CN111323350A - 基于光散射法的高精度颗粒物检测传感器及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光散射法的高精度颗粒物检测传感器及其检测方法，包括了主控电路板、激光模组、进气风扇、传感器底座、传感器上盖、屏蔽罩上壳和屏蔽罩下壳，所述主控电路板组装在传感器底和座传感器上盖之间；主控电路板上设置有对外接口、供电电路模块、散射光检测光电二极管及放大电路、激光管驱动电路、风扇驱动电路和温湿度传感器电路。本发明通过引入平均幅值参与计算的方法更为准确的计算空气中悬浮的颗粒物质量浓度，摒除了只计数颗粒物个数换算颗粒物质量浓度方法的缺陷，适应于各类不同颗粒物物质环境的质量浓度采集；通过划定不同颗粒物粒径基线的方法，严格区分和精算个粒径群的边界，使各粒径群的质量浓度更加准确。
Description
技术领域
本发明属于悬浮颗粒物质量浓度检测技术领域，具体涉及一种基于光散射法的高精度颗粒物检测传感器及其检测方法。
背景技术
随着用网格化的监测手段应用于空气质量检测系统，使用激光散射法测量颗粒物质量浓度的传感器因为其具有体积小，成本低的特点，逐渐在城市环境质量监测和治理项目中大规模使用。但是，相较于大型高成本传感设备而言，基于激光散射法的颗粒物浓度检测传感器存在的检测精度低、检测量程小的缺点，尤其是在粒径10μm左右范围内的测量精度，远远低于标准大型设备，这一缺陷经常导致网格化监测设备和标准站设备在PM10的监测指标上存在明显差异。与此同时，市面上的颗粒物传感器由于存在内部长期积尘导致的测量数据不准确，从而大大增加了传感器返修概率和维护成本。
本发明专利，在技术上对激光散射法测颗粒物质量浓度方法做了有效修正，在硬件结构上克服了长期内部积尘导致的测量误差。同时，引入了温湿度校正参数，旨在利用更为科学的方法提高激光散射法颗粒物质量浓度传感器的采集精度，解决现有的颗粒物传感器应用问题。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于，提供一种基于光散射法的高精度颗粒物检测传感器，旨在解决计数颗粒物个数换算颗粒物质量浓度方法的缺陷，采用多种检测方法使得质量浓度、测量误差更加准确。
为了达到上述目的，进而采取的技术方案如下：
基于光散射法的高精度颗粒物检测传感器，包括了主控电路板、激光模组、进气风扇、传感器底座、传感器上盖、屏蔽罩上壳和屏蔽罩下壳，所述主控电路板组装在传感器底座和座传感器上盖之间；
所述主控电路板上设置有对外接口、供电电路模块、散射光检测光电二极管及放大电路、激光管驱动电路、风扇驱动电路和温湿度传感器电路，所述风扇驱动电路与进气风扇电连通；
所述激光模组包括激光二极管、镀镍铜管、压紧弹簧、聚光镜、激光固定座和激光传感器电路板，所述镀镍铜管内依次放置有聚光镜、压紧弹簧和激光二极管，所述激光二极管的后端引脚焊接有激光传感器电路板，组装完成后的镀镍铜管，插接在激光固定座上的安装孔内，所述激光固定座设置在主控电路板上，同时，激光传感器电路板与主控电路板具有的对应焊盘进行焊接，完成电气连接。
作为本发明进一步的改进，所述传感器底座内设置进气通道、光陷阱、采集区、激光固定管卡槽和风扇固定下槽，所述进气通道、光陷阱、采集区和风扇固定下槽的内部表面均做镜面处理，防止颗粒物堆积，所述采集区与进气通道连通，采集区与风扇固定下槽相通，所述采集区的截面积小于通道其他部分截面积，用于约束单位时间内通过采集区的颗粒物数量，此外，激光固定管卡槽、采集区和光陷阱依次连通；
所述的传感器上盖内部设置有风扇固定上槽和进气嘴，所述传感器上盖和传感器底座对应扣合组装之后，所述主控电路板固定在传感器上盖和传感器底座之间，风扇固定上槽和风扇固定下槽共同卡接着进气风扇，同时，激光固定座卡接在激光固定管卡槽内，所述进气嘴进气通道对应连通，进气通道、光陷阱、采集区形成了密闭空间。
作为本发明进一步的改进，所述对外接口接入直流电源与处理器进行数字通讯，所述供电电路模块将接入的直流电源进行滤波和低压差线性稳压后为散射光检测光电二极管及放大电路、激光管驱动电路、风扇驱动电路和温湿度传感器电路进行供电；
所述散射光检测光电二极管及放大电路将散射光进行光电转换和信号放大，通过对外接口传入处理器进行计算；
所述激光管驱动电路通过对外接口与处理器连接，从而控制激光二极管的打开和关闭；
