CN112595640B - 一种粉尘浓度均匀性检测装置及其检测方法 - Google Patents

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Abstract

一种粉尘浓度均匀性检测装置及其检测方法，包括设置有进气口(1)和出气口(6)的粉尘采集箱(2)，在粉尘采集箱中设置六边形的环形支架(5)，六个舵机(4)分别安装在环形支架上的六个安装底座上，并通过主控制器(7)的输出信号来控制舵机的旋转角度，激光粉尘传感器(3)分别安装在舵机上，激光粉尘传感器的信号输入端分别连接对应舵机的信号输出端以及主控制器的信号输出端，激光粉尘传感器的信号输出端均经串口通信传输至主控制器的信号输入端，主控制器的信号输出端分别连接PC机(8)和云端(9)；本发明可以全方位检测粉尘浓度，且精确度较高。

Description

一种粉尘浓度均匀性检测装置及其检测方法
技术领域
本发明涉及一种粉尘检测装置，具体是一种粉尘浓度均匀性检测装置及其检测方法，属于智能化粉尘检测技术领域。
背景技术
随着科技的飞速发展，工业化进程的不断推进，自然环境也在遭受着越来越严重的破坏。粉尘作为环境恶化的重要污染源，粉尘污染问题日益严重，严重危害着我们的生活环境和人们的身体健康。
目前，现有的粉尘浓度测量系统，往往难以满足恶劣环境下在线监测要求并且抗干扰能力差。
发明内容
本发明的目的是提供一种粉尘浓度均匀性检测装置及其检测方法，可以全方位检测粉尘浓度，且精确度较高。
为了实现上述目的，本发明提供一种粉尘浓度均匀性检测装置，包括设置有进气口和出气口的粉尘采集箱，在粉尘采集箱中设置六边形的环形支架，六个舵机分别安装在环形支架上的六个安装底座上，并通过主控制器的输出信号来控制舵机的旋转角度，激光粉尘传感器分别安装在舵机上，激光粉尘传感器的信号输入端分别连接对应舵机的信号输出端以及主控制器的信号输出端，激光粉尘传感器的信号输出端均经串口通信传输至主控制器的信号输入端，主控制器的信号输出端分别连接PC机和云端。
作为本发明的进一步改进，所述激光粉尘传感器由光发射信号控制单元、信号采集处理单元、主控单元以及粉尘采集单元组成，
其中，光发射信号控制单元包括电流驱动电路、激光光源，电流驱动电路为激光光源提供恒定的连续不断的稳压电流，电流驱动电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、二极管D1、二极管D2、三极管Q1、三极管Q2、场效应管Q3，发光二极管LED1，电阻R1的一端连接+5V电压，电阻R1的另一端分别连接二极管D1的正极、三极管Q1的基极，二极管D1的负极连接二极管D2的正极，三极管Q1的集电极连接+5V电压，三极管Q1的发射极连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端与二极管D2的负极连接后分别连接发光二极管LED1的正极、场效应管Q3的漏极，发光二极管LED1的负极接地，场效应管Q3的栅极分别连接电阻R4的一端、三极管Q2的集电极，场效应管Q3的源极接地，电阻R4的另一端连接+5V电压，三极管Q2的基极连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端接信号发生端，三极管Q2的发射极接地；
其中，信号采集处理单元包括：前置处理电路、滤波放大电路、数据采集电路、数据处理电路，前置处理电路、滤波放大电路包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电位器RP1、光电二极管LED2、前置放大器U1，电阻R1的一端连接+5V电压，电阻R1的另一端分别连接电容C5的一端、硅光电二极管LED2的负极，硅光电二极管LED2的正极分别连接电位器RP1的第一固定端、前置放大器U1的3脚，电容C5的另一端、电位器RP1的滑动端以及电位器RP1的第二固定端均接地，前置放大器U1的2脚分别连接电阻R6的一端、电阻R7的一端，电阻R6的另一端接地，电阻R7的另一端分别连接前置放大器U1的6脚、电阻R8的一端，电阻R8的另一端由J2端口输出到AD630检测模块中，前置放大器U1的4脚分别连接电容C1的一端、电容C4的一端，电容C1的另一端、电容C4的另一端均接地，前置放大器U1的7脚分别连接电容C2的一端、电容C3的一端，电容C2的另一端、电容C3的另一端均接地；
