CN106959262A - 基于光学的无动力粉尘检测系统、装置和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于光学的无动力粉尘检测系统、装置和检测方法，包括：激光头安装在粉尘检测组件的左侧，通风腔室一侧与激光头之间通过光路导管连接，通风腔室另一侧设置光学陷阱，光学陷阱用于接收激光头发射的激光光束，激光头、光路导管、通风腔室和光学陷阱设置在同一直线上。基于光学散射法的粉尘浓度检测技术，通过特有的无动力光学测试机构、基于无动力机构的粉尘浓度检测算法的研究，简化了粉尘的检测过程和维护方法，延长了维护时间。

Description

基于光学的无动力粉尘检测系统、装置和检测方法

技术领域

本发明涉及机电一体化控制领域，尤其涉及一种基于光学的无动力粉尘检测系统、装置和检测方法。

背景技术

粉尘浓度检测在矿山工业领域应用非常广泛，基于光学的粉尘浓度传感器和检测仪由于直读式和可适应各种复杂的环境中而日益得到重视。虽然这些设备已被广泛的应用，但仍然存在一些不足。

一是目前国内使用的粉尘检测仪器，无论是采样器，直读仪，还是粉尘浓度传感器，大多需要动力产生取样气流，实现取样和测量。对于粉尘测量的仪器，动力系统不仅增加了仪器的体积和重量，使结构更复杂，而且在使用过程中气路容易被粉尘污染和堵塞，影响测量，甚至是设备无法工作；

二是粉尘测量的结果易受被测环境的风速等参数影响；

三是多数此类传感器和检测仪功耗高，测量精度低，可靠性差；

这就亟需本领域技术人员解决相应的技术问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种基于光学的无动力粉尘检测系统、装置和检测方法。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种基于光学的无动力粉尘检测系统，包括：激光头6、光路导管2、通风腔室、光学陷阱7；

激光头6安装在粉尘检测组件的左侧，通风腔室一侧与激光头6之间通过光路导管2连接，通风腔室另一侧设置光学陷阱7，光学陷阱7用于接收激光头6发射的激光光束，激光头6、光路导管2、通风腔室和光学陷阱7设置在同一直线上。

上述技术方案的有益效果为：通过激光头在腔室内检测粉尘，该结构设计简单，检测精度高。

所述的基于光学的无动力粉尘检测系统，优选的，所述粉尘检测组件包括：激光二极管座3、聚光表支座4；

所述激光二极管座3为中空结构，激光二极管座一端安装激光头6，在激光二极管座3的中空结构中安装聚光表支座4，所述聚光表支座4为中空结构，聚光表支座4外径和激光二极管座3的中空结构的内径过盈接触，在聚光表支座4外径和激光二极管座3的中空结构的内径之间安装稳固套，使聚光表支座4外径和激光二极管座3的中空结构的内径安装完成后不产生松动，在聚光表支座4左侧为激光头6前端的激光二极管，在聚光表支座4右侧套接光路导管2，光路导管2为“十”字形，与聚光表支座4的凹槽卡接。

上述技术方案的有益效果为：光路导管的形状便于卡在聚光表支座上，稳定可靠不易晃动，通过远端激光头进行测量操作。

所述的基于光学的无动力粉尘检测系统，优选的，还包括密封盖5和紧定螺钉12；

激光二极管座3的中空结构的中部设置卡槽式过孔，将激光头6卡接在卡槽式过孔中，在激光二极管座3外侧安装密封盖5，所述密封盖5的外螺纹与激光二极管座3的内螺纹相配合，从而拧紧密封盖5，激光二极管座3外部为锥形，在激光二极管座3的管体设置紧定螺钉12，所述紧定螺钉12穿过激光二极管座3拧紧在聚光表支座4上。

上述技术方案的有益效果为：通过密封盖防止外界异物干扰检测，方便实用。

所述的基于光学的无动力粉尘检测系统，优选的，还包括：检测座1、硅光电池8和滤光片9；

在检测座1座体上开设通风腔室，所述通风腔室两侧贯通，在检测座1的通风腔室轴向开设孔隙安装滤光片9，滤光片9靠近检测座1外壁安装硅光电池8，硅光电池8与滤光片9相贴合，硅光电池8通过传输导线连接供电电池14。

