选的，所述检测空气中悬浮颗粒物质量浓度的传感器还包括滤波放大电路18、微处理器19和数据输出接口20；所述滤波放大电路18信号连接于所述感光元件6，所述微处理器19信号连接于所述滤波放大电路18和数据输出接口20，以通过所述滤波放大电路18对所述感光元件6采集的信号进行放大，并通过微处理器19进行处理，以得到空气中悬浮颗粒物的质量浓度。

本实施例中，可选的，所述检测空气中悬浮颗粒物质量浓度的传感器还包括设置于所述进风口15或出风口14处的轴流式风机或风扇，以对所述空气流通通道的空气进行抽吸，以强制所述空气流通通道内的气体的流动，从而方便对所述悬浮颗粒物的质量浓度进行检测。

实施例2

参考图6，本实施例提供了一种利用所述的传感器检测空气中悬浮颗粒物质量浓度的方法，包括以下步骤：

S10、对所述传感器通电；判断是否为对所述传感器第一次通电；如果是，执行步骤S20，否则执行步骤S30；通过步骤S10来区分传感器组装完成后是否是第一次通电，以便决定后续进行校准流程还是日常工作流程，校准流程仅在传感器组装完成后第一次通电时进行，且进行完毕之后会将一个校准完成标志写在微处理器内部的掉电非易失存储器中，之后每次上电微处理器发现存储器中记载了此标志，即证明非首次上电；

S20、对所述传感器进行校准；通过步骤S20来进行校准，所述步骤S20仅在传感器组装完成后第一次通电时进行，其作用是依据微处理器内部的高精度基准电平，对每个传感器内部的模拟电路、外部电路以及环境参数(例如光源光强和噪声光强)进行校准，以获得补偿曲线，并以此对后续日常工作中的每次采集结果进行补偿，从而自动消除传感器个体之间的差异性对结果的影响；

S30、获得当前工作模式；如果所述工作模式为休眠模式，则关闭所述激光器和传感器；否则执行步骤S40；通过步骤S30来判断当前传感器是否处于休眠模式，休眠模式可以由传感器主动进入(如间隔超过若干分钟没有与外界进行数据通讯)，也可以由外界通过数据接口指令进行设置，在休眠模式下，传感器会主动关闭光源和风扇(如果所述传感器包括风扇)，并自身进入可唤醒的休眠状态，以极小的电流维持最小的程序流程运作；

S40、控制所述激光发生器产生激光束，所述感光元件采集散射光，并将所述散射光信号转换为电信号；通过步骤S40来实现数据采集，即间歇或一直开启激光器以产生激光束，当空气中的悬浮颗粒物进入激光束的范围，就会产生散射光，并由感光元件进行收集转换为电信号，因此激光器开启时还要启动微处理器内部的模数转换器对此电信号(与光强呈比例关系)进行采集和存储。

S50、对所述电信号进行补偿计算，得到颗粒物的参数；通过步骤S50，将步骤S40中采集到的电信号，并根据S20中的补偿曲线对所述步骤S40采集到的电信号进行补偿计算，得到消除了传感器个体硬件差异的基本数据(颗粒物在感光元件和激光束组成的采样空间内经过时产生的光强曲线)，再将此结果保存在存储器中，并增加存储结果的计数，同时也可以换算为单位气体体积内的颗粒数；

S60、判断采集的数据的数量是否达到要求，如果是，执行步骤S70，否则执行步骤S40；以判定在是否采集了足够多的数据；

S70、对所述传感器采集的多个颗粒物参数进行处理，得到空气中悬浮颗粒物的质量浓度；

S80、通过数据输出接口将所述空气中悬浮颗粒物的质量浓度结果输出，并执行步骤S30。

本发明的检测空气中悬浮颗粒物质量浓度的方法利用所述检测空气中悬浮颗粒物质量浓度的传感器进行检测，且通过对工作模式的判别，实现对所述传感器工作参数的设定，且通过多次检测和对检测数据的补偿运算，得到单位气体体积内的悬浮颗粒物的颗粒数及平均质量浓度，并通过数据输出接口将所述质量浓度结果输出，可见本检测方法相应地也具有高精度和较高的一致性。