所述风扇驱动电路通过对外接口与处理器连接，控制进气风扇的转动状态；
所述温湿度传感器通过对外接口与处理器连接，用于采集温湿度信息。
作为本发明进一步的改进，所述传感器底座上设置有两个接地通孔，传感器上盖上设置有一个接地通孔，所述接地通孔用于放置有使主控电路板上具有的数字地与屏蔽罩上壳、屏蔽罩下壳进行连接的接地弹簧。
作为本发明进一步的改进，所述传感器底座和传感器上盖通过若干条自攻螺丝进行紧固。
作为本发明进一步的改进，所述传感器底座四周表面上设置有用于固定屏蔽罩上壳和屏蔽罩下壳的卡扣。
作为本发明进一步的改进，所述激光二极管和镀镍铜管之间过盈配合进行紧固。
作为本发明进一步的改进，所述屏蔽罩上壳和屏蔽罩下壳对应进气风扇的位置上开设有通风孔。
基于光散射法的高精度颗粒物检测传感器的检测方法，以下步骤：
PA0：传感器通电；
PA1：关闭激光二极管，检测放大电路基础电压线，校零；
PA2：判断校准标志位；如果为0，进入校准程序PB1，如果为1，进入检测程序PC1；
PB1：校准程序；
PC1：打开激光二极管，程序测量放大后的散射光脉冲平均幅值；
PC2：程序测量每个散射光脉冲脉宽；
PC3：程序记录在单位时间t内的脉冲个数；
PC4：根据脉宽进行滤波；
PC5：将脉冲个数和平均幅值的乘积做积分处理；
PC6：带入校准系数；
PC7：采集温湿度值，带入温湿度系数；
PC8：时间窗滑动平均；
PC9：通过外部接口主动上报结果；
传感器检测颗粒物浓度的校准方法，以下步骤：标准颗粒物实验舱校准
PB101：在标准仓内，打开激光二极管，用标准PM2.5颗粒物发生装置产生标准浓度的颗粒物环境，使用标准设备检测PM2.5浓度稳定后，采集散射光脉冲平均幅值，确定PM2.5基线；
PB102：在标准仓内，用标准PM2.5颗粒物发生装置产生高于传感器量程的颗粒物环境，使用标准设备检测PM2.5浓度稳定后，开始记录散射光脉冲平均幅值和脉冲个数的乘积，同时记录标准设备的PM2.5检测结果；
PB103在标准仓内，开启净化装置，记录全量程范围内的两个结果；
PB104：得到PM2.5补偿结果，生成校准系数；
PB105：在标准仓内，打开激光二极管，用标准PM10颗粒物发生装置产生标准浓度的颗粒物环境，使用标准设备检测PM10浓度稳定后，采集散射光脉冲平均幅值，确定PM10基线；
PB106：在标准仓内，用标准PM10颗粒物发生装置产生高于传感器量程的颗粒物环境，使用标准设备检测PM10浓度稳定后，开始记录散射光脉冲平均幅值和脉冲个数的乘积，同时记录标准设备的PM10检测结果；
PB107：在标准仓内，开启净化装置，记录全量程范围内的两个结果；
PB108：得到PM10补偿结果，生成校准系数；
PB109：将校准标志位置1。
本发明的有益效果是：
1.通过引入平均幅值参与计算的方法更为准确的计算空气中悬浮的颗粒物质量浓度，摒除了只计数颗粒物个数换算颗粒物质量浓度方法的缺陷，适应于各类不同颗粒物物质环境的质量浓度采集；
2.通过划定不同颗粒物粒径基线的方法，严格区分和精算个粒径群的边界，使各粒径群的质量浓度更加准确；
3.通过引入温湿度校正参数，抵消温湿度变化引起的测量误差；
4.通过硬件结构设计，有效解决传感器内部积尘引起的测量误差，以及使用脉宽滤波的方法，有效的解决各类干扰引入的测量误差。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明中涉及传感器的结构示意图；
图2为本发明中涉及主控电路板的结构示意图；
图3为本发明中涉及激光模组的结构示意图；
图4为本发明中涉及传感器底座的结构示意图；
图5为本发明中涉及传感器上盖的结构示意图；
图6为本发明中涉及基于光散射法的高精度颗粒物检测传感器的检测流程示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
请参考图1-6，基于光散射法的高精度颗粒物检测传感器，包括了主控电路板100、激光模组200、进气风扇300、传感器底座400、传感器上盖500、屏蔽罩上壳600和屏蔽罩下壳700，所述主控电路板100组装在传感器底座400和座传感器上盖500之间，所述传感器底座400和传感器上盖500通过若干条自攻螺丝进行紧固,传感器底座400四周外表面上设置有用于固定屏蔽罩上壳600和屏蔽罩下壳700的卡扣407，所述屏蔽罩上壳600和屏蔽罩下壳700对应进气风扇300的位置上开设有通风孔607；