所述的基于光学的无动力粉尘检测系统，优选的，还包括O型密封圈10和沉头螺钉11；

聚光表支座4外侧设置基台，聚光表支座4的基台通过若干沉头螺钉11与检测座1相固定，在靠近光路导管2的外围安装O型密封圈10，将O型密封圈10压合在聚光表支座4和检测座1之间。

本发明还公开一种便携式粉尘检测装置，包括：粉尘检测组件、控制面板、检测外壳、供电电池14；

检测外壳为中空设置，检测外壳分为组件安装部和检测机身，组件安装部和检测机身呈“T”型，检测机身内部安装供电电池14，组件安装部内部安装粉尘检测组件，在组件安装部外部一侧安装控制面板，在组件安装部外部另一侧开设通气孔19，通气孔19与粉尘检测组件相配合检测粉尘浓度。

所述的便携式粉尘检测装置，优选的，还包括伸缩插头13、电路板15、电源开关16和光学陷阱出口17；

伸缩插头13电源线连接供电电池14电源端，所述电路板14安装在检测机身内部的手持部位，在检测机身的手持部位上端设置电源开关16，电源开关16设置在食指能够直接触碰到的位置，粉尘检测组件的光学陷阱位置设置光学陷阱出口17。

所述的便携式粉尘检测装置，优选的，所述组件安装部的通气孔19位置为椭圆形双层设置，在椭圆形双层处设置小于椭圆形的防尘盖18，所述防尘盖18在椭圆形的通气孔19处往复运动；

所述检测机身的手持部位为人体工程学波浪形状，方便用户握持。

本发明还公开一种基于光学的无动力粉尘检测方法，包括如下步骤：

S1，通过风速测量仪对风速测量之后，获取风速数据，将风速数据代入风速测量方法中；

S2，将计算后的风速数据与粉尘测量补偿方法进行综合计算，获得粉尘浓度值。

所述的基于光学的无动力粉尘检测方法，优选的，所述S1中风速测量方法包括：

S1-1，设置一维风速模型，假设m为两个收发超声波探头的间距，t₁₂为顺风时探头1和2之间超声波传播的时间；t₂₁为逆风时，两个探头间超声波传播时间，模型假设v为超声波无风情况下传播速度，v_i为风速，则可计算出风速为

从上述公式得知，在已知两个超声波探头之间的间距m的情况下，只需要得到顺风和逆风的超声波传播时间就可以得到此时的实测风速；

S1-2，设置二维风速模型，假设风速在二维空间中分布呈上下左右四个方分别标号1、2、3、4，在四个方向上分别安放四个超声波风速仪，1和2为上下一组，3和4为左右另外一组，两组超声波风速仪互相垂直在同一个水平面上，且每组超声波风速仪的间距均一致为m；

以同一频率发射超声波，测量每组探头的顺逆风的传播时间分别为：t₁₂、t₂₁、t₃₄、t₄₃。

则得到，在探头1和2上下方向的风速为v_y，得到公式，

另外一组探头3和4左右方向的风速v_x为公式

再由矢量分解遵循勾股定理得到实际风速v_i，

最后，得到实测风速为

由二维风向模型公式知道只需测得超声波顺、逆风的传播时间，便求出当前风速风向；

将测量的数据看成是一个长度为N的队列，把每次的采样新值放入队尾，队首的一个数据出列，其他数据前移一位，这样队列中始终有N个“最新”数据，再将队列中的N个数据进行数学平均，从而得到新的滤波值。其数据表达式为：

式中：为第n次采样滤波后的输出；X_n-i为未经滤波的第n-i次采样；N为滑动平均项数。

为防止调节检测仪接收灵敏度时由于超调货失调引起的振荡，使仪器读数能够平缓上升或者下降，这里采用PID算法加以调节，以对振荡进行抑制，在控制过程中采用智能判断的方法使系统处于最优状态。