本实施例中，可选的，所述步骤S20具体为：

S201、内部校准，本发明所采用的微处理器内部具有千分之一精度的基准电平，且有多档电平值可选，依次将多档基准电平值加入到内部模拟电路的输入端口，并用所述微处理器的模数转换器采集内部模拟电路输出端口的值，根据已知的输入端口值和采集到的输出端口值，计算出微处理器内部的模拟电路误差校正曲线；

S202、外部校准，仍将内部微处理器的多档基准电平加入到外部模拟电路的输入端口，用所述微处理器的模数转换器采集外部模拟电路输出端口的值，根据已知的输入端口值和采集到的输出端口值，计算出外部模拟电路误差校正曲线；

S203、得到硬件补偿曲线并储存，关闭出气口的风机，或通知上一级应用层关闭空气流，使所述空气流通通道内的气体处于静止状态；打开激光器，用所述微处理器的模数转换器采集外部模拟电路的输出值，得到无颗粒情况下因各种干扰光导致的环境噪声参数；综合S201、S202得到的误差校正曲线和环境噪声参数，得到最终的硬件补偿曲线。

本实施例中，可选的，所述步骤S30中的工作模式具体为：休眠模式、积极模式、典型模式和省电模式。主要不同在于实际采集过程的间隔，从而导致工作电流不同。因为采集过程需要开启风扇和激光器，并且微处理器内部的模拟模块和CPU也要全速工作，所以此过程的工作电流最大。休眠模式下，激光器、风扇以及所述微处理器的内部模拟电路全都关闭，微处理器也仅在低主频下维持最小程序运行以备唤醒，因此工作电流最小；积极模式下，传感器连续无间隔地进行数据采集，以最快的反映颗粒物质量浓度的变化，即灵敏度最高，一般应用在对功耗无要求的环境下；典型模式和省电模式均在传感器采集过程中加入间隔(间隔时激光器关闭，风扇开启，微处理器内部模拟电路关闭，CPU以较慢主频工作)，区别在于间隔时间长度不同，典型模式一般时间间隔为2～5分钟，省电模式时间间隔一般为5～10分钟。

本实施例中，可选的，所述采集的数据的数量为300-500个。

本实施例中，可选的，所述步骤S50具体为：

S501、对步骤S40中采集到的电信号根据S20中的补偿曲线进行补偿计算；

S502、将所述补偿计算的结果保存在存储器中，并增加存储结果的计数；或者将所述补偿计算的结果换算为单位气体体积内的颗粒数；

本实施例中，可选的，所述步骤S70具体为：

S701、根据步骤S50补偿计算后的电信号的峰值区间计算颗粒物的等效粒径；

S702、根据步骤S50补偿计算后的电信号的强度结合颗粒物等效密度曲线得到颗粒物的等效密度；

S703、根据步骤S701和S702的结果计算颗粒物等效质量；

S704、根据颗粒物的运动特性对颗粒物等效质量进行修正，，得到空气中悬浮颗粒物的质量浓度。

本实施例中，可选的，所述步骤S702中的颗粒物等效密度曲线与电信号强度的关系曲线由大数据量的统计分析得到。

本实施例中，可选的，所述颗粒物的运动特性对颗粒物等效质量的修正系数由大数据量的统计分析得到。

本发明的检测空气中悬浮颗粒物质量浓度的传感器具有以下优点：

1、本发明的传感器设计更加合理的结构，在不降低准确度的前提下缩短由激光发生器、感光元件和光陷阱组成的光路尺寸，同时减小空气流通通道的尺寸，使得整个传感器的尺寸大大缩小，易于嵌入到其他专业设备中。

2、通过对结构的小型化以及电路的简化，使得本发明的各部分加工以及装配都更加简单，使得制造成本大大降低；但同时结合数据处理方法，使所述传感器的检测精度显著提高。

3、通过凸透镜以及封闭式独立激光器座，确保了光学路径的一致性；同时在信号处理部分利用微处理器的附加模拟功能对电路器件的差异进行自动校准和补偿，来确保电路的一致性，因此在大批量自动化生产中，传感器个体之间也能保证较高的一致性，不用手动校准，可以大大提高生产效率。