其中，数据采集电路、数据处理电路包括电阻R9、电阻R10、电阻R11、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电位器RP2、电位器RP3、解调芯片U2、发光二极管LED3、运算放大器U3，解调芯片U2的1脚分别连接P1高频头的一端、解调芯片U2的16脚，解调芯片U2的3脚连接电位器RP2的第一固定端，解调芯片U2的4脚连接电位器RP2的第二固定端，电位器RP2的滑动端接-5V电压，解调芯片U2的5脚连接电位器RP3的第一固定端，解调芯片U2的6脚连接电位器RP3的第二固定端，电位器RP3的滑动端接-5V电压，解调芯片U2的7脚连接发光二极管LED3的负极，发光二极管LED3的正极串联电阻R9后接地，解调芯片U2的8脚接-5V电压，电容C7并接在解调芯片U2的8脚与地之间，解调芯片U2的9脚接P4端口，解调芯片U2的10脚接地，解调芯片U2的11脚接+5V电压，电容C8并接在解调芯片U2的11脚与地之间，解调芯片U2的13脚串联电阻R6后分别连接电容C10的一端、电阻R12的一端、电阻R10的一端，电容C10的另一端接地，电阻R12的另一端分别连接运算放大器U3的3脚、电容C6的一端，运算放大器U3的1脚接地，运算放大器U3的2脚接+5V电压，电容C11并接在运算放大器U3的2脚与地之间，运算放大器U3的4脚分别连接电容C6的另一端、电阻R10的另一端，端口P6并联在运算放大器U3的4脚与地之间，运算放大器U3的5脚接-5V电压，电容C9并接在运算放大器U3的5脚与地之间；
主控单元包括：单片机主控芯片、通讯传输模块(数字、频率、无线)、人机交互模块(显示、控制)、监控主机；
粉尘采集单元包括粉尘采集暗室、气泵；
激光光源通过前置透镜投射到粉尘采集暗室中，激光粉尘传感器上电后气泵开始启动，气泵与出气口连接，气泵启动后开始负压抽放，粉尘由进气口源源不断的进入到粉尘采集暗室中，形成含尘气流，光源发出的光经过聚光透镜照射到粉尘流上，产生的散射光经过透镜聚集到光电二极管LED2上，将相关的粉尘浓度信号发送到信号采集处理单元，通过粉尘采集单元将接收到的光散射信号依次经过前置处理电路，传到前置处理电路的光电二极管LED2，通过光电二极管LED2将接收到的光信号转换为电流信号，经过前置放大器U1的处理将电流信号转换为电压信号，滤波放大电路，对散射信号进行转换分析，通过数据采集电路将转换后的信号传输到主控制功能单元中，单片机主控芯片将接收到的粉尘浓度信号进行处理，推算出当前环境中的粉尘浓度值，然后通过通讯传输模块将粉尘浓度值传输到监控主机上，并通过人机交互模块对接收到的粉尘浓度信号切换控制，实现整个监测过程对粉尘浓度的实时监控。
作为本发明的进一步改进，分布式激光粉尘传感器阵列测量方法，采用分布式激光粉尘传感器阵列测量装置，包括测量探头，测量探头设置为六路且并行设置，并在环形支架内对称分布，六路测量探头分别连接分布式信号检测和采集电路，六路分布式信号检测和采集电路共同连接主控制器，主控制器连接有PC机，六路激光粉尘传感器共同协作，所测粉尘浓度数据通过串口通信传输至主控制器进行数据融合，取平均值。
作为本发明的进一步改进，为了避免光源和装置内探头被粉尘污染，本发明还包括吹风装置，吹风装置是激光粉尘传感器内部的净化系统，同时吹风装置可以用来清扫光学镜头和装置内的探头上的积尘，保证激光粉尘传感器测量结果的准确性。
作为本发明的进一步改进，舵机的具体控制如下：上位机发送定位信息通过通信模块的接收和解析，同时将检测模块检测到的反馈信息发送给上位机，检测模块将检测的物理量转换成控制模块能够识别的反馈量；上位机给定的位置指令和检测模块检测的反馈量的差值作为输入，经由通信模块送到控制模块，控制模块产生一个控制量通过舵机的主控模块和驱动模块共同驱动舵机旋转一个角度，同时检测模块会检测舵机旋转之后产生的控制量反馈给通信模块和控制模块，为下次的旋转做铺垫；整个舵机控制设计是PID闭环控制，所测的环形面，通过6个舵机旋转位移量可将检测面自由的扩大和缩小。
