CN105259085B - 一种激光粉尘传感器的粉尘浓度测量系统及其测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光粉尘传感器的粉尘浓度测量系统及其测量方法，所述测量系统包括激光器、光敏管、MCU、PID控制器以及风扇；所述MCU，用于控制激光器的激光闪烁工作频率，以及设定风扇的恒定转速，且通过PID控制器使风扇维持所述设定的恒定转速；还用于对光敏管发送的第一散射光强信号和第二散射光强信号进行处理分析，利用差分算法得到粉尘颗粒物个数n与粉尘浓度值PM的关系曲线；所述光敏管，用于当风扇运转在恒定转速下，采集激光器在所述工作频率工作时的第一散射光强信号以及激光器不工作时的第二散射光强信号，并将所述第一散射光强信号和所述第二散射光强信号传输至所述MCU。

Description

一种激光粉尘传感器的粉尘浓度测量系统及其测量方法
技术领域
本发明涉及粉尘测量技术领域，具体涉及一种激光粉尘传感器的粉尘浓度测量系统及其测量方法。
背景技术
近年来，雾霭天气对人们的生活和健康造成了不良影响，对于颗粒物检测技术研究已经刻不容缓，目前粉尘浓度检测方法有震荡天平法、β射线吸收法、光散射法等。一般激光粉尘传感器工作方式是通过风扇的转动令采样空气均匀的通过密闭的风道，激光器发射一束单色光直射在采样空气上，激光遇到采样空气中的颗粒物会发生散射现象，用光敏管采集此时的散射光强，根据散射光强计算出颗粒物浓度。
目前，采用的粉尘浓度测量方法存在以下缺点：
(1)红外激光不间断工作会导致红外激光器寿命短而且长时间工作使红外激光器功率衰减，导致粉尘浓度测量准确度较差；
(2)由于风扇转速受外界温度影响很大，外界温度发生变化会导致单位时间内通过光束的采样空气流量发生改变从而导致粉尘浓度测量值出现偏差；激光粉尘传感器工作时间较长时，风扇的润滑效果变差，阻力变大，风扇转速变小，从而导致单位时间内通过光束的采样空气流量变小，使得粉尘浓度测量值变小；
(3)在大规模生产中，由于激光管功率误差、电源噪声干扰、半导体器件不一致性，导致测量数据一致性差，从而导致合格率低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种粉尘传感器的粉尘浓度测量系统及其测量方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
基于本发明的一个方面，提供了一种粉尘传感器的粉尘浓度测量系统，所述系统包括激光器、光敏管、MCU、PID控制器以及风扇；
所述MCU，用于控制激光器的激光闪烁工作频率，以及设定风扇的恒定转速，且通过PID控制器使风扇维持所述设定的恒定转速；还用于对光敏管发送的第一散射光强信号和第二散射光强信号进行处理分析，得到粉尘颗粒物个数n与粉尘浓度值PM的关系曲线；
所述光敏管，用于当风扇运转在恒定转速下，采集激光器在所述工作频率工作时的第一散射光强信号以及激光器不工作时的第二散射光强信号，并将所述第一散射光强信号和所述第二散射光强信号传输至所述MCU。
基于本发明的另一个方面，提供了一种采用粉尘传感器的粉尘浓度测量系统进行粉尘浓度测量的方法，所述方法包括：
S1、MCU设定风扇的恒定转速且通过PID控制器使风扇维持所述设定的恒定转速，以及控制激光器的激光闪烁工作频率；
S2、当风扇运转在恒定转速下，光敏管采集激光器在所述工作频率工作时的第一散射光强信号以及激光器不工作时的第二散射光强信号，并将所述第一散射光强信号和所述第二散射光强信号传输至所述MCU；
S3、MCU对光敏管发送的第一散射光强信号和第二散射光强信号进行处理分析，并利用差分算法得到粉尘颗粒物个数n与粉尘浓度值PM的关系曲线。
本发明提供的一种粉尘传感器的粉尘浓度测量系统及其测量方法，通过MCU控制激光器的工作频率，是激光器闪烁工作，避免激光器不间断工作导致激光器寿命短而且长时间工作使激光器功率衰减，导致粉尘浓度测量准确性较差；通过MCU和PID控制器维持风扇恒速，可避免风扇由于温度以及长时间工作对采样空气流量造成的影响进而使粉尘浓度测量值变小；另外，采用差分算法，对粉尘颗粒物个数n与粉尘浓度值PM的关系曲线进行修正，得到更准确的粉尘浓度测量结果。