所述主控电路板100上设置有对外接口101、供电电路模块102、散射光检测光电二极管及放大电路103、激光管驱动电路104、风扇驱动电路105和温湿度传感器电路106，所述风扇驱动电路105与进气风扇300电连通，此外，主控电路板100上的对外接口101是与外界连接的唯一接口，对外接口101接入直流电源与处理器进行数字通讯，所述供电电路模块102将接入的直流电源进行滤波和低压差线性稳压后为散射光检测光电二极管及放大电路103、激光管驱动电路104、风扇驱动电路105和温湿度传感器电路106进行供电；所述散射光检测光电二极管及放大电路103负责将散射光路中的散射光进行光电转换和信号放大，通过对外接口101传入处理器进行计算；所述激光管驱动电路104通过对外接口101与处理器连接，从而控制激光二极管201的打开和关闭；所述风扇驱动电路105通过对外接口101与处理器连接，控制进气风扇300的转动状态；所述温湿度传感器106通过对外接口101与处理器连接，用于采集温湿度信息；
所述激光模组200包括激光二极管201、镀镍铜管202、压紧弹簧203、聚光镜204、激光固定座205和激光传感器电路板206，所述镀镍铜管202内依次放置有聚光镜204、压紧弹簧203和激光二极管201，激光二极管201和镀镍铜管202之间过盈配合进行紧固，所述激光二极管201的后端引脚焊接有激光传感器电路板206，组装完成后的镀镍铜管202，插接在激光固定座205上的安装孔a内，所述激光固定座205设置在主控电路板100上，同时，激光传感器电路板206与主控电路板100具有的对应焊盘进行焊接，完成电气连接。
所述传感器底座400内设置进气通道401、光陷阱402、采集区403、激光固定管卡槽404和风扇固定下槽405，所述进气通道401、光陷阱402、采集区403和风扇固定下槽405的内部表面均做镜面处理，防止颗粒物堆积，所述采集区403与进气通道401连通，采集区403与风扇固定下槽405相通，所述采集区403的截面积小于通道其他部分截面积，用于约束单位时间内通过采集区403的颗粒物数量；
所述的传感器上盖500内部设置有风扇固定上槽501和进气嘴502，所述传感器上盖500和传感器底座400对应扣合组装之后，所述主控电路板100固定在传感器上盖500和传感器底座400之间，风扇固定上槽501和风扇固定下槽405共同卡接着进气风扇300，同时，激光固定座205卡接在激光固定管卡槽404内，所述进气嘴502进气通道401对应连通，进气通道401、光陷阱402、采集区403形成了密闭空间。
所述传感器底座400上设置有两个接地通孔406，以及，传感器上盖500上设置有一个接地通孔406，所述接地通孔406用于放置使主控电路板100上具有的数字地与屏蔽罩上壳600、屏蔽罩下壳700进行连接的接地弹簧。
所述的传感器检测颗粒物浓度的检测方法，以下步骤：
PA0：传感器通电；
PA1：关闭激光二极管201，检测放大电路基础电压线，校零；
PA2：判断校准标志位；如果为0，进入校准程序PB1，如果为1，进入检测程序PC1；
PB1：校准程序；
PC1：打开激光二极管201，程序测量放大后的散射光脉冲平均幅值；
PC2：程序测量每个散射光脉冲脉宽；
PC3：程序记录在单位时间t内的脉冲个数；
PC4：根据脉宽进行滤波；
PC5：将脉冲个数和平均幅值的乘积做积分处理；
PC6：带入校准系数；
PC7：采集温湿度值，带入温湿度系数；
PC8：时间窗滑动平均；
PC9：通过外部接口主动上报结果；
所述的传感器检测颗粒物浓度的校准方法，以下步骤：
标准颗粒物实验舱校准
PB101：在标准仓内，打开激光二极管201，用标准PM2.5颗粒物发生装置产生标准浓度的颗粒物环境，使用标准设备检测PM2.5浓度稳定后，采集散射光脉冲平均幅值，确定PM2.5基线；
PB102：在标准仓内，用标准PM2.5颗粒物发生装置产生高于传感器量程的颗粒物环境，使用标准设备检测PM2.5浓度稳定后，开始记录散射光脉冲平均幅值和脉冲个数的乘积，同时记录标准设备的PM2.5检测结果；
PB103在标准仓内，开启净化装置，记录全量程范围内的两个结果；
PB104：得到PM2.5补偿结果，生成校准系数；