4、空气通路结构上增加基于流体力学原理设计的具有分割孔的电路板，可以阻止大部分直径在10um以上的颗粒进入感光元件所在的区域，达到防尘和提高测量准确度的目的，同时使传感器免于维护。

5、通过合理的设计内部微处理器的工作和休眠节奏，大大降低传感器的功耗，使之更加利于嵌入到电器设备内部使用。

以上实施例的先后顺序仅为便于描述，不代表实施例的优劣。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种检测空气中悬浮颗粒物质量浓度的传感器，其特征在于，包括激光发生器、凸透镜、激光器座、光阑、凹面镜、感光元件和空气流通通道；

所述激光发生器固定于所述激光器座内，并发射激光束；

所述凸透镜设置于所述激光发生器的前端，以对所述激光发生器所发射的激光束进行聚焦；

所述光阑设置于所述激光器座上；

所述激光束与所述空气流通通道垂直相交；

所述凹面镜和感光元件分别设置于所述空气流通通道的两侧，且所述凹面镜与所述感光元件的连线分别与所述空气流通通道和激光束垂直相交。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，还包括壳体和电路板，所述壳体包括顶壁、底壁和固定于所述顶壁和底壁之间的前侧壁、后侧壁、左侧壁和右侧壁；所述壳体的前侧壁开设有出风口，所述后侧壁上开设有进风口，所述电路板水平设置于所述壳体内，位于所述进风口的上方，并将所述出风口分成上出风口和下出风口；在所述电路板上靠近所述进风口处开设有多个分割孔；所述分割孔为所述空气流通通道的起点；所述激光器座和感光元件设置于所述电路板上，所述凹面镜设置于所述顶壁上，并位于所述壳体内。

3.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，还包括设置于所述顶壁内侧，并向电路板方向延伸的挡板，所述挡板与所述激光器座构成所述空气流通通道。

4.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，所述空气流通通道呈“几”字形。

5.根据权利要求4所述的传感器，其特征在于，还包括滤波放大电路、微处理器和数据输出接口；所述滤波放大电路信号连接于所述感光元件，所述微处理器信号连接于所述滤波放大电路和数据输出接口。

6.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，还包括设置于所述进风口或出风口处的轴流式风机。

7.一种利用权利要求1-6所述的传感器检测空气中悬浮颗粒物质量浓度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10、对所述传感器通电；判断是否为对所述传感器第一次通电；如果是，执行步骤S20，否则执行步骤S30；

S20、对所述传感器进行校准；

S30、获得当前工作模式；如果所述工作模式为休眠模式，则关闭所述激光器和传感器；否则执行步骤S40；

S40、采集散射光，并将所述散射光信号转换为电信号；

S50、对所述电信号进行补偿计算；

S60、判断采集的数据的数量是否达到要求，如果是，执行步骤S70，否则执行步骤S40；

S70、对所述传感器采集的多个颗粒物参数进行处理，得到空气中悬浮颗粒物的质量浓度；

S80、通过数据输出接口将所述空气中悬浮颗粒物的质量浓度结果输出，并执行步骤S30。

8.根据权利要求7所述的检测空气中悬浮颗粒物质量浓度的方法，其特征在于，所述步骤S20具体为：

S201、内部校准；

S202、外部校准；

S203、得到硬件补偿曲线并保存。

9.根据权利要求7所述的检测空气中悬浮颗粒物质量浓度的方法，其特征在于，所述步骤S30中的工作模式具体为：休眠模式、积极模式、典型模式和省电模式。

10.根据权利要求7所述的检测空气中悬浮颗粒物质量浓度的方法，其特征在于，所述S70具体为：

S701、根据步骤S50补偿计算后的电信号的峰值区间计算颗粒物的等效粒径；

S702、根据步骤S50补偿计算后的电信号的强度结合颗粒物等效密度曲线得到颗粒物的等效密度；

S703、根据步骤S701和S702的结果计算颗粒物等效质量；

S704、根据颗粒物的运动特性对颗粒物等效质量进行修正，，得到空气中悬浮颗粒物的质量浓度。