CN106814015A - 一种大流量颗粒物浓度检测传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大流量颗粒物浓度检测传感系统，包括激光发射器、非球面透镜、柱面透镜、孔径光阑、球面反射镜、进出气孔、光阑、光电探测器和光陷阱，非球面透镜、柱面透镜、孔径光阑依次呈一条线设置在激光发射器后端，孔径光阑后端与光路垂直的方向上设置球面反射镜、光电探测器，球面反射镜反射中心正对住光电探测器，光电探测器两侧设置有光阑，光阑上设置有进出气孔，球面反射镜后端设置有光陷阱；光电探测器通过故障检测电路和信号放大电路与微控单元连接，微控单元还与气泵控制系统、激光控制系统、温湿度接口、模式选择系统、报警器电连接。本发明结构设计合理、误差小、检测精度好、检测效率高，有效解决了现有技术的不足。
Description
技术领域
本发明涉及环境检测技术领域，尤其涉及一种大流量颗粒物浓度检测传感系统。
背景技术
随着人们对空气环境质量的重视，对大气检测类激光传感器的要求越来越高，出现了各式检测大气颗粒物的激光传感器，有风扇型、泵吸式型。目前技术方案的PM2.5、PM10颗粒物浓度检测传感器,流量普遍在2.83升/分钟以下,检测流量偏低。而更大流量颗粒物浓度检测传感器，通常是计算颗粒物个数然后按照一定的关系计算出颗粒物浓度,并且都十分注重颗粒物的计数效率，对激光光斑要求均匀,进气孔要求更小,对真空泵的真空度要求更高，并且由于气流速度增大，导致颗粒物速度过快，使电路系统不能完整地处理尘埃颗粒的信号。并且由于注重的是计数效率，要保证同一批产品的一致性，在产品装调更加繁琐，对产品结构尺寸，电路系统精度要求更高。
现有技术存在的问题如南京理工大学2012年7月11日申请的发明专利“一种具有新型光敏区结构的大流量尘埃粒子计数传感器”已经可以达到50L/min流量，但由于其进出气嘴在接近光敏区时，孔径变小，保证了计数效率，导致气流速度加快，泵承受更高的真空度。该类传感器以颗粒物数量表达空气环境质量，对于以浓度表达空气质量，该技术方案明显对结构精度要求高，光敏区没有完全利用，接近光敏区气流速度快，对光电探测器响应速度及电路处理信号速度要求高。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种大流量颗粒物浓度检测传感系统，以解决现有技术的不足。
为实现上述目的，本发明提供了一种大流量颗粒物浓度检测传感系统，其特征在于：包括激光发射器、非球面透镜、柱面透镜、孔径光阑、球面反射镜、进出气孔、光阑、光电探测器和光陷阱，所述非球面透镜、柱面透镜、孔径光阑依次呈一条线设置在激光发射器后端，所述孔径光阑后端与光路垂直的方向上设置球面反射镜、光电探测器，所述球面反射镜反射中心正对住光电探测器，所述光电探测器两侧设置有光阑，所述光阑上设置有进出气孔，所述球面反射镜后端设置有光陷阱；所述光电探测器通过故障检测电路和信号放大电路与微控单元连接，所述微控单元还与气泵控制系统、激光控制系统、温湿度接口、模式选择系统、报警器电连接。
上述的一种大流量颗粒物浓度检测传感系统，其特征在于：所述所述微控单元通过RS232、UART、RS485接口任意一种与PC或者其他开发板连接。
上述的一种大流量颗粒物浓度检测传感系统，其特征在于：所述光电探测器采用20mw的近红外780nm半导体激光,最小探测粒径为0.3μm。
上述的一种大流量颗粒物浓度检测传感系统，其特征在于：所述球面反射镜为凹面镜，凹面的中心正对住光电探测器。
上述的一种大流量颗粒物浓度检测传感系统，其特征在于：所述进出气孔与气泵连接。
本发明的有益效果是：
本发明的照明光路设置更加合理，增加光敏区面积，减小光敏区体积，有助于提高扩大进出气嘴直径，提高计数效率，充分利用照明区光路。减少多颗粒物同时在光敏区造成的随机性误差。进出气嘴直径扩大，可减少由于装配原因导致激光光路倾斜时引起的计数误差，调整更加简单。球面反射镜增加光信号强度，消杂光光阑及孔径光阑减少杂光进入光电探测器，光陷阱吸收激光。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明专利的大流量颗粒物浓度检测传感系统主体的结构示意图
