CN112730178A - 一种车载透射式烟度计及车辆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种车载透射式烟度计及车辆，车载透射式烟度计包括：光源电路、检测器电路、单片机；光源电路生成射入待测气室的入射光；检测器电路检测入射光经过待测气室后的出射光，并将出射光转换为电信号；单片机接收电信号，并根据该电信号计算待测气室的灰尘浓度；光源电路包括温度补偿电路；温度补偿电路包括温度传感器PT100、第一电阻R1和第一电容C1，温度传感器与第一电容C1并联连接，第一电容C1的一端通过该第一电阻R1连接电源，第一电容C1的另一端接地。解决现有技术中车载透射式烟度计的激光器由于长时间运行温度升高，能量不稳定，导致待测气室内灰尘浓度测定准确度降低的问题，从而实现了对灰尘浓度的准确测定。
Description
技术领域
本发明涉及环境保护测量技术领域，具体涉及一种车载透射式烟度计及车辆。
背景技术
2018年，我国机动车保有量3.26亿辆；其中：汽车2.17亿辆，柴油车1956.7万辆，重型柴油车616.6万辆，移动污染源NOX和PM2.5排放逐渐成为大气污染主要贡献者。尤其是占汽车保有量9.1％的柴油车，贡献率几乎100％颗粒物PM污染物。在中国第六阶段中规定了重型柴油车污染物排放限值及测量方法，因此推出车载透射式烟度计符合大气污染治理的重点方向和趋势。
车载式烟度计是一种全流光透射式烟度计，烟度计由传感器终端、信号处理部分以及导气管部分组成。透射式烟度计是根据柴油机排放污染物对可见光具有散射及吸收作用的原理而设计的，如图1所示，当一束平行单色光经半透反射镜反射，成为平行光入射到气室，由对面反射镜窗片反射回气室，再穿过半透反射镜射入传感器。排气中含烟越多，平行光穿过测量室时光强衰减越大，相应的电信号就越弱，电信号经电路放大，可显示出相应的光吸收系数K值和不透光N值。标准：JJG 976-2010透射式烟度计
被测颗粒场时，会受到颗粒周围散射和吸收的影响，光强将被衰减。以此求得入射光通过待测浓度场的相对衰减率。而相对衰减率的大小基本上能线性反应待测气室灰尘的相对浓度。光强的大小和经光电转换的电信号强弱成正比，通过测得电信号就可以求得相对衰减率，进而就可以测定待测气室里灰尘的浓度。
一般透射式烟度计电路包括测量单元和控制单元。首先由发动机排烟，尾气进入气室，经光源发生电路输出电信号，检测器电路将信号传给MCU，最后由CAN通讯输出。在光源发生过程中，单片机输出的PWM信号，驱动控制激光光源打灯,然而激光器在长时间运行中温度升高导致能量不稳定，进而导致待测气室里灰尘浓度测定准确度降低。
针对现有技术中，车载透射式烟度计的激光器由于长时间运行温度升高，能量不稳定，导致待测气室内灰尘浓度测定准确度降低的问题，还未提出有效的解决方案。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种车载透射式烟度计及车辆，以解决现有技术中车载透射式烟度计的激光器由于长时间运行温度升高，能量不稳定，导致待测气室内灰尘浓度测定准确度降低的问题。
为此，本发明实施例提供了如下技术方案：
本发明第一方面，提供了一种车载透射式烟度计，包括：光源电路、检测器电路、单片机；所述光源电路用于生成射入待测气室的入射光；所述检测器电路用于检测所述入射光经过所述待测气室后的出射光，并将所述出射光转换为电信号；所述单片机用于接收所述电信号，并根据所述电信号计算所述待测气室的灰尘浓度；
其中，所述光源电路包括温度补偿电路；所述温度补偿电路包括温度传感器(PT100)、第一电阻(R1)和第一电容(C1)，所述温度传感器与所述第一电容(C1)并联连接，所述第一电容(C1)的一端通过所述第一电阻(R1)连接电源，所述第一电容(C1)的另一端接地。
