CN106290089A - 一种高精度的微型化颗粒物传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种高精度的微型化颗粒物传感器，其结构由暗室、汇聚透镜、收集透镜、红外LED、光接收器、光阑、电路组成。该微型化颗粒物传感器可以高精度地检测空气中颗粒物的浓度，相比于以往的传感器，具有精度高、成本低、体积小、功耗低、稳定可靠、耐酸碱腐蚀、防静电、方便使用的特点，可广泛应用于各种环境的颗粒物监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种高精度的微型化颗粒物传感器。
背景技术
大气颗粒物主要来自于人为排放，包括三大化石燃料、生物质等燃烧以及道路和建筑扬尘、工业粉尘等直接排放的颗粒物，也包括一次排放的气态污染物转化而成的二次颗粒物。大气颗粒物能够较长时间悬浮于空气中，易携带有毒、有害物质，且输送距离远，而人体的生理结构决定了其过滤和阻挡大气颗粒物的效果有限，因此大气颗粒物对人体健康的影响很大。
伴随着近些年来我国经济的高速发展，人们对周围的生活环境质量尤其是空气质量越来越关注，这促进了空气质量在线监测技术的快速发展。光散射法是最为常用的一种空气质量在线监测方法，利用光散射原理发明的颗粒物传感器市面上屡见不鲜，然而市面上的这种传感器存在以下缺点：1、光学器件发出的光线经过传感器测量室内壁面的多次反射形成杂散光，杂散光和被颗粒物散射的光线一起进入光接收器，导致信噪比过低，读数漂移大，测量结果产生很大偏差；2、系统设计不合理，发光器件在较大电流下工作，导致功耗偏大；3、所采用的透镜焦距长、口径大，造成整体传感器尺寸偏大；4、传感器电路板裸露在外面，容易发生受潮、被腐蚀、老化等问题，造成传感器寿命偏短，性能不稳定；5、传感器所采用的探测头对可见光有响应，所以容易受到外界光线的干扰，造成传感器读数不准确。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提供一种高精度的微型化颗粒物传感器。
本发明解决上述技术缺陷所采用的技术方案如下所述：一种高精度的微型化颗粒物传感器由暗室、汇聚透镜、收集透镜、红外LED、光接收器、光阑、电路组成，所述的颗粒物传感器至少有一面有一个通气孔，供环境空气进入暗室测量。
所述的汇聚透镜、收集透镜、红外LED、光接收器均安装在暗室内，汇聚透镜、光阑、红外LED组成发射系统，光阑位于汇聚透镜和红外LED之间，这样可以滤除红外LED的大角度出射光，而使得小角度出射光正常通过。
所述的收集透镜、光阑、光接收器组成检测系统，光阑位于收集透镜和光接收器之间，这样可以滤除杂散背景光，而散射产生的信号光能够正常通过。
更加优选地，所述的光阑中心围绕形成一个锥形的空间，这样可使得上述滤除效果最好。
发射系统和检测系统分别设于通气孔两侧。
所述的汇聚透镜、收集透镜均采用短焦距、小口径的透镜，以实现整个系统的微型化。
所述的暗室采用吸光性强的材料，这将有利于消除杂散光的干扰，保证传感器读数的准确性。
所述的电路包括恒流驱动模块、I-V转换、运算放大器以及连接器。红外LED在恒流驱动模块的控制下，发出稳定的红外光线，照射在颗粒物上产生散射光，散射光被光接收器接受并产生电流信号，该电流信号经过I-V转换变成电压信号，再经过运算放大输出。
更加优选地，所述的光接收器为光电三极管，这样可以有更高的光电转化效率，并配合检测系统，使得红外LED工作在较低功率，从而实现整个模块的低功耗，最终使得本发明的颗粒物传感器工作电流降到1mA以内。
更加优选地，所述的光接收器的探测头表面为能滤除可见光的材料，这样可以有效滤除可见光的干扰，进一步增强传感器读数的准确性。
所述的暗室表面包裹着一层屏蔽壳，所述的电路包括滤波电容，所述的滤波电容和屏蔽壳可充分滤除外部干扰，保证信号的真实性，提高信噪比。
所述的暗室底面有一直口，所述的电路固定在暗室底面直口形成的安装空间内，并通过灌封工艺将电路板固定在暗室底面上，这样可以将电路永久地固定在暗室底面直口形成的空间内，而且整个颗粒物传感器不会有电路板裸露，增强传感器耐酸碱腐蚀、防震抗压、电绝缘等物理性能，也增加了颗粒物传感器的整体美观效果。
借由以上技术方案，本发明的优点在于：
1、准确度高、精度高，可以有效检测环境空气中的颗粒物含量；
2、体积小，方便安装和使用；
3、低功耗，工作电流可从目前市面上颗粒物传感器通常的20mA降至1mA以内，可用于微型电池供电的便携产品；
4、产品外观无裸露电路，整体效果较为美观；
5、防潮抗震抗压、耐酸碱腐蚀、绝缘性好；
6、对可见光不敏感，不易受自然光影响，抗干扰能力强。
附图说明
图1、2为本发明的整体结构示意图。
图3为本发明的电路示意图。
主要部件标号说明：
具体实施方式
为令本发明的发明目的、技术手段及技术效果有更完整及清楚的揭露,以下将详细说明,并请一并参阅附图及部件标号。