作为本发明的进一步改进，本发明使用模糊信息融合算法完成对多个传感器数据结果的软决策，当激光粉尘传感器检测到粉尘浓度时，每个激光粉尘传感器设置相应的权重值，当满足总均方值误差最小时，根据各个激光粉尘传感器的测量值的权重值找到相应的自适应方法和最优值，在多激光粉尘传感器数据融合的应用中，隶属度函数用来表示每个传感器的信息不确定性，然后将模糊信息融合变换用于数据处理，(U，V，R)是模糊综合评价模型，其中U是评价因子集，V是评价集，R是模糊关系矩阵。
一种粉尘浓度均匀性检测装置的检测方法，包括以下步骤：
①通过主控制器控制激光粉尘传感器启动，激光粉尘传感器测量环形支架内的粉尘浓度并传输至主控制器；
②当需要对粉尘采集箱内的粉尘浓度进行全方位测量时，主控制器发送信号控制舵机(4)的摆动，带动激光粉尘传感器向另一方位旋转来测量粉尘的浓度，主控制器还可将所测粉尘浓度数据通过无线传输至云端；
③主控制器将六个激光粉尘传感器实时所测的粉尘浓度数据利用融合算法进行数据融合处理，得出一个结果输出至PC机进行显示，同时将测试段放置的多个采样器上的滤膜进行称重，根据滤膜上的增重换算此时风筒内的平均粉尘浓度值；
④将融合后的粉尘浓度结果与滤膜称重得到的平均粉尘浓度值进行比较，两者百分比就是为检测误差，反复在不同浓度工况下对比测量，如融合后的粉尘浓度结果与滤膜称重得到的平均粉尘浓度值的检测误差小于5％，则证明本发明所测数据，准确可靠，并具有实用价值。
数据融合处理步骤如下：
①首先定义接收到的激光粉尘传感器实时采集数据为X1，X2，……，Xn，在开始进行融合操作之前，先设置融合的条件为数据之间的相对距离dij，其表达式形式为：
dij＝|Xi-Xj|,i,j＝1,2,……,n (1)
②若式(1)得出的计算结果大于设定的门限值，则可以判定Xi和Xj属于同类型的数据，可以进行融合处理，否则计算下一组数据之间的相对距离dij；针对相同类型的数据按照式(2)的公式进行融合处理:
Figure GDA0003804215910000041
其中：Wi表示的是第i个数据的自身权系数；
该自身权系数的取值方程如下：
Figure GDA0003804215910000051
其中：v1表示的是激光粉尘传感器数据对应的特征向量；
将式(2)和式(3)联立，便可以得出数据融合的结果。
与现有技术相比，本发明通过在粉尘采集箱中设置六边形的环形支架，六个舵机分别安装在环形支架上的六个安装底座上，并通过主控制器的输出信号来控制舵机的旋转角度，激光粉尘传感器分别安装在舵机上，激光粉尘传感器的信号输入端分别连接对应舵机的信号输出端以及主控制器的信号输出端，激光粉尘传感器的信号输出端均经串口通信传输至主控制器的信号输入端，主控制器的信号输出端分别连接PC机和云端，激光粉尘传感器可以实时监测箱内粉尘浓度并传输至主控制器处理，主控制器通过将处理之后的数据通过串口通信传输至PC机显示和云端进行保存，并且主控制器发送信号控制舵机的摆动，进而控制激光粉尘传感器的摆动，从而达到对粉尘浓度的“全方位”实时监测与显示，以便用户实时查看粉尘浓度。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明主控制器的信号控制原理框图；
图3为本发明电流驱动电路的电路原理图；
图4为本发明前置处理与滤波放大电路的电路原理图；
图5为本发明数据采集电路与数据处理电路的电路原理图；
图6是本发明舵机控制的原理框图。
图中：1、进气口，2、粉尘采集箱，3、激光粉尘传感器，4、舵机，5、环形支架，6、出气口，7、主控制器，8、PC机，9、云端。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示，一种粉尘浓度均匀性检测装置，包括设置有进气口1和出气口6的粉尘采集箱2，在粉尘采集箱2中设置六边形的环形支架5，六个舵机4分别安装在环形支架5上的六个安装底座上，并通过主控制器7的输出信号来控制舵机4的旋转角度，激光粉尘传感器3分别安装在舵机4上，激光粉尘传感器3的信号输入端分别连接对应舵机4的信号输出端以及主控制器7的信号输出端，激光粉尘传感器3的信号输出端均经串口通信传输至主控制器7的信号输入端，主控制器7的信号输出端分别连接PC机8和云端9。