PB105：在标准仓内，打开激光二极管201，用标准PM10颗粒物发生装置产生标准浓度的颗粒物环境，使用标准设备检测PM10浓度稳定后，采集散射光脉冲平均幅值，确定PM10基线；
PB106：在标准仓内，用标准PM10颗粒物发生装置产生高于传感器量程的颗粒物环境，使用标准设备检测PM10浓度稳定后，开始记录散射光脉冲平均幅值和脉冲个数的乘积，同时记录标准设备的PM10检测结果；
PB107：在标准仓内，开启净化装置，记录全量程范围内的两个结果；
PB108：得到PM10补偿结果，生成校准系数；
PB109：将校准标志位置1。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (9)
1.基于光散射法的高精度颗粒物检测传感器，其特征在于，包括了主控电路板、激光模组、进气风扇、传感器底座、传感器上盖、屏蔽罩上壳和屏蔽罩下壳，所述主控电路板组装在传感器底座和座传感器上盖之间；
所述主控电路板上设置有对外接口、供电电路模块、散射光检测光电二极管及放大电路、激光管驱动电路、风扇驱动电路和温湿度传感器电路，所述风扇驱动电路与进气风扇电连通；
所述激光模组包括激光二极管、镀镍铜管、压紧弹簧、聚光镜、激光固定座和激光传感器电路板，所述镀镍铜管内依次放置有聚光镜、压紧弹簧和激光二极管，所述激光二极管的后端引脚焊接有激光传感器电路板，组装完成后的镀镍铜管，插接在激光固定座上的安装孔内，所述激光固定座设置在主控电路板上，同时，激光传感器电路板与主控电路板具有的对应焊盘进行焊接，完成电气连接。
2.根据权利要求1所述的基于光散射法的高精度颗粒物检测传感器，其特征在于，所述传感器底座内设置进气通道、光陷阱、采集区、激光固定管卡槽和风扇固定下槽，所述进气通道、光陷阱、采集区和风扇固定下槽的内部表面均做镜面处理，防止颗粒物堆积，所述采集区与进气通道连通，采集区与风扇固定下槽相通，所述采集区的截面积小于通道其他部分截面积，用于约束单位时间内通过采集区的颗粒物数量，此外，激光固定管卡槽、采集区和光陷阱依次连通；
所述的传感器上盖内部设置有风扇固定上槽和进气嘴，所述传感器上盖和传感器底座对应扣合组装之后，所述主控电路板固定在传感器上盖和传感器底座之间，风扇固定上槽和风扇固定下槽共同卡接着进气风扇，同时，激光固定座卡接在激光固定管卡槽内，所述进气嘴进气通道对应连通，进气通道、光陷阱、采集区形成了密闭空间。
3.根据权利要求1所述的基于光散射法的高精度颗粒物检测传感器，其特征在于，所述对外接口接入直流电源与处理器进行数字通讯，所述供电电路模块将接入的直流电源进行滤波和低压差线性稳压后为散射光检测光电二极管及放大电路、激光管驱动电路、风扇驱动电路和温湿度传感器电路进行供电；
所述散射光检测光电二极管及放大电路将散射光进行光电转换和信号放大，通过对外接口传入处理器进行计算；
所述激光管驱动电路通过对外接口与处理器连接，从而控制激光二极管的打开和关闭；
所述风扇驱动电路通过对外接口与处理器连接，控制进气风扇的转动状态；
所述温湿度传感器通过对外接口与处理器连接，用于采集温湿度信息。
4.根据权利要求2所述的基于光散射法的高精度颗粒物检测传感器，其特征在于，所述传感器底座上设置有两个接地通孔，传感器上盖上设置有一个接地通孔，所述接地通孔用于放置有使主控电路板上具有的数字地与屏蔽罩上壳、屏蔽罩下壳进行连接的接地弹簧。
5.根据权利要求2所述的基于光散射法的高精度颗粒物检测传感器，其特征在于，所述传感器底座和传感器上盖通过若干条自攻螺丝进行紧固。
6.根据权利要求1所述的基于光散射法的高精度颗粒物检测传感器，其特征在于，所述传感器底座四周表面上设置有用于固定屏蔽罩上壳和屏蔽罩下壳的卡扣。
7.根据权利要求1所述的基于光散射法的高精度颗粒物检测传感器，其特征在于，所述激光二极管和镀镍铜管之间过盈配合进行紧固。
8.根据权利要求1所述的基于光散射法的高精度颗粒物检测传感器，其特征在于，所述屏蔽罩上壳和屏蔽罩下壳对应进气风扇的位置上开设有通风孔。
9.一种权利要求1所述的基于光散射法的高精度颗粒物检测传感器的检测方法，其特征在于，以下步骤：
PA0：传感器通电；
PA1：关闭激光二极管，检测放大电路基础电压线，校零；
PA2：判断校准标志位；如果为0，进入校准程序PB1，如果为1，进入检测程序PC1；
