CN105486620A - 一种空气净化器、激光粉尘浓度传感器及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于空气质量检测领域，尤其涉及一种空气净化器、激光粉尘浓度传感器及其检测方法。该激光粉尘浓度传感器在光陷阱中的特定位置增加一个用于修正的修正光敏，入射激光经过光陷阱内部吸收和反射后照射在修正光敏上的光强已经大幅减弱，此时通过特定的脉冲电压输出电路将修正光敏的输出电流转化而成的电压输出读为修正电压。传感器再根据该修正电压对所述检测光敏输出的实时脉冲电压进行修正，以修正后的脉冲电压为依据确定粉尘浓度。进而通过采用较低的成本和简单的工艺，使得激光粉尘浓度传感器在不同的温度下都具有较高的准确度。同样的，内置了该激光粉尘浓度传感器的空气净化器也能更好地达到空气净化的目的，提高用户体验。
Description
技术领域
本发明属于空气质量检测领域，尤其涉及一种空气净化器、激光粉尘浓度传感器及其检测方法。
背景技术
激光粉尘浓度传感器是利用MIE散射理论对空气中悬浮颗粒进行计数或者质量浓度测量的装置。如图1所示，通常方式是使用独立风道，将采样空气引入到传感器中，采样空气流过检测光敏元件1的正上方，再使用单色激光(由激光发射管2执行)照射在采样空气上，并且入射光与检测光敏平行；激光通过透镜3在检测光敏1的正上方汇聚成足够小的光斑，同时通过一个光陷阱接头4对激光进行吸收，用以降低反射和散射产生的光噪声。通过调节空气流量和检测光敏的暴露面积可以使空气中的颗粒物通常逐个地通过检测光敏的上方。而检测光敏1接收到散射光之后，再转化为足够强的脉冲电压输出。图2示出了三种不同大小的粉尘颗粒的脉冲波形，其中，脉冲电压2000mv、800mv和200mv分别为PM10、PM2.5和PM0.3的最大脉冲幅值。由图2可知，脉冲电压的幅值与粉尘颗粒的直径相关；脉冲电压的个数与粉尘颗粒的浓度相关。因此，可以通过对脉冲电压Vt的幅值进行分类，得出不同大小粉尘颗粒的个数或者质量浓度。
而激光发射管，作为激光粉尘浓度传感器的核心部件之一，其工作状态对激光粉尘浓度传感器的准确度有很大的影响。常用的激光发射管都具有输出功率随温度变化而变化的特性，温度越高则其输出功率越低，输出功率越低则检测到的粉尘颗粒的个数或者质量浓度越低。因为不同温度下的激光发射管的输出功率差距较大，因此容易造成不同温度下激光粉尘浓度传感器的输出准确度不一致的现象。实际上，通常也会使用一个恒流电路或者恒功率电路对激光发射管的输出功率进行控制，但是对于小体积低成本的激光粉尘浓度传感器而言，使用低成本的恒流电路或者恒功率电路通常不足以补偿较大温度差异所造成的误差。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的首先即在于提供一种激光粉尘浓度传感器，以解决现有激光粉尘浓度传感器在不同温度条件下的输出准确度不一致的问题，使其在不同温度条件下都能具有较高的准确度。
为了实现上述目的，本发明所提供的激光粉尘浓度传感器，包括激光发射管、检测光敏、光陷阱和与所述检测光敏电连接的脉冲电压输出电路，作为改进，所述激光粉尘浓度传感器还包括一设置在光陷阱内部、并且与所述脉冲电压输出电路相接的修正光敏；所述修正光敏根据接收到的所述光陷阱反射的入射激光输出一个修正电压，所述脉冲电压输出电路根据接收到的所述修正电压对所述检测光敏输出的实时脉冲电压进行修正，以修正后的脉冲电压为依据确定粉尘浓度。
进一步的，所述修正光敏设置在所述光陷阱内部，并且使得所述光陷阱中的入射激光的反射光垂直照射在所述修正光敏上。
更进一步的，所述修正光敏的安装位置为所述光陷阱中的入射激光的反射光的光斑中心。