激光粉尘传感器3由光发射信号控制单元、信号采集处理单元、主控单元以及粉尘采集单元组成，
如图3所示，光发射信号控制单元包括电流驱动电路、激光光源，电流驱动电路为激光光源提供恒定的连续不断的稳压电流，电流驱动电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、二极管D1、二极管D2、三极管Q1、三极管Q2、场效应管Q3、发光二极管LED1，三极管Q1的型号为S8050，三极管Q2的型号为SS8050，场效应管Q3的型号为BS170，电阻R1的一端连接+5V电压，电阻R1的另一端分别连接二极管D1的正极、三极管Q1的基极，二极管D1的负极连接二极管D2的正极，三极管Q1的集电极连接+5V电压，三极管Q1的发射极连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端与二极管D2的负极连接后分别连接发光二极管LED1的正极、场效应管Q3的漏极，发光二极管LED1的负极接地，场效应管Q3的栅极分别连接电阻R4的一端、三极管Q2的集电极，场效应管Q3的源极接地，电阻R4的另一端连接+5V电压，三极管Q2的基极连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端接信号发生端，三极管Q2的发射极接地；
信号采集处理单元包括：前置处理电路、滤波放大电路、数据采集电路、数据处理电路，如图4所示，前置处理电路、滤波放大电路包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电位器RP1、光电二极管LED2、前置放大器U1，前置放大器U1的型号为OPA695，光电二极管LED2的型号为FDS100，电阻R1的一端连接+5V电压，电阻R1的另一端分别连接电容C5的一端、硅光电二极管LED2的负极，硅光电二极管LED2的正极分别连接电位器RP1的第一固定端、前置放大器U1的3脚，电容C5的另一端、电位器RP1的滑动端以及电位器RP1的第二固定端均接地，前置放大器U1的2脚分别连接电阻R6的一端、电阻R7的一端，电阻R6的另一端接地，电阻R7的另一端分别连接前置放大器U1的6脚、电阻R8的一端，电阻R8的另一端由J2端口输出到图5所示的AAD630检测模块，前置放大器U1的4脚分别连接电容C1的一端、电容C4的一端，电容C1的另一端、电容C4的另一端均接地，前置放大器U1的7脚分别连接电容C2的一端、电容C3的一端，电容C2的另一端、电容C3的另一端均接地；
如图5所示，数据采集电路、数据处理电路包括电阻R9、电阻R10、电阻R11、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电位器RP2、电位器RP3、解调芯片U2、发光二极管LED3、运算放大器U3，解调芯片U2的型号为AD630，运算放大器U3的型号为OP07，解调芯片U2的1脚分别连接P1高频头的一端、解调芯片U2的16脚，解调芯片U2的3脚连接电位器RP2的第一固定端，解调芯片U2的4脚连接电位器RP2的第二固定端，电位器RP2的滑动端接-5V电压，解调芯片U2的5脚连接电位器RP3的第一固定端，解调芯片U2的6脚连接电位器RP3的第二固定端，电位器RP3的滑动端接-5V电压，解调芯片U2的7脚连接发光二极管LED3的负极，发光二极管LED3的正极串联电阻R9后接地，解调芯片U2的8脚接-5V电压，电容C7并接在解调芯片U2的8脚与地之间，解调芯片U2的9脚接P4端口，解调芯片U2的10脚接地，解调芯片U2的11脚接+5V电压，电容C8并接在解调芯片U2的11脚与地之间，解调芯片U2的13脚串联电阻R6后分别连接电容C10的一端、电阻R12的一端、电阻R10的一端，电容C10的另一端接地，电阻R12的另一端分别连接运算放大器U3的3脚、电容C6的一端，运算放大器U3的1脚接地，运算放大器U3的2脚接+5V电压，电容C11并接在运算放大器U3的2脚与地之间，运算放大器U3的4脚分别连接电容C6的另一端、电阻R10的另一端，端口P6并联在运算放大器U3的4脚与地之间，运算放大器U3的5脚接-5V电压，电容C9并接在运算放大器U3的5脚与地之间；