附图说明
图1为本发明实施例1的一种粉尘传感器的粉尘浓度测量系统示意图；
图2为本发明实施例2的一种粉尘传感器的粉尘浓度测量方法流程图；
图3为实施例中维持风扇恒速的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1、一种粉尘传感器的粉尘浓度测量系统。以下结合图1对本实施例提供的粉尘浓度测量系统进行详细说明。
参见图1，本实施例提供的粉尘测量系统包括激光器、光敏管、MCU、PID控制器以及风扇。所述MCU，用于控制激光器的激光闪烁工作频率，以及设定风扇的恒定转速，且通过PID控制器使风扇维持所述设定的恒定转速；还用于对光敏管发送的第一散射光强信号和第二散射光强信号进行处理分析，得到粉尘颗粒物个数n与粉尘浓度值PM的关系曲线。所述光敏管，用于当风扇运转在恒定转速下，采集激光器在所述工作频率工作时的第一散射光强信号以及激光器不工作时的第二散射光强信号，并将所述第一散射光强信号和所述第二散射光强信号传输至所述MCU。
其中，光敏管采集的第一散射光强信号和第二散射光强信号为电流信号，本实施例提供的粉尘浓度测量系统还包括：信号转换器，用于将光敏管采集的电流形式的第一散射光强信号和第二散射光强信号转换为电压形式的第一散射光强信号和第二散射光强信号；电压放大器，用于对电压形式的第一散射光强信号和第二散射光强信号进行电压放大，并将放大后的第一散射光强信号和第二散射光强信号传输至MCU。
实施例2、一种采用激光粉尘传感器的粉尘浓度测量系统进行粉尘浓度测量的方法。以下结合图2和图3对本实施例提供的粉尘浓度测量方法进行详细描述。
参见图2，S1、MCU设定风扇的恒定转速且通过PID控制器使风扇维持所述设定的恒定转速，以及控制激光器的激光闪烁工作频率。
具体的，图3为维持风扇恒速的流程图，MCU设定风扇的恒定转速NA，并通过风扇反馈的转速信号获取风扇实时转速Nr，并获取上一时间风扇转速NI。计算风扇的第一转速误差ERROR1＝NA-Nr和风扇的第二转速误差ERROR2＝NA-NI，并计算电平改变量△PWM＝KP*ERROR1+KI*(ERROR1-ERROR2)。根据所述上一时间的占空比PWM1计算脉冲信号当前需要的占空比PWM2＝PWM1+△PWM，并将PWM2输出给PID控制器以使PID控制器向风扇输出PWM2的脉冲信号进而使风扇维持设定的恒定转速。一个具体的例子：MCU将风扇转速恒速到6500转/min，而MCU控制器检测当前转速7100转/min，上1s风扇转速6400转/min，MCU控制器电平变化量△PWM＝(0.00027*(6500-7100)+0.000058*(6500-6400))/100＝-10.4％，即假设MCU控制器当前PWM占空比80％，此时为使转速达到6500转/min，MCU控制器需输出PWM＝80％-10.4％＝69.6％。
为了避免激光器长期工作导致激光器功率衰减而减少激光器的寿命，本实施例采用激光闪烁方法，因此，MCU设定激光器的工作频率，以控制激光器按照设定的工作频率进行激光闪烁，可延长激光器的工作寿命，避免激光功率衰减。
S2、当风扇运转在恒定转速下，光敏管采集激光器在所述工作频率工作时的第一散射光强信号以及激光器不工作时的第二散射光强信号，并将所述第一散射光强信号和所述第二散射光强信号传输至所述MCU。
具体的，风扇运转在恒定转速下，MCU控制激光器按照设定的工作频率工作一段时间，比如，工作500ms，在这段时间内，光敏管采集激光器的散射光强信号，该散射光强信号为电流信号，因此经过信号转换器将电流形式的散射光强信号转换为电压形式的散射光强信号，并经过电压放大器后得到电压值VA。同样MCU控制激光器不工作一段时间，同样，在500ms内不工作，在这段时间内，光敏管采集激光器的散射光强信号，同样经过电压转换并经过放大得到电压值VB。并将放大后的电压值VA和电压值VB传输至MCU。
S3、MCU对光敏管发送的第一散射光强信号和第二散射光强信号进行处理分析，并利用差分算法得到粉尘颗粒物个数n与粉尘浓度值PM的关系曲线。