具体的，所述脉冲电压输出电路包括MCU；所述修正光敏的输出通过电阻R1转化为电压输出连接在所述MCU的第一AD转换检测脚J1，所述检测光敏检测到的实时脉冲电压连接到所述MCU的第二AD转换检测脚J2。
作为优选，所述检测光敏检测到的实时脉冲电压通过多级放大电路单元的放大后连接到所述MCU的第二AD转换检测脚J2。
具体的，所述多级放大电路单元包括放大器U1、电阻R2和电容C1；所述检测光敏的输出端接所述放大器U1的反相输入端，所述放大器U1的正相输入端接地，所述放大器U1的输出端接所述MCU的第二AD转换检测脚J2，所述电阻R2和电容C1分别并接在所述放大器U1的反相输入端与所述放大器U1的输出端之间。
更具体的，所述检测光敏和修正光敏均为硅光电池。
另一方面，本发明实施例还提供一种采用如上所述的激光粉尘浓度传感器进行的粉尘浓度的检测方法，该检测方法包括：
激光发射管发出激光后，修正光敏先根据接收到的光陷阱反射的入射激光输出一个修正电压V0给脉冲电压输出电路；
在后续的检测过程中，所述脉冲电压输出电路分别接收检测光敏传输的实时脉冲电压Vt和修正光敏传输的实时输出电压V1；根据公式Vt’＝K*Vt对所述检测光敏输出的实时脉冲电压Vt进行修正，以修正后的脉冲电压Vt’为依据确定粉尘浓度；其中，K为修正系数，是关于修正电压V0和实时输出电压V1的预设函数。作为优选，所述修正系数K＝V1/V0。
第三方面，本发明实施例还提供一种空气净化器，作为改进，所述空气净化器包括如上所述的各种形式下的激光粉尘浓度传感器。
本发明实施例提供的激光粉尘浓度传感器及其粉尘浓度检测方法，在光陷阱中的特定位置增加一个用于修正的修正光敏。一般情况下激光直接照射在检测光敏上，容易造成输出饱和，而本发明将修正光敏设置在光陷阱的特定位置，入射激光经过光陷阱内部吸收和反射后照射在修正光敏上的光强已经大幅减弱，不会照成光敏输出饱和。因此，此时通过特定的脉冲电压输出电路将修正光敏的输出电流转化而成的电压输出读为修正电压，该修正电压值可客观反映出当前激光发射管所发出的光强度。传感器再根据该修正电压对所述检测光敏输出的实时脉冲电压进行修正，以修正后的脉冲电压为依据确定粉尘浓度。进而通过采用较低的成本和简单的工艺，使得激光粉尘浓度传感器在不同的温度下都具有较高的准确度。同样的，内置了该激光粉尘浓度传感器的空气净化器也能更好地达到空气净化的目的，提高用户体验。
附图说明
图1是现有激光粉尘浓度传感器的检测原理示意图；
图2是现有激光粉尘浓度传感器在检测到不同大小的粉尘颗粒时形成的脉冲波形；
图3是本发明实施例提供的激光粉尘浓度传感器的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的激光粉尘浓度传感器中的脉冲电压输出电路的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图3是本发明实施例提供的激光粉尘浓度传感器的结构示意图；为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，如图所示：
一种激光粉尘浓度传感器，包括激光发射管10、检测光敏20、光陷阱30和与所述检测光敏20电连接的脉冲电压输出电路(图中并未示出该脉冲电压输出电路)，作为改进，所述激光粉尘浓度传感器还包括一设置在光陷阱30内部、并且也与所述脉冲电压输出电路相接的修正光敏40。在图3所示的本实施例中，光陷阱30有左右两个侧壁，修正光敏40安装在光陷阱30的左侧侧壁上，入射激光直接照射到光陷阱30的右侧壁上，一部分被右侧壁吸收，另一部分通过反射照射在修正光敏40上。该修正光敏40用于接收光陷阱30反射的入射激光，输出一个修正电压给脉冲电压输出电路，所述脉冲电压输出电路再根据接收到的修正电压对检测光敏20输出的实时脉冲电压进行修正，最后以修正后的脉冲电压为依据确定粉尘浓度。