主控单元包括：单片机主控芯片、通讯传输模块(数字、频率、无线)、人机交互模块(显示、控制)、监控主机，
粉尘采集单元包括粉尘采集暗室、气泵，
激光光源通过前置透镜投射到粉尘采集暗室中，激光粉尘传感器上电后气泵开始启动，气泵与出气口连接，气泵启动后开始负压抽放，粉尘由进气口源源不断的进入到粉尘采集暗室中，形成含尘气流，光源发出的光经过聚光透镜照射到粉尘流上，产生的散射光经过透镜聚集到光电二极管LED2上，将相关的粉尘浓度信号发送到信号采集处理单元，通过粉尘采集单元将接收到的光散射信号依次经过前置处理电路，传到前置处理电路的光电二极管LED2，通过光电二极管LED2将接收到的光信号转换为电流信号，经过前置放大器U1的处理将电流信号转换为电压信号，滤波放大电路，对散射信号进行转换分析，通过数据采集电路将转换后的信号传输到主控制功能单元中，单片机主控芯片将接收到的粉尘浓度信号进行处理，推算出当前环境中的粉尘浓度值，然后通过通讯传输模块将粉尘浓度值传输到监控主机上，并通过人机交互模块对接收到的粉尘浓度信号切换控制，实现整个监测过程对粉尘浓度的实时监控。
如图3所示，给激光二极驱动电路一个脉冲信号，高电平时，三极管Q1导通，场效应管Q3不导通，右侧电路为断路，发光二极管LED产生红色激光，低电平时，三极管Q1不导通，场效应管Q3导通，发光二极管LED上方为低电平，不发光，实验中发光二极管LED产生650nm红色激光的具体方法是通过信号发生器给激光驱动装置一个幅值为5V，频率为1k Hz，占空比为50％的方波作为脉冲信号，通过可编程直流电源给驱动装置提供5V电压，即可产生光强调制的红色激光。
图4的前置处理与滤波放大电路，左侧的光电二极管LED2用来感光，将光信号转化为电流信号，电位器RP1的作用是将电流转化为电压，光电二极管LED2的输出端紧密连接一个低噪声的前置放大器U1，左侧电路转化的电压信号经过前置放大器U1被放大，从J2端口输出到检测模块中，在此电路中前置放大器U1为同向放大，不仅起到对光电二极管LED2输出微弱光电流或电压的一级放大作用，还起到阻抗匹配的用途，用于匹配后续处理电路与检测器件间的阻抗；
图5中，在P1高频头输入待测信号，即为调制光经光电探测与处理电路转换之后的调制电信号，从端口P6处输出信号，然后经过主控芯片转换为相应粉尘浓度。
分布式激光粉尘传感器阵列测量方法，采用分布式激光粉尘传感器阵列测量装置，包括测量探头，测量探头设置为六路且并行设置，并在环形支架5内对称分布，测量探头设置为六路，六路独立设置，分别对粉尘浓度进行测量，能够同步进行数据传输测量，六路测量探头分别连接分布式信号检测和采集电路，六路分布式信号检测和采集电路共同连接主控制器，主控制器连接有PC机，六路激光粉尘传感器共同协作，所测粉尘浓度数据通过串口通信传输至主控制器进行数据融合，取平均值。
本发明还包括吹风装置，吹风装置是激光粉尘传感器内部的净化系统。
如图6所示，舵机4的具体控制如下：上位机发送定位信息通过通信模块的接收和解析，同时将检测模块检测到的反馈信息发送给上位机，检测模块将检测的物理量转换成控制模块能够识别的反馈量；上位机给定的位置指令和检测模块检测的反馈量的差值作为输入，经由通信模块送到控制模块，控制模块产生一个控制量通过舵机的主控模块和驱动模块共同驱动舵机旋转一个角度，同时检测模块会检测舵机旋转之后产生的控制量反馈给通信模块和控制模块，为下次的旋转做铺垫；整个舵机控制设计是PID闭环控制，所测的环形面，通过6个舵机旋转位移量可将检测面自由的扩大和缩小。
本发明使用模糊信息融合算法完成对多个传感器数据结果的软决策，当激光粉尘传感器3检测到粉尘浓度时，每个激光粉尘传感器3设置相应的权重值，当满足总均方值误差最小时，根据各个激光粉尘传感器3的测量值的权重值找到相应的自适应方法和最优值，在多激光粉尘传感器3数据融合的应用中，隶属度函数用来表示每个传感器的信息不确定性，然后将模糊信息融合变换用于数据处理，(U，V，R)是模糊综合评价模型，其中U是评价因子集，V是评价集，R是模糊关系矩阵。
一种粉尘浓度均匀性检测装置的检测方法，包括以下步骤：
①通过主控制器(7)控制激光粉尘传感器(3)启动，激光粉尘传感器(3)测量环形支架(5)内的粉尘浓度并传输至主控制器(7)；