PID控制的基本原理此处不再累述，其输出关系如下式所示：

式中：Kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数，I表示一个积分的满域；

式中：u(t)为控制器输出；e(t)为控制器输入的偏差信号；e(t)＝r(t)-c(t)。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明针对现有技术提到的三点不足，采用特别设计的无动力光学测试机构，使得仪器体积减小、重量减轻、结构简单、气路不易被污染、功耗大大降低。另外，通过对无动力测试机构的补偿算法的研究，提高了粉尘检测仪的检测精度和可靠性。

本发明基于光学散射法的粉尘浓度检测技术，通过特有的无动力光学测试机构、基于无动力机构的粉尘浓度检测算法的研究，简化了粉尘的检测过程和维护方法，延长了维护时间，并提高了实用性；实现了粉尘浓度传感器的低功耗、高精度、高可靠性。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明粉尘测量系统结构示意图；

图2是本发明粉尘测量系统结构A-A剖视图；

图3是本发明粉尘测量系统结构侧视图；

图4是本发明粉尘测量系统结构安装布置图；

图5是本发明粉尘测量系统结构外部示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1-5所示，本发明提供了一种基于光学的无动力粉尘检测系统，包括：激光头6、光路导管2、通风腔室、光学陷阱7；

激光头6安装在粉尘检测组件的左侧，通风腔室一侧与激光头6之间通过光路导管2连接，通风腔室另一侧设置光学陷阱7，光学陷阱7用于接收激光头6发射的激光光束，激光头6、光路导管2、通风腔室和光学陷阱7设置在同一直线上。

所述的基于光学的无动力粉尘检测系统，优选的，所述粉尘检测组件包括：激光二极管座3、聚光表支座4；

所述激光二极管座3为中空结构，激光二极管座一端安装激光头6，在激光二极管座3的中空结构中安装聚光表支座4，所述聚光表支座4为中空结构，聚光表支座4外径和激光二极管座3的中空结构的内径过盈接触，在聚光表支座4外径和激光二极管座3的中空结构的内径之间安装稳固套，使聚光表支座4外径和激光二极管座3的中空结构的内径安装完成后不产生松动，在聚光表支座4左侧为激光头6前端的激光二极管，在聚光表支座4右侧套接光路导管2，光路导管2为“十”字形，与聚光表支座4的凹槽卡接。

所述的基于光学的无动力粉尘检测系统，优选的，还包括密封盖5和紧定螺钉12；

激光二极管座3的中空结构的中部设置卡槽式过孔，将激光头6卡接在卡槽式过孔中，在激光二极管座3外侧安装密封盖5，所述密封盖5的外螺纹与激光二极管座3的内螺纹相配合，从而拧紧密封盖5，激光二极管座3外部为锥形，在激光二极管座3的管体设置紧定螺钉12，所述紧定螺钉12穿过激光二极管座3拧紧在聚光表支座4上。

所述的基于光学的无动力粉尘检测系统，优选的，还包括：检测座1、硅光电池8和滤光片9；

在检测座1座体上开设通风腔室，所述通风腔室两侧贯通，在检测座1的通风腔室轴向开设孔隙安装滤光片9，滤光片9靠近检测座1外壁安装硅光电池8，硅光电池8与滤光片9相贴合，硅光电池8通过传输导线连接供电电池14。

所述的基于光学的无动力粉尘检测系统，优选的，还包括O型密封圈10和沉头螺钉11；

聚光表支座4外侧设置基台，聚光表支座4的基台通过若干沉头螺钉11与检测座1相固定，在靠近光路导管2的外围安装O型密封圈10，将O型密封圈10压合在聚光表支座4和检测座1之间。

本发明还公开一种便携式粉尘检测装置，包括：粉尘检测组件、控制面板、检测外壳、供电电池14；

检测外壳为中空设置，检测外壳分为组件安装部和检测机身，组件安装部和检测机身呈“T”型，检测机身内部安装供电电池14，组件安装部内部安装粉尘检测组件，在组件安装部外部一侧安装控制面板，在组件安装部外部另一侧开设通气孔19，通气孔19与粉尘检测组件相配合检测粉尘浓度。