并且，进一步的，修正光敏40不仅设置在光陷阱30的内部，作为优选还要使得光陷阱30中的入射激光的反射光垂直照射在所述修正光敏40上。为了能够清楚简要的说明，本实施例中的光陷阱选用等腰直角三角形的形状，如图所示，图中的光陷阱30的右侧壁水平夹角选择为45°，使得右侧壁上的反射光能垂直照射在修正光敏40上。而在对检测光敏20和修正光敏40的器材种类选择上，需要综合考虑激光发射管发出的激光波长来决定。作为优选，检测光敏20和修正光敏40均可选用硅光电池。更进一步的，本领域技术人员应该能够理解，该修正光敏40的安装位置以光陷阱30中的入射激光的反射光的光斑中心为最佳。
图4是本发明实施例提供的激光粉尘浓度传感器中的脉冲电压输出电路的示意图。同样的，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。
参见图4，脉冲电压输出电路包括MCU；修正光敏40的输出通过电阻R1转化为电压输出连接在所述MCU的第一AD转换检测脚J1，检测光敏20检测到的实时脉冲电压连接到所述MCU的第二AD转换检测脚J2。
作为优选，如图所示，检测光敏20检测到的粉尘颗粒的实时脉冲电压还可通过多级放大电路单元501的放大后再连接到所述MCU的第二AD转换检测脚J2。具体而言，在具体实现时，多级放大电路单元501可以包括放大器U1、电阻R2和电容C1；检测光敏20的输出端接放大器U1的反相输入端-，放大器U1的正相输入端+接地，放大器U1的输出端接所述MCU的第二AD转换检测脚J2，而电阻R2和电容C1则分别并接在放大器U1的反相输入端-与放大器U1的输出端之间。
以图3和图4所示的激光粉尘浓度传感器为例，本发明实施例将修正光敏40设置在光陷阱30的特定位置，入射激光经过光陷阱30内部吸收和反射后照射在修正光敏40上的光强已经大幅减弱，此时修正光敏40将输出电流转化成电压信号输出给脉冲电压输出电路，MCU通过第一AD转换检测脚J1读取该电压信号并记录为修正电压V0，该修正电压V0可客观反映出当前激光发射管所发出的光强度。MCU再根据该修正电压V0对所述检测光敏20输出的实时脉冲电压进行修正，以修正后的脉冲电压为依据确定粉尘浓度。进而通过采用较低的成本和简单的工艺，使得激光粉尘浓度传感器在不同的温度下都具有较高的准确度。
由此可知，在利用本发明上述实施例提供的激光粉尘浓度传感器对粉尘浓度进行检测时，该检测方法具体包括：
激光发射管10发出激光后，修正光敏40先根据接收到的光陷阱30反射的入射激光输出一个修正电压V0给脉冲电压输出电路；
在后续的检测过程中，所述脉冲电压输出电路分别接收检测光敏20传输的实时脉冲电压Vt和修正光敏40传输的实时输出电压V1；根据公式Vt’＝K*Vt对所述检测光敏20输出的实时脉冲电压Vt进行修正，以修正后的脉冲电压Vt’为依据确定粉尘浓度；其中，K为修正系数，是关于修正电压V0和实时输出电压V1的预设函数。
K的具体表达式可以根据不同传感器的结构和激光发射管的种类实际测试得到。作为优选，在具体实现时，该修正系数的表达式可以为K＝V1/V0。即，在实际检测过程中，若MCU的第二AD转换检测脚J2读取到检测光敏20因为检测到粉尘颗粒产生的的脉冲电压为Vt、第一AD转换检测脚J1读取到修正光敏40的实时输出电压为V1时，则认为当前实际检测到的粉尘颗粒产生的脉冲电压为Vt’＝(V1/V0)*Vt，进一步可以根据修正后的Vt’的值对检测到的粉尘颗粒进行分类，进而可以对不同大小的粉尘颗粒进行技术或者质量浓度的计算。
最后，本发明实施例还提供一种空气净化器。该空气净化器包括如上所述的各种形式下的激光粉尘浓度传感器，其对空气中粉尘颗粒的检测方法也与上述内容相同，在此就不再赘述。