②当需要对粉尘采集箱2内的粉尘浓度进行全方位测量时，主控制器7发送信号控制舵机4的摆动，带动激光粉尘传感器3同时向同一方位旋转来测量粉尘的浓度，从而得到激光粉尘传感器3所测得不同平面的粉尘浓度，舵机4也可在环形支架5内部自由摆动，从而使得激光粉尘传感器3所测平面的大小可以自由的扩大或缩小，(例如环形支架5的所围平面面积假设为1m2，主控制器7发送一个信号控制舵机4往环形支架5内摆动0.1m，那么激光粉尘传感器3所测平面面积就减小了)，主控制器7还可将所测粉尘浓度数据通过无线传输至云端8；
③主控制器(7)将六个激光粉尘传感器(3)实时所测的粉尘浓度数据利用融合算法进行数据融合处理，得出一个结果输出至PC机(8)进行显示，同时将测试段放置的多个采样器上的滤膜进行称重，根据滤膜上的增重换算此时风筒内的平均粉尘浓度值；
④将融合后的粉尘浓度结果与滤膜称重得到的平均粉尘浓度值进行比较，两者百分比就是为检测误差，反复在不同浓度工况下对比测量，如融合后的粉尘浓度结果与滤膜称重得到的平均粉尘浓度值的检测误差小于5％，则证明本发明所测数据，准确可靠，并具有实用价值。
数据融合处理步骤如下：
①首先定义接收到的激光粉尘传感器实时采集数据为X1，X2，……，Xn，在开始进行融合操作之前，先设置融合的条件为数据之间的相对距离dij，其表达式形式为：
dij＝|Xi-Xj|,i,j＝1,2,……,n (1)
②若式(1)得出的计算结果大于设定的门限值，该门限值是预先通过主控制器7进行设置的,则可以判定Xi和Xj属于同类型的数据，可以进行融合处理，否则计算下一组数据之间的相对距离dij；针对相同类型的数据按照式(2)的公式进行融合处理:
Figure GDA0003804215910000091
其中：Wi表示的是第i个数据的自身权系数；
该自身权系数的取值方程如下：
Figure GDA0003804215910000101
其中：v1表示的是激光粉尘传感器数据对应的特征向量；
将式(2)和式(3)联立，便可以得出数据融合的结果。
实施例
本发明可以用在设计了锥形过渡到圆柱形的扩散系统，煤粉由发尘器连续、稳定发出，进入喇叭形口扩压后马上在锥管喉部混合均匀，再从扩散管道内分散，粉尘经分散后内在圆形风筒内形成一个连续均匀的粉尘浓度环境，测试段设置在一个风速及浓度最稳定的位置，在测试段放置数个采样器，采样头同时等时间等流量采样，检验粉尘风筒在水平及截面的浓度均匀性及称重浓度值，将本发明的风尘浓度均匀性检测装置放置在测试段，进行实验。
将发尘器设定一个粉尘浓度，如设置为70mg/m3，那么在测试段会形成一个连续均匀的粉尘浓度环境，将本发明的检测装置置于此环境下进行实验一段时间，将六个激光粉尘传感器实时所测的粉尘浓度数据利用融合算法进行数据融合，得出一个融合结果，同时将测试端放置的多个采样器的采样头上滤膜进行称重，根据滤膜上的增重换算此时风筒内的平均粉尘浓度值，将融合的结果与滤膜称重得到的粉尘浓度平均值进行比较，两者的百分比就是本发明检测装置的误差。反复在不同浓度工况下对比测量，如数值误差小于5％，则证明本发明一种粉尘浓度均匀性检测装置及其检测方法所测数据，准确可靠，并具有实用价值。

Claims (5)

1.一种粉尘浓度均匀性检测装置，包括设置有进气口(1)和出气口(6)的粉尘采集箱(2)，其特征在于，在粉尘采集箱(2)中设置六边形的环形支架(5)，六个舵机(4)分别安装在环形支架(5)上的六个安装底座上，并通过主控制器(7)的输出信号来控制舵机(4)的旋转角度，激光粉尘传感器(3)分别安装在舵机(4)上，激光粉尘传感器(3)的信号输入端分别连接对应舵机(4)的信号输出端以及主控制器(7)的信号输出端，激光粉尘传感器(3)的信号输出端均经串口通信传输至主控制器(7)的信号输入端，主控制器(7)的信号输出端分别连接PC机(8)和云端(9)；
所述激光粉尘传感器(3)由光发射信号控制单元、信号采集处理单元、主控单元以及粉尘采集单元组成，