所述的便携式粉尘检测装置，优选的，还包括伸缩插头13、电路板15、电源开关16和光学陷阱出口17；

伸缩插头13电源线连接供电电池14电源端，所述电路板14安装在检测机身内部的手持部位，在检测机身的手持部位上端设置电源开关16，电源开关16设置在食指能够直接触碰到的位置，粉尘检测组件的光学陷阱位置设置光学陷阱出口17。

所述的便携式粉尘检测装置，优选的，所述组件安装部的通气孔19位置为椭圆形双层设置，在椭圆形双层处设置小于椭圆形的防尘盖18，所述防尘盖18在椭圆形的通气孔19处往复运动；

所述检测机身的手持部位为人体工程学波浪形状，方便用户握持。

安装激光头6的位置定义为粉尘检测组件的左侧，安装光学陷阱7的位置定义为粉尘检测组件的右侧。在激光头6一侧定义为聚光表支座4左侧，另一侧定义为聚光表支座4右侧。

通风腔室为圆形或者方形。

在通风腔室设置超声波风速仪，检测风速，超声波风速仪信号发送端连接电路板的信号接收端，通过风速模型进行计算。

图2当粉尘通过光学传感器的光敏区时，粉尘颗粒会散射入射的激光，在采光角方向放置一块旋转球面反射镜收集粉尘的散射光，再利用光电探测器将球面反射镜反射的散射光转换成电信号，经前置放大、后续电路处理得到与粉尘颗粒散射光强相关的电压信号，然后通过对电压信号的数据处理和计算，就可以得出粉尘的质量浓度值。

无动力光学测试机构

鉴于此，本发明采用特别设计的无动力光学测试机构，解决了传统的粉尘检测仪器有动力抽气采样存在的缺陷问题，实现了检测仪器的体积减小、重量减轻、结构简单和污染问题减轻等。其机构如图2所示。

无动力光学测试机构包括粉尘无动力气路、激光管、光陷阱、硅光二极管和风速传感器等几部分。

其中粉尘无动力气路是一个直径较大的通孔，较大的直径使整个机构不易被污染；而光学接收器件硅光二极管和风速传感器位于无动力气路下方，当粉尘进入之后就发生光散射从而来测量器实时粉尘浓度。整个光学无动力测试机构，以无动力气路为中心，在气路的下方、左方和右方分别安放了硅光二极管、激光管和光陷阱。其气路采用大直径的简单通孔，大大降低了粉尘对整个机构的污染；即使有污染亦可用工具直接进行清理，使得清洁维护简单易行。

粉尘浓度检测算法

设计了特有的无动力光学测试机构之后，需要在无动力的情况下，准确的测量实时的粉尘浓度值。但是，由于其独特的无动力机构会带来一些对粉尘浓度值测量影响较大的因素，比如风速、温度等，其中最突出的影响因素是风速。因此，本发明旨在研究准确测量风速的前提下，对粉尘测试结果进行补偿，从而获得更加精准的浓度值。

相比于传统风速风向仪，超声波测风技术是基于矢量法，利用超声波信号在空气中传播时所载气体流动信息来测量风速风向的测量技术。超声波式风速风向仪具有体积小，测量精度高，无机械转轴，使用寿命长等优点。

经过比对，本发明采用超声波风速传感器来测量无动力气路内部的风速。设置风速测量模型

一维风速模型

假设m为两个收发超声波探头的间距，t₁₂为顺风时探头1和2之间超声波传播的时间；t₂₁为逆风时，两个探头间超声波传播时间，模型假设v为超声波无风情况下传播速度，v_i为风速，则可计算出风速为公式(1)。