图2是本发明专利的大流量颗粒物浓度检测传感系统主体的剖面图
图3是本发明专利的大流量颗粒物浓度检测传感系统功能模块框图
图4是本发明专利电路系统原理图
具体实施方式
如图1、2所示，一种大流量颗粒物浓度检测传感系统，其特征在于：包括激光发射器1、非球面透镜2、柱面透镜3、孔径光阑4、球面反射镜5、进出气孔6、光阑7、光电探测器8和光陷阱9，所述非球面透镜2、柱面透镜3、孔径光阑4依次呈一条线设置在激光发射器1后端，所述孔径光阑4后端与光路垂直的方向上设置球面反射镜5、光电探测器8，所述球面反射镜5反射中心正对住光电探测器8，所述光电探测器8两侧设置有光阑7，所述光阑7上设置有进出气孔6，所述球面反射镜5后端设置有光陷阱9；所述光电探测器8通过故障检测电路和信号放大电路与微控单元连接，所述微控单元还与气泵控制系统、激光控制系统、温湿度接口、模式选择系统、报警器电连接。
如图3所示，本发明包括三部分：主体，泵，电路系统。三者的连接关系为：电路提供一个电压输出控制泵工作与否，泵抽取空气通过进出气孔给主体提供检测气体。电路提供一恒功率输出，让主体上的激光发出功率稳定的光，主体收集尘埃颗粒物的光散射信号到光电探测器上。通过光电转换，将光信号转换成电信号输入到电路系统中。电路系统的微处理器经过处理，最终将检测的PM2.5和PM10浓度质量通过RS232、UART或者RS485接口输出。
结合图1和图2，系统结构概括为主体上的半导体激光发出带有一定发散角的光，依次经过非球面透镜、柱面镜、孔径光阑、光陷阱。在与光路垂直的方向上，放置球面反射镜、消杂光光阑、光电探测器，激光在光电探测器正上方形成长而细的光敏区。在与光轴同一平面内光轴两边对称放置圆柱形进气孔和出气孔，并且气孔直径大于对应位置光敏区。主体收集尘埃颗粒物的光散射信号过程为：激光1发出一定发散角的光束，依次经过非球面透镜2、柱面透镜3、孔径光阑4、垂直穿过进出气孔6中心和光电探测器8正上方，最后在光陷阱9内消失。其中：非球面透镜2减小激光光束发散角或准直光束；柱面透镜3聚焦一方向激光光束，使光电探测器8正上方光敏区形状为类似薄片，提高计数效率，充分利用照明光路；孔径光阑4和消杂光光阑7阻挡杂散光进入光电探测器8，提高信噪比；球面反射镜5反射部分散射光信号回光电探测器8，增加光信号强度；光陷阱9吸收激光光束；扩大的进出气孔6，使气流速度保持一定的情况下，流量进一步提高。由于非球面透镜2和柱面透镜3的作用，光敏区为一薄而宽的区域，有助于提高检测颗粒物浓度范围及计数效率。进出气孔6的进气孔与出气孔对称分布，并且外形尺寸完全一致，可不用区分。当被测气流从进气孔进入，出气孔流出时，经过光敏区域的粒子产生散射信号，通过球面反射镜5反射进入光电探测器8，或者直接散射进光电探测器8。进出气孔孔径大于光敏区，被测气流中，部分颗粒物没有被检测到，因为光敏区与进出气孔是固定的。部分未检测颗粒物与检测到的颗粒物成一定比例关系，只需添加比例系数即可，对颗粒物浓度检测影响可以忽略不计。
本颗粒物浓度检测传感器算法处理过程为：光电探测器8单位时间内，探测得到的0.3um以上粒子脉冲信号数量为A0.3，探测得到的2.5um以上粒子脉冲信号数量为A2.5。由于存在计数效率不同粒径不一样，因此给A0.3、A2.5提供一个修正系数B0.3、B2.5，让0.3um以上及2.5um以上的粒子计数效率一致。最终PM2.5质量浓度＝(A0.3*B0.3-A2.5*B2.5)*C1。B0.3、B2.5按照上一级仪器或者标准机给出。C1根据上一级仪器或者标准机给出，也可以根据重量法计算得出。PM10质量浓度＝(A10*B10-A2.5*B2.5)*C2+PM2.5质量浓度。A10、B10、C2含义与上文类似。本计算案例不仅限于检测PM2.5、PM10质量浓度，在此不一一说明。