光发射信号控制单元包括电流驱动电路、激光光源，电流驱动电路为激光光源提供恒定的连续不断的稳压电流，电流驱动电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、二极管D1、二极管D2、三极管Q1、三极管Q2、场效应管Q3，发光二极管LED1，电阻R1的一端连接+5V电压，电阻R1的另一端分别连接二极管D1的正极、三极管Q1的基极，二极管D1的负极连接二极管D2的正极，三极管Q1的集电极连接+5V电压，三极管Q1的发射极连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端与二极管D2的负极连接后分别连接发光二极管LED1的正极、场效应管Q3的漏极，发光二极管LED1的负极接地，场效应管Q3的栅极分别连接电阻R4的一端、三极管Q2的集电极，场效应管Q3的源极接地，电阻R4的另一端连接+5V电压，三极管Q2的基极连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端接信号发生端，三极管Q2的发射极接地；
信号采集处理单元包括：前置处理电路、滤波放大电路、数据采集电路、数据处理电路，前置处理电路、滤波放大电路包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电位器RP1、光电二极管LED2、前置放大器U1，电阻R1的一端连接+5V电压，电阻R1的另一端分别连接电容C5的一端、硅光电二极管LED2的负极，硅光电二极管LED2的正极分别连接电位器RP1的第一固定端、前置放大器U1的3脚，电容C5的另一端、电位器RP1的滑动端以及电位器RP1的第二固定端均接地，前置放大器U1的2脚分别连接电阻R6的一端、电阻R7的一端，电阻R6的另一端接地，电阻R7的另一端分别连接前置放大器U1的6脚、电阻R8的一端，电阻R8的另一端由J2端口输出到检测模块中，前置放大器U1的4脚分别连接电容C1的一端、电容C4的一端，电容C1的另一端、电容C4的另一端均接地，前置放大器U1的7脚分别连接电容C2的一端、电容C3的一端，电容C2的另一端、电容C3的另一端均接地；
数据采集电路、数据处理电路包括电阻R9、电阻R10、电阻R11、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电位器RP2、电位器RP3、解调芯片U2、发光二极管LED3、运算放大器U3，解调芯片U2的1脚分别连接P1高频头的一端、解调芯片U2的16脚，解调芯片U2的3脚连接电位器RP2的第一固定端，解调芯片U2的4脚连接电位器RP2的第二固定端，电位器RP2的滑动端接-5V电压，解调芯片U2的5脚连接电位器RP3的第一固定端，解调芯片U2的6脚连接电位器RP3的第二固定端，电位器RP3的滑动端接-5V电压，解调芯片U2的7脚连接发光二极管LED3的负极，发光二极管LED3的正极串联电阻R9后接地，解调芯片U2的8脚接-5V电压，电容C7并接在解调芯片U2的8脚与地之间，解调芯片U2的9脚接P4端口，解调芯片U2的10脚接地，解调芯片U2的11脚接+5V电压，电容C8并接在解调芯片U2的11脚与地之间，解调芯片U2的13脚串联电阻R6后分别连接电容C10的一端、电阻R12的一端、电阻R10的一端，电容C10的另一端接地，电阻R12的另一端分别连接运算放大器U3的3脚、电容C6的一端，运算放大器U3的1脚接地，运算放大器U3的2脚接+5V电压，电容C11并接在运算放大器U3的2脚与地之间，运算放大器U3的4脚分别连接电容C6的另一端、电阻R10的另一端，端口P6并联在运算放大器U3的4脚与地之间，运算放大器U3的5脚接-5V电压，电容C9并接在运算放大器U3的5脚与地之间；
主控单元包括：单片机主控芯片、通讯传输模块、人机交互模块、监控主机，
粉尘采集单元包括粉尘采集暗室、气泵，
激光光源通过前置透镜投射到粉尘采集暗室中，激光粉尘传感器上电后气泵开始启动，气泵与出气口(6)连接，气泵启动后开始负压抽放，粉尘由进气口源源不断的进入到粉尘采集暗室中，形成含尘气流，光源发出的光经过聚光透镜照射到粉尘流上，产生的散射光经过透镜聚集到光电二极管LED2上，将相关的粉尘浓度信号发送到信号采集处理单元，通过粉尘采集单元将接收到的光散射信号依次经过前置处理电路，传到前置处理电路的光电二极管LED2，通过光电二极管LED2将接收到的光信号转换为电流信号，经过前置放大器U1的处理将电流信号转换为电压信号，滤波放大电路，对散射信号进行转换分析，通过数据采集电路将转换后的信号传输到主控制功能单元中，单片机主控芯片将接收到的粉尘浓度信号进行处理，推算出当前环境中的粉尘浓度值，然后通过通讯传输模块将粉尘浓度值传输到监控主机上，并通过人机交互模块对接收到的粉尘浓度信号切换控制，实现整个监测过程对粉尘浓度的实时监控；