从公式(1)得知，在已知两个超声波探头之间的间距m的情况下，只需要得到顺风和逆风的超声波传播时间就可以得到此时的实测风速。

二维风速模型

实际情况中，风速不会沿着一个方向，因此需要建立与实际情况相符的二维风速模型。

假设风速在二维空间中分布呈上下左右四个方分别标号1、2、3、4，在这四个方向上分别安放四个超声波探头，1和2为上下一组，3和4为左右另外一组，两组探头互相垂直在同一个水平面上，且每组探头的间距均一致为m。

以同一频率发射超声波，测量每组探头的顺逆风的传播时间分别为：t₁₂、t₂₁、t₃₄、t₄₃。

则得到，在探头1和2上下方向的风速为v_y。

另外一组探头3和4左右方向的风速v_x为公式(3)。

再由矢量分解遵循勾股定理得到实际风速v_i，如公式(4)。

最后，将公式(2)和(3)带入公式(4)，得到实测风速为公式(5)。

由二维风向模型公式可知只需测得超声波顺、逆风的传播时间，便可求出当前风速风向。

风速测量算法

本发明提出一种改进算法，将一维风速模型和二维风速模型结合，当相位差超过一个周期时，采用一维风速模型来计算实测风速，将顺逆风的时间带入公式(1)完成计算；当相位差在一个周期以内时，采用二维风速模型来计算实测风速，将四个探头的顺逆风的时间带入公式(5)完成计算。

粉尘浓度风速补偿算法

经过上面的风速算法之后，得到精确的无动力气路内部的风速值。然后再经过大量的实验室和现场试验，将风速测量值补偿到粉尘浓度值测量中。其具体的步骤在此不再累述，其算法公式如下所示。

C＝v_iN(V)f(V)

其中C为粉尘质量浓度，v_i为实测的风速，N(V)为硅光二极管收集的散射光信号电压值，f(V)为粒度分布的概率分布视为一个常量。

因此根据公式C＝v_iN(V)f(V)将风速v_i补偿到实际测量的粉尘质量浓度计算中。补偿之后，使得粉尘浓度值的测量更精确，可靠性更高，分辨率更高。

由于本检测仪的实时性调节较高，为了克服采样系统采集数据时随机干扰带来的误差，因此采用了一种数据滑动平均滤波法，抑制周期性的干扰。其原理是：将测量的数据看成是一个长度为N的队列，把每次的采样新值放入队尾，队首的一个数据出列，其他数据前移一位，这样队列中始终有N个“最新”数据，再将队列中的N个数据进行数学平均，从而得到新的滤波值。其数据表达式为：

式中：为第n次采样滤波后的输出；X_n-i为未经滤波的第n-i次采样；N为滑动平均项数。

为防止调节检测仪接收灵敏度时由于超调货失调引起的振荡，使仪器读数能够平缓上升或者下降，这里采用PID算法加以调节，以对振荡进行抑制，在控制过程中采用智能判断的方法使系统处于最优状态。

PID控制的基本原理此处不再累述，其基本的输出关系如下式所示：

式中：u(t)为控制器输出；e(t)为控制器输入的偏差信号；e(t)＝r(t)-c(t)。

比例环节调整系统的开环比例系数，提高系统的稳态精度，降低系统的惰性，加快响应速度；积分环节可以提高系统的型别，消除或减小稳态误差，使系统的稳态性得到改善；微分控制使得系统的响应速度变快，超调减小，振荡减轻。

紧接着对PID控制算法的初始值进行设定，确保其在系统受到扰动后仍保持稳定并将误差保持在最小值。然后，经过对AD采样的浓度值进行比对进行PID参数的自动整定，使输出值平稳快速地达到设定值。

实验测试

基于光学散射法的无动力粉尘浓度检测技术研究制成的粉尘浓度检测仪样机，在实验室发尘装置上以煤粉为测量介质，通过传统的采样器采样称重的方式进行精度对比试验。

样机与称重的质量浓度数据如表1所示，样机相对误差小于±10％和重复性误差小于0.2％。

表1样机与称重方式粉尘浓度试验数据表

本发明实现的技术效果为：

测量精度高，重复性误差小，通过实验测试得到本传感器的精度高达10％，重复性误差小于0.2％；

特殊的无动力结构设计，使得功耗低、结构简单、维护方便；

特有的风速补偿算法，使得测量精度高、可靠性高。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“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特征、结构、材料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一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于光学的无动力粉尘检测系统，其特征在于，包括：激光头(6)、光路导管(2)、通风腔室、光学陷阱(7)；