PB1：校准程序；
PC1：打开激光二极管，程序测量放大后的散射光脉冲平均幅值；
PC2：程序测量每个散射光脉冲脉宽；
PC3：程序记录在单位时间t内的脉冲个数；
PC4：根据脉宽进行滤波；
PC5：将脉冲个数和平均幅值的乘积做积分处理；
PC6：带入校准系数；
PC7：采集温湿度值，带入温湿度系数；
PC8：时间窗滑动平均；
PC9：通过外部接口主动上报结果；
传感器检测颗粒物浓度的校准方法，以下步骤：
标准颗粒物实验舱校准
PB101：在标准仓内，打开激光二极管，用标准PM2.5颗粒物发生装置产生标准浓度的颗粒物环境，使用标准设备检测PM2.5浓度稳定后，采集散射光脉冲平均幅值，确定PM2.5基线；
PB102：在标准仓内，用标准PM2.5颗粒物发生装置产生高于传感器量程的颗粒物环境，使用标准设备检测PM2.5浓度稳定后，开始记录散射光脉冲平均幅值和脉冲个数的乘积，同时记录标准设备的PM2.5检测结果；
PB103在标准仓内，开启净化装置，记录全量程范围内的两个结果；
PB104：得到PM2.5补偿结果，生成校准系数；
PB105：在标准仓内，打开激光二极管，用标准PM10颗粒物发生装置产生标准浓度的颗粒物环境，使用标准设备检测PM10浓度稳定后，采集散射光脉冲平均幅值，确定PM10基线；
PB106：在标准仓内，用标准PM10颗粒物发生装置产生高于传感器量程的颗粒物环境，使用标准设备检测PM10浓度稳定后，开始记录散射光脉冲平均幅值和脉冲个数的乘积，同时记录标准设备的PM10检测结果；
PB107：在标准仓内，开启净化装置，记录全量程范围内的两个结果；
PB108：得到PM10补偿结果，生成校准系数；
PB109：将校准标志位置1。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010239945.4A CN111323350A (zh) | 2020-03-31 | 2020-03-31 | 基于光散射法的高精度颗粒物检测传感器及其检测方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010239945.4A CN111323350A (zh) | 2020-03-31 | 2020-03-31 | 基于光散射法的高精度颗粒物检测传感器及其检测方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111323350A true CN111323350A (zh) | 2020-06-23 |
Family
ID=71171631
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010239945.4A Pending CN111323350A (zh) | 2020-03-31 | 2020-03-31 | 基于光散射法的高精度颗粒物检测传感器及其检测方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111323350A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116380740A (zh) * | 2023-05-16 | 2023-07-04 | 江苏省环境监测中心 | 一种废气浓度检测机构及其使用方法 |
-
2020
- 2020-03-31 CN CN202010239945.4A patent/CN111323350A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116380740A (zh) * | 2023-05-16 | 2023-07-04 | 江苏省环境监测中心 | 一种废气浓度检测机构及其使用方法 |
| CN116380740B (zh) * | 2023-05-16 | 2023-08-08 | 江苏省环境监测中心 | 一种废气浓度检测机构及其使用方法 |
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Legal Events
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