还包括吹风装置，吹风装置是激光粉尘传感器内部的净化系统；
舵机(4)的具体控制如下：上位机发送定位信息通过通信模块的接收和解析，同时将检测模块检测到的反馈信息发送给上位机，检测模块将检测的物理量转换成控制模块能够识别的反馈量；上位机给定的位置指令和检测模块检测的反馈量的差值作为输入，经由通信模块送到控制模块，控制模块产生一个控制量通过舵机的主控模块和驱动模块共同驱动舵机旋转一个角度，同时检测模块会检测舵机旋转之后产生的控制量反馈给通信模块和控制模块，为下次的旋转做铺垫；整个舵机控制设计是PID闭环控制，所测的环形面，通过6个舵机旋转位移量可将检测面自由的扩大和缩小。
2.根据权利要求1所述的一种粉尘浓度均匀性检测装置，其特征在于，分布式激光粉尘传感器阵列测量方法，采用分布式激光粉尘传感器阵列测量装置，包括测量探头，测量探头设置为六路且并行设置，并在环形支架(5)内对称分布，六路测量探头分别连接分布式信号检测和采集电路，六路分布式信号检测和采集电路共同连接主控制器，主控制器连接有PC机，六路激光粉尘传感器共同协作，所测粉尘浓度数据通过串口通信传输至主控制器进行数据融合，取平均值。
3.根据权利要求1所述的一种粉尘浓度均匀性检测装置，其特征在于，使用模糊信息融合算法完成对多个传感器数据结果的软决策，当激光粉尘传感器(3)检测到粉尘浓度时，每个激光粉尘传感器(3)设置相应的权重值，当满足总均方值误差最小时，根据各个激光粉尘传感器(3)的测量值的权重值找到相应的自适应方法和最优值，在多激光粉尘传感器(3)数据融合的应用中，隶属度函数用来表示每个传感器的信息不确定性，然后将模糊信息融合变换用于数据处理，(U，V，R)是模糊综合评价模型，其中U是评价因子集，V是评价集，R是模糊关系矩阵。
4.根据权利要求1所述的一种粉尘浓度均匀性检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
①通过主控制器(7)控制激光粉尘传感器(3)启动，激光粉尘传感器(3)测量环形支架(5)内的粉尘浓度并传输至主控制器(7)；
②当需要对粉尘采集箱(2)内的粉尘浓度进行全方位测量时，主控制器(7)发送信号控制舵机(4)的摆动，带动激光粉尘传感器(3)向另一方位旋转来测量粉尘的浓度，主控制器(7)还可将所测粉尘浓度数据通过无线传输至云端(9)；
③主控制器(7)将六个激光粉尘传感器(3)实时所测的粉尘浓度数据利用融合算法进行数据融合处理，得出一个结果输出至PC机(8)进行显示，同时将测试段放置的多个采样器上的滤膜进行称重，根据滤膜上的增重换算此时风筒内的平均粉尘浓度值；
④将融合后的粉尘浓度结果与滤膜称重得到的平均粉尘浓度值进行比较，两者百分比就是为检测误差，反复在不同浓度工况下对比测量，如融合后的粉尘浓度结果与滤膜称重得到的平均粉尘浓度值的检测误差小于5％，则证明所测数据，准确可靠，并具有实用价值。
5.根据权利要求4所述的一种粉尘浓度均匀性检测装置的检测方法，其特征在于，数据融合处理步骤如下：
①首先定义接收到的激光粉尘传感器(3)实时采集数据为X1，X2，……，Xn，在开始进行融合操作之前，先设置融合的条件为数据之间的相对距离dij，其表达式形式为：
dij＝|Xi-Xj|,i,j＝1,2,……,n (1)
②若式(1)得出的计算结果大于设定的门限值，则可以判定Xi和Xj属于同类型的数据，可以进行融合处理，否则计算下一组数据之间的相对距离dij；针对相同类型的数据按照式(2)的公式进行融合处理:
Figure FDA0003804215900000041
其中：Wi表示的是第i个数据的自身权系数；
该自身权系数的取值方程如下：
Figure FDA0003804215900000042
其中：v1表示的是激光粉尘传感器数据对应的特征向量；
将式(2)和式(3)联立，便可以得出数据融合的结果。
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