激光头(6)安装在粉尘检测组件的左侧，通风腔室一侧与激光头(6)之间通过光路导管(2)连接，通风腔室另一侧设置光学陷阱(7)，光学陷阱(7)用于接收激光头(6)发射的激光光束，激光头(6)、光路导管(2)、通风腔室和光学陷阱(7)设置在同一直线上。

2.根据权利要求1所述的基于光学的无动力粉尘检测系统，其特征在于，所述粉尘检测组件包括：激光二极管座(3)、聚光表支座(4)；

所述激光二极管座(3)为中空结构，激光二极管座一端安装激光头(6)，在激光二极管座(3)的中空结构中安装聚光表支座(4)，所述聚光表支座(4)为中空结构，聚光表支座(4)外径和激光二极管座(3)的中空结构的内径过盈接触，在聚光表支座(4)外径和激光二极管座(3)的中空结构的内径之间安装稳固套，使聚光表支座(4)外径和激光二极管座(3)的中空结构的内径安装完成后不产生松动，在聚光表支座(4)左侧为激光头(6)前端的激光二极管，在聚光表支座(4)右侧套接光路导管(2)，光路导管(2)为“十”字形，与聚光表支座(4)的凹槽卡接。

3.根据权利要求2所述的基于光学的无动力粉尘检测系统，其特征在于，还包括密封盖(5)和紧定螺钉(12)；

激光二极管座(3)的中空结构的中部设置卡槽式过孔，将激光头(6)卡接在卡槽式过孔中，在激光二极管座(3)外侧安装密封盖(5)，所述密封盖(5)的外螺纹与激光二极管座(3)的内螺纹相配合，从而拧紧密封盖(5)，激光二极管座(3)外部为锥形，在激光二极管座(3)的管体设置紧定螺钉(12)，所述紧定螺钉(12)穿过激光二极管座(3)拧紧在聚光表支座(4)上。

4.根据权利要求1所述的基于光学的无动力粉尘检测系统，其特征在于，还包括：检测座(1)、硅光电池(8)和滤光片(9)；

在检测座(1)座体上开设通风腔室，所述通风腔室两侧贯通，在检测座(1)的通风腔室轴向开设孔隙安装滤光片(9)，滤光片(9)靠近检测座(1)外壁安装硅光电池(8)，硅光电池(8)与滤光片(9)相贴合，硅光电池(8)通过传输导线连接供电电池(14)。

5.根据权利要求2、3或4所述的基于光学的无动力粉尘检测系统，其特征在于，还包括O型密封圈(10)和沉头螺钉(11)；

聚光表支座(4)外侧设置基台，聚光表支座(4)的基台通过若干沉头螺钉(11)与检测座(1)相固定，在靠近光路导管(2)的外围安装O型密封圈(10)，将O型密封圈(10)压合在聚光表支座(4)和检测座(1)之间。

6.一种便携式粉尘检测装置，包括：粉尘检测组件、控制面板、检测外壳、供电电池(14)；

检测外壳为中空设置，检测外壳分为组件安装部和检测机身，组件安装部和检测机身呈“T”型，检测机身内部安装供电电池(14)，组件安装部内部安装粉尘检测组件，在组件安装部外部一侧安装控制面板，在组件安装部外部另一侧开设通气孔(19)，通气孔(19)与粉尘检测组件相配合检测粉尘浓度。

7.根据权利要求6所述的便携式粉尘检测装置，其特征在于，还包括伸缩插头(13)、电路板(15)、电源开关(16)和光学陷阱出口(17)；

伸缩插头(13)电源线连接供电电池(14)电源端，所述电路板(14)安装在检测机身内部的手持部位，在检测机身的手持部位上端设置电源开关(16)，电源开关(16)设置在食指能够直接触碰到的位置，粉尘检测组件的光学陷阱位置设置光学陷阱出口(17)。