一种高精度的微型化颗粒物传感器，包括：暗室1、汇聚透镜2、收集透镜3、红外LED 4、光接收器5、光阑6、电路。颗粒物传感器至少有一面有一个通气孔7，供环境空气进入暗室1测量。
汇聚透镜2、收集透镜3、红外LED 4、光接收器5均安装在暗室1内，汇聚透镜2、光阑6、红外LED 4组成发射系统，光阑6位于汇聚透镜2和红外LED 4之间，这样可以滤除红外LED 4的大角度出射光，而使得小角度出射光正常通过。收集透镜3、光阑6、光接收器5组成检测系统，光阑6位于收集透镜3和光接收器5之间，这样可以滤除杂散背景光，而散射产生的信号光能够正常通过。
更加优选地，光阑6中心围绕形成一个锥形的空间，这样可使得上述滤除效果最好。
发射系统和检测系统分别设于通气孔7两侧。
汇聚透镜2、收集透镜3均采用短焦距、小口径的透镜，这样与之相匹配的主要物理结构暗室1、光阑6可大大减小，从而实现整个系统的微型化。
暗室1采用吸光性强的材料，这将有利于消除杂散光的干扰，保证传感器读数的准确性。
电路包括恒流驱动模块、I-V转换、运算放大器以及连接器，红外LED 4在恒流驱动模块的控制下，发出稳定的红外光线，照射在颗粒物上产生散射光，散射光被光接收器5接受并产生电流信号，该电流信号经过I-V转换变成电压信号，再经过运算放大输出。
更加优选地，所述的光接收器5选用光电三极管，有很高的光电转化效率，并配合检测系统，使得红外LED 4工作在较低功率，从而实现整个模块的低功耗，最终使得本发明的颗粒物传感器工作电流降到1mA以内。
暗室1表面包裹一层屏蔽壳，电路包含滤波电容，滤波电容和屏蔽壳可充分滤除外部干扰，保证信号的真实性，提高信噪比。
暗室1底面有一直口8，电路固定在暗室底面直口8形成的安装空间内，并通过灌封工艺将电路板9固定在暗室底面上，这样可以将电路永久地固定在暗室底面直口8形成的空间内，而且整个传感器不会有电路板9裸露，增强了传感器耐酸碱腐蚀、防震抗压、电绝缘等物理性能，同时也增加了传感器的整体美观效果。
光接收器5的探测头表面为能滤除可见光的材料，这样可以有效滤除可见光的干扰，进一步增强传感器读数的准确性。
本发明利用光学检测原理，发射系统的红外LED 4发出红外光，经过发射系统中光阑6的过滤、汇聚透镜2的聚焦，红外光线主要集中照射到通气孔7处的环境空气，并受到环境空气中颗粒物的散射，经过收集透镜3对散射光的汇聚、光阑6对杂散光的过滤，散射光到达光接收器5的探测头上，并转化为微弱电信号；该电信号经过后续电路的放大、滤波处理，得到与环境空气中颗粒物相关的电压信号。
以上所举仅为本发明示意性的部分实施例,并非用以限制本发明的范围,任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应包括在本专利保护范围之内。
Claims (9)
1.一种高精度的微型化颗粒物传感器，其特征在于，包括：暗室、汇聚透镜、收集透镜、红外LED、光接收器、光阑、电路，所述的颗粒物传感器至少有一面存在一个通气孔，所述的汇聚透镜、收集透镜、红外LED、光接收器均安装在暗室内，汇聚透镜、光阑、红外LED组成发射系统，收集透镜、光阑、光接收器组成检测系统，发射系统、检测系统分别设于通气孔两侧。
2.如权利要求1所述的一种高精度的微型化颗粒物传感器，其特征在于，所述的发射系统的光阑位于汇聚透镜和红外LED之间，滤除红外LED的大角度出射光，而小角度出射光正常通过，所述的检测系统的光阑位于收集透镜和光接收器之间，滤除杂散背景光，而散射产生的信号光正常通过。
3.如权利要求1所述的一种高精度的微型化颗粒物传感器，其特征在于，所述的汇聚透镜、收集透镜均采用短焦距、小口径的透镜，以实现整个系统的微型化。
4.如权利要求1所述的一种高精度的微型化颗粒物传感器，其特征在于，所述的暗室采用吸光性强的材料。
5.如权利要求1所述的一种高精度的微型化颗粒物传感器，其特征在于，所述的电路包括恒流驱动模块、I-V转换、运算放大器以及连接器，红外LED在恒流驱动模块的控制下，发出稳定的红外光线，照射在颗粒物上产生散射光，散射光被光接收器接受并产生电流信号，该电流信号经过I-V转换变成电压信号，再经过运算放大输出。
6.如权利要求1所述的一种高精度的微型化颗粒物传感器，其特征在于，所述的暗室表面包裹着一层屏蔽壳，所述的电路包括滤波电容，所述的滤波电容和屏蔽壳可充分滤除外部干扰，保证信号真实性，提高信噪比。
7.如权利要求1所述的一种高精度的微型化颗粒物传感器，其特征在于，所述的暗室底面有一直口，所述的电路固定在暗室底面直口形成的安装空间内，并通过灌封工艺将电路板固定在暗室底面上。
8.如权利要求1或2所述的一种高精度的微型化颗粒物传感器，其特征在于，所述的光阑中心围绕形成一个锥形的空间。
9.如权利要求1或2所述的一种高精度的微型化颗粒物传感器，其特征在于，所述的光接收器为光电探测器，更加优选地是光电三极管，且探测头表面为能滤除可见光的材料。
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