综上所述，本发明实施例提供的激光粉尘浓度传感器及其粉尘浓度检测方法，在光陷阱中的特定位置增加一个用于修正的修正光敏。一般情况下激光直接照射在检测光敏上，容易造成输出饱和，而本发明将修正光敏设置在光陷阱的特定位置，入射激光经过光陷阱内部吸收和反射后照射在修正光敏上的光强已经大幅减弱，不会照成光敏输出饱和。因此，此时通过特定的脉冲电压输出电路将修正光敏的输出电流转化而成的电压输出读为修正电压，该修正电压值可客观反映出当前激光发射管所发出的光强度。传感器再根据该修正电压对所述检测光敏输出的实时脉冲电压进行修正，以修正后的脉冲电压为依据确定粉尘浓度。进而通过采用较低的成本和简单的工艺，使得激光粉尘浓度传感器在不同的温度下都具有较高的准确度。同样的，内置了该激光粉尘浓度传感器的空气净化器也能更好地达到空气净化的目的，提高用户体验。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了较详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种激光粉尘浓度传感器，包括激光发射管、检测光敏、光陷阱和与所述检测光敏电连接的脉冲电压输出电路，其特征在于，所述激光粉尘浓度传感器还包括一设置在光陷阱内部、并且与所述脉冲电压输出电路相接的修正光敏；所述修正光敏根据接收到的所述光陷阱反射的入射激光输出一个修正电压，所述脉冲电压输出电路根据接收到的所述修正电压对所述检测光敏输出的实时脉冲电压进行修正，以修正后的脉冲电压为依据确定粉尘浓度。
2.如权利要求1所述的激光粉尘浓度传感器，其特征在于，所述修正光敏设置在所述光陷阱内部，并且使得所述光陷阱中的入射激光的反射光垂直照射在所述修正光敏上。
3.如权利要求2所述的激光粉尘浓度传感器，其特征在于，所述修正光敏的安装位置为所述光陷阱中的入射激光的反射光的光斑中心。
4.如权利要求1所述的激光粉尘浓度传感器，其特征在于，所述脉冲电压输出电路包括MCU；所述修正光敏的输出通过电阻R1转化为电压输出连接在所述MCU的第一AD转换检测脚J1，所述检测光敏检测到的实时脉冲电压连接到所述MCU的第二AD转换检测脚J2。
5.如权利要求4所述的激光粉尘浓度传感器，其特征在于，所述检测光敏检测到的实时脉冲电压通过多级放大电路单元的放大后连接到所述MCU的第二AD转换检测脚J2。
6.如权利要求5所述的激光粉尘浓度传感器，其特征在于，所述多级放大电路单元包括放大器U1、电阻R2和电容C1；
所述检测光敏的输出端接所述放大器U1的反相输入端，所述放大器U1的正相输入端接地，所述放大器U1的输出端接所述MCU的第二AD转换检测脚J2，所述电阻R2和电容C1分别并接在所述放大器U1的反相输入端与所述放大器U1的输出端之间。
7.如权利要求1所述的激光粉尘浓度传感器，其特征在于，所述检测光敏和修正光敏均为硅光电池。
8.一种采用如权利要求1所述的激光粉尘浓度传感器进行的粉尘浓度的检测方法，其特征在于，所述检测方法包括：
激光发射管发出激光后，修正光敏先根据接收到的光陷阱反射的入射激光输出一个修正电压V0给脉冲电压输出电路；
在后续的检测过程中，所述脉冲电压输出电路分别接收检测光敏传输的实时脉冲电压Vt和修正光敏传输的实时输出电压V1；根据公式Vt’＝K*Vt对所述检测光敏输出的实时脉冲电压Vt进行修正，以修正后的脉冲电压Vt’为依据确定粉尘浓度；其中，K为修正系数，是关于修正电压V0和实时输出电压V1的预设函数。
9.如权利要求8所述的粉尘浓度的检测方法，其特征在于，所述修正系数K＝V1/V0。
10.一种空气净化器，其特征在于，所述空气净化器包括如权利要求1-7任一项所述的激光粉尘浓度传感器。
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