8.根据权利要求6所述的便携式粉尘检测装置，其特征在于，所述组件安装部的通气孔(19)位置为椭圆形双层设置，在椭圆形双层处设置小于椭圆形的防尘盖(18)，所述防尘盖(18)在椭圆形的通气孔(19)处往复运动；

所述检测机身的手持部位为人体工程学波浪形状，方便用户握持。

9.一种基于光学的无动力粉尘检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，通过风速测量仪对风速测量之后，获取风速数据，将风速数据代入风速测量方法中；

S2，将计算后的风速数据与粉尘测量补偿方法进行综合计算，获得粉尘浓度值。

10.根据权利要求9所述的基于光学的无动力粉尘检测方法，其特征在于，所述S1中风速测量方法包括：

S1-1，设置一维风速模型，假设m为两个收发超声波探头的间距，t₁₂为顺风时探头1和2之间超声波传播的时间；t₂₁为逆风时，两个探头间超声波传播时间，模型假设v为超声波无风情况下传播速度，v_i为风速，则可计算出风速为

$v_i=\frac{m}{2}|\frac{1}{t_{12}}-\frac{1}{t_{21}}|$

从上述公式得知，在已知两个超声波探头之间的间距m的情况下，只需要得到顺风和逆风的超声波传播时间就可以得到此时的实测风速；

S1-2，设置二维风速模型，假设风速在二维空间中分布呈上下左右四个方分别标号1、2、3、4，在四个方向上分别安放四个超声波风速仪，1和2为上下一组，3和4为左右另外一组，两组超声波风速仪互相垂直在同一个水平面上，且每组超声波风速仪的间距均一致为m；

以同一频率发射超声波，测量每组探头的顺逆风的传播时间分别为：t₁₂、t₂₁、t₃₄、t₄₃。

则得到，在探头1和2上下方向的风速为v_y，得到公式，

$v_y=\frac{m}{2}|\frac{1}{t_{12}}-\frac{1}{t_{21}}|$

另外一组探头3和4左右方向的风速v_x为公式

$v_x=\frac{m}{2}|\frac{1}{t_{12}}-\frac{1}{t_{21}}|$

再由矢量分解遵循勾股定理得到实际风速v_i，

$v_i^2=v_x^2+v_y^2$

最后，得到实测风速为

$v_i=\frac{m}{2}\sqrt{{(\frac{1}{t_{12}}-\frac{1}{t_{21}})}^2+{(\frac{1}{t_{34}}-\frac{1}{t_{43}})}^2}$

由二维风向模型公式知道只需测得超声波顺、逆风的传播时间，便求出当前风速风向；

将测量的数据看成是一个长度为N的队列，把每次的采样新值放入队尾，队首的一个数据出列，其他数据前移一位，这样队列中始终有N个“最新”数据，再将队列中的N个数据进行数学平均，从而得到新的滤波值。其数据表达式为：

${\stackrel{\‾}{X}}_n=\frac{1}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{X}_{n-i}$

式中：为第n次采样滤波后的输出；X_n-i为未经滤波的第n-i次采样；N为滑动平均项数。

为防止调节检测仪接收灵敏度时由于超调货失调引起的振荡，使仪器读数能够平缓上升或者下降，这里采用PID算法加以调节，以对振荡进行抑制，在控制过程中采用智能判断的方法使系统处于最优状态。

PID控制的基本原理此处不再累述，输出关系如下式所示：

$u\left(t\right)=K_P\[e\left(t\right)+\frac{1}{T_I}{\∫}_0^{I}e\left(t\right)dt+T_D\frac{de\left(t\right)}{dt}\];$

式中：Kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数，I表示一个积分的满域；

u(t)为控制器输出；e(t)为控制器输入的偏差信号；e(t)＝r(t)-c(t)。