具体的，MCU控制激光器工作时，采集此时经过电压放大后的电压值VA1，MCU控制激光器不工作时，采集此时经过电压放大后的电压值VB1。MCU通过计算VA1与VB1的差值，VA1-VB1，并找到该差值在一定范围内的时间段，比如，本实施例中的一定范围为大于0.3um标准粒子参考电压，以及小于2.5um标准粒子参考电压的时间段，并计算出这个时间段内单位时间内的颗粒物个数n1，以及粉尘浓度值PM1。
当外界环境发生变化时，MCU分别采集激光器工作时的放大电压值VA2和激光器不工作时的放大电压值VB2，采用同样的方法得到该外界环境下单位时间内颗粒物个数n2以及粉尘浓度值PM2。计算粉尘颗粒物个数n与粉尘浓度值PM的关系曲线PM＝(PM2-PM1)/(n2-n1)*n+(PM1*n2-PM2*n1)/(n2-n1)。通过该曲线，由当前颗粒物个数n3即可得到当前粉尘浓度测量值PM3。
一个具体的例子：当前环境下，激光传感器测得当前颗粒物个数1400，实际粉尘浓度为12ug/m3；当外界环境变化时，激光传感器测得当前颗粒物个数13400个，实际粉尘浓度为120ug/m3，则修正系数为0.008955，当传感器测得颗粒物个数8900，粉尘质量输出值为79.7ug/m3。
本发明提供的一种激光粉尘传感器的粉尘浓度测量系统及其测量方法，通过MCU控制激光器的工作频率，使激光器闪烁工作，避免激光器不间断工作导致激光器寿命短而且长时间工作使激光器功率衰减，导致粉尘浓度测量准确性较差；通过MCU和PID控制器维持风扇恒速，可避免风扇由于温度以及长时间工作对采样空气流量造成的影响进而使粉尘浓度测量值变小；另外，采用差分算法，对粉尘颗粒物个数n与粉尘浓度值PM的关系曲线进行修正，得到更准确的粉尘浓度测量结果；此外，采用差分算法，计算出激光器工作和不工作时采样电压差值，可消除噪声干扰以及半导体元器件失调电压干扰，致使传感器一致性高，易于大规模生产。
在本说明书的描述中，参考术语“实施例一”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体方法、装置或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、方法、装置或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种激光粉尘传感器的粉尘浓度测量系统，其特征在于，所述系统包括激光器、光敏管、MCU、PID控制器以及风扇；
所述MCU，用于控制激光器的激光闪烁工作频率，以及设定风扇的恒定转速，且通过PID控制器使风扇维持所述设定的恒定转速；还用于对光敏管发送的第一散射光强信号和第二散射光强信号进行处理分析，得到粉尘颗粒物个数n与粉尘浓度值PM的关系曲线，具体是：
MCU控制激光器工作时，采集此时经过电压放大后的电压值VA1，MCU控制激光器不工作时，采集此时经过电压放大后的电压值VB1；MCU通过计算VA1与VB1的差值，VA1-VB1，并找到该差值在一定范围内的时间段，并计算出这个时间段内单位时间内的颗粒物个数n1，以及粉尘浓度值PM1，当外界环境发生变化时，MCU分别采集激光器工作时的放大电压值VA2和激光器不工作时的放大电压值VB2，采用同样的方法得到该外界环境下单位时间内颗粒物个数n2以及粉尘浓度值PM2；计算粉尘颗粒物个数n与粉尘浓度值PM的关系曲线PM＝(PM2-PM1)/(n2-n1)*n+(PM1*n2-PM2*n1)/(n2-n1)；
所述光敏管，用于当风扇运转在恒定转速下，采集激光器在所述工作频率工作时的第一散射光强信号以及激光器不工作时的第二散射光强信号，并将所述第一散射光强信号和所述第二散射光强信号传输至所述MCU。
2.如权利要求1所述的激光粉尘传感器的粉尘浓度测量系统，其特征在于，光敏管采集的第一散射光强信号和第二散射光强信号为电流信号，所述系统还包括：
信号转换器，用于将光敏管采集的电流形式的第一散射光强信号和第二散射光强信号转换为电压形式的第一散射光强信号和第二散射光强信号；