本颗粒物浓度检测传感器电路系统原理如图4所示。颗粒物浓度检测过程为：微控单元启动气泵控制系统和激光控制系统。根据上文所述主体产生的光散射信号通过光电探测器转换成电信号后，分别通过信号放大电路和故障检测电路。故障检测电路测得结果反馈给微控单元，微控单元根据预先设定的判断指标进行判断是否存在故障。存在故障则报警器启动，并且不再对放大信号进行后续处理。不存在故障则微控单元开始对放大信号进行信道甄别，甄别出不同粒径进行计数。最后经过预先设定的算法处理，得出颗粒物浓度质量。可通过标准的三种通讯接口：RS232，UART，RS485其中一个接口输出结果给PC或者其它开发板。
以下为本发明的电路系统各个单元或者部件的功能原理说明：
模式选择系统：当模式为测试模式时。可通过电路上的按钮，通知微控单元启动检测过程。也可通过上文所述三种通讯接口其中一个接口通知微控单元启动检测过程。模式为工作模式时。只能通过通讯接口通知微控单元启动检测过程。
气泵控制系统：泵的启动和关闭，自带一可调电阻调节电压，进行流量选择。
激光控制系统：提供恒功率及激光的启动和关闭。
温湿度接口：预留接口，提供温湿度信息。
报警器：产生故障时，提供警告声音。
RS232、UART、RS485：是常用的几种标准通讯接口，用以对微控单元进行下指令和接收微控单元反馈信息，包括检测颗粒物浓度信息、校准信息、传感器编码等。
微控单元：
1、故障判断：判断本颗粒物传感器是否存在故障。判断原理为：在一定范围颗粒物浓度，光电探测器上存在一个平均光信号。其平均光信号一般都在一个范围，对应电压信号也在一个范围。本传感器电压信号范围0.8V～1.2V。超出此信号范围，即可人为传感器检测异常。
2、信道甄别：根据不同电压，区分不同直径的粒子。可自行设定电压值，以测量不同直径的粒子。
3、粒子计数：对不同直径的粒子分别累计。
4、算法处理：转换浓度质量，修正产品一致性。
另外，本颗粒物浓度检测传感器采用20mw的近红外780nm半导体激光,最小探测粒径为0.3μm，在16.7L/min，28.3L/min下都可以得到良好结果。PM2.5检测重复性误差低于5％,一致性误差低于5％。进出气孔直径为5.8mm。进出气孔采用可拆卸方式，增大气孔直径，可满足更高流量的检测要求，也可根据需求减小孔径，以提高计数效率。可自行设定检测的颗粒物直径，检测时间。显示方式可选粒子数量和颗粒物浓度，具有较大的适用性。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (5)
1.一种大流量颗粒物浓度检测传感系统，其特征在于：包括激光发射器(1)、非球面透镜(2)、柱面透镜(3)、孔径光阑(4)、球面反射镜(5)、进出气孔(6)、光阑(7)、光电探测器(8)和光陷阱(9)，所述非球面透镜(2)、柱面透镜(3)、孔径光阑(4)依次呈一条线设置在激光发射器(1)后端，所述孔径光阑(4)后端与光路垂直的方向上设置球面反射镜(5)、光电探测器(8)，所述球面反射镜(5)反射中心正对住光电探测器(8)，所述光电探测器(8)两侧设置有光阑(7)，所述光阑(7)上设置有进出气孔(6)，所述球面反射镜(5)后端设置有光陷阱(9)；所述光电探测器(8)通过故障检测电路和信号放大电路与微控单元连接，所述微控单元还与气泵控制系统、激光控制系统、温湿度接口、模式选择系统、报警器电连接。
2.如权利要求1所述的一种大流量颗粒物浓度检测传感系统，其特征在于：所述所述微控单元通过RS232、UART、RS485接口任意一种与PC或者其他开发板连接。
3.如权利要求1所述的一种大流量颗粒物浓度检测传感系统，其特征在于：所述光电探测器(8)采用20mw的近红外780nm半导体激光,最小探测粒径为0.3μm。
4.如权利要求1所述的一种大流量颗粒物浓度检测传感系统，其特征在于：所述球面反射镜(5)为凹面镜，凹面的中心正对住光电探测器(8)。
5.如权利要求1所述的一种大流量颗粒物浓度检测传感系统，其特征在于：所述进出气孔(6)与气泵连接。
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