电压放大器，用于对电压形式的第一散射光强信号和第二散射光强信号进行电压放大，并将放大后的第一散射光强信号和第二散射光强信号传输至MCU。
3.一种采用权利要求1或2所述的激光粉尘传感器的粉尘浓度测量系统进行粉尘测量的方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、MCU设定风扇的恒定转速且通过PID控制器使风扇维持所述设定的恒定转速，以及控制激光器的激光闪烁工作频率；
S2、当风扇运转在恒定转速下，光敏管采集激光器在所述工作频率工作时的第一散射光强信号以及激光器不工作时的第二散射光强信号，并将所述第一散射光强信号和所述第二散射光强信号传输至所述MCU；
S3、MCU对光敏管发送的第一散射光强信号和第二散射光强信号进行处理分析，得到粉尘颗粒物个数n与粉尘浓度值PM的关系曲线，具体是：
MCU控制激光器工作时，采集此时经过电压放大后的电压值VA1，MCU控制激光器不工作时，采集此时经过电压放大后的电压值VB1；MCU通过计算VA1与VB1的差值，VA1-VB1，并找到该差值在一定范围内的时间段，并计算出这个时间段内单位时间内的颗粒物个数n1，以及粉尘浓度值PM1，当外界环境发生变化时，MCU分别采集激光器工作时的放大电压值VA2和激光器不工作时的放大电压值VB2，采用同样的方法得到该外界环境下单位时间内颗粒物个数n2以及粉尘浓度值PM2；计算粉尘颗粒物个数n与粉尘浓度值PM的关系曲线PM＝(PM2-PM1)/(n2-n1)*n+(PM1*n2-PM2*n1)/(n2-n1)。
4.如权利要求3所述的采用激光粉尘传感器的粉尘浓度测量系统进行粉尘测量的方法，其特征在于，所述步骤S1中MCU设定风扇的恒定转速且通过PID控制器使风扇维持所述设定的恒定转速具体包括：
MCU设定风扇的恒定转速NA，并通过风扇反馈的转速信号获取风扇实时转速Nr，并获取上一时间风扇转速NI；
计算第一转速误差ERROR1＝NA-Nr和第二转速误差ERROR2＝NA-NI，并计算电平改变量△PWM＝KP*ERROR1+KI*(ERROR1-ERROR2)；
根据所述上一时间的占空比PWM1计算脉冲信号当前需要的占空比PWM
2＝PWM1+△PWM，并将PWM2输出给PID控制器以使PID控制器向风扇输出PWM2的脉冲信号进而使风扇维持设定的恒定转速。
5.如权利要求3所述的采用激光粉尘传感器的粉尘浓度测量系统进行粉尘测量的方法，其特征在于，所述步骤S2中光敏管采集的第一散射光强信号和第二散射光强信号为电流信号，所述步骤S2还包括：
将电流形式的第一散射光强信号与第二散射光强信号转换为电压形式的第一散射光强信号和第二散射光强信号，且分别经过电压放大后得到放大后的电压值VA和VB。
6.如权利要求5所述的采用激光粉尘传感器的粉尘浓度测量系统进行粉尘测量的方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
S31、MCU控制激光器工作时，采集此时经过电压放大后的电压值VA1；
S32、MCU控制激光器不工作时，采集此时经过电压放大后的电压值VB1；
S33、MCU通过计算VA1与VB1的差值，得到单位时间内颗粒物个数n1以及粉尘浓度值PM1；
S34、当外界环境发生变化时，MCU分别采集激光器工作时的放大电压值VA2和激光器不工作时的放大电压值VB2；
S35、MCU通过计算VA2与VB2的差值，得到此时单位时间内颗粒物个数n2以及粉尘浓度值PM2；
S36、计算粉尘颗粒物个数n与粉尘浓度值PM的关系曲线PM＝(PM2-PM1)/(n2-n1)*n+(PM1*n2-PM2*n1)/(n2-n1)。
7.如权利要求6所述的采用激光粉尘传感器的粉尘浓度测量系统进行粉尘测量的方法，其特征在于，所述步骤S3之后还包括：
根据当前测得的粉尘颗粒物个数n3以及得到的所述关系曲线，得到粉尘浓度测量值PM3，输出当前的粉尘浓度测量值PM3。
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