可选地，检测器电路包括：第一二极管(D1)、第一运算放大器(U1)和第二电阻(R2)；
其中，所述第一二极管(D1)的正极和负极分别连接至所述第一运算放大器(U1)的正极和负极，所述第一二极管(D1)的正极接地，所述第一运算放大器(U1)的负极接地，所述第二电阻(R2)的两端分别连接至所述第一运算放大器(U1)的负极和所述第一运算放大器(U1)的输出端。
可选地，所述车载透射式烟度计还包括：
吹扫电路；所述吹扫电路包括：泵(P1)、第一三极管(Q1)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第二电容(R2)和第三电容(R3)；
其中，所述第三电容(R3)的两端连接至所述泵(P1)，所述第一三极管(Q1)的发射极连接至所述第三电容(R3)，所述第一三极管(Q1)的集电极连接至电源，所述第一三极管(Q1)的基极通过所述第四电阻(R4)和所述第五电阻(R5)接地，所述第一三极管(Q1)的基极通过所述第二电容(R2)接地，所述第二电容(R2)与所述第五电阻(R5)并联连接，所述第三电阻(R3)的一端连接至所述第四电阻(R4)和所述第五电阻(R5)，所述第三电阻(R3)的另一端连接电源。
可选地，所述第三电阻(R3)为可变电阻。
可选地，所述光源电路包括：激光器、第二运算放大器(U2)、第六电阻(R6)和第七电阻(R7)；
其中，所述激光器的一端接地，另一端接收控制信号，再一端连接至所述第二运算放大器(U2)的正极，所述第六电阻(R6)的一端接地，另一端连接至所述第二运算放大器(U2)的负极和所述第七电阻(R7)，所述第七电阻(R7)连接所述第二运算放大器(U2)的输出端。
可选地，所述光源电路包括：加热电路；
所述加热电路包括第二三极管(Q2)、第三三极管(Q3)、第八电阻(R8)、第九电阻(R9)、第十电阻(R10)、第十一电阻(R11)；
其中，所述第二三极管(Q2)的集电极通过所述第十电阻(R10)和所述第十一电阻(R11)连接至所述第三三极管(Q3)的集电极，所述第二三极管(Q2)的集电极连接至所述第三三极管(Q3)的基极，所述第九电阻(R9)的两端连接至所述第二三极管(Q2)的基极和发射极，所述第二三极管(Q2)和所述第三三极管(Q3)的发射极接地，所述第十电阻(R10)和所述十一电阻(R11)的连接处连接有电源，所述第八电阻(R8)的一端连接至所述第二三极管(Q2)的基极和所述第九电阻(R9)，另一端连接单片机输出的控制信号。
本发明第二方面，提供了一种车辆，包括上述第一方面中任一所述的车载透射式烟度计。
本发明实施例技术方案，具有如下优点：
本发明实施例提供了一种车载透射式烟度计及车辆，其中，车载透射式烟度计包括：光源电路、检测器电路、单片机；光源电路用于生成射入待测气室的入射光；检测器电路用于检测入射光经过待测气室后的出射光，并将出射光转换为电信号；单片机用于接收电信号，并根据该电信号计算待测气室的灰尘浓度；其中，光源电路包括温度补偿电路；该温度补偿电路包括温度传感器PT100、第一电阻R1和第一电容C1，温度传感器与第一电容C1并联连接，第一电容C1的一端通过该第一电阻R1连接电源，第一电容C1的另一端接地。解决现有技术中车载透射式烟度计的激光器由于长时间运行温度升高，能量不稳定，导致待测气室内灰尘浓度测定准确度降低的问题，从而实现了对灰尘浓度的准确测定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是透射式烟度计工作原理图；
图2是根据本发明实施例的车载透射式烟度计结构示意图；
图3是根据本发明实施例的温度补偿电路图；
图4是根据本发明实施例的检测器电路图；
图5是根据本发明实施例的吹扫电路图；
图6是根据本发明实施例的光源电路图；
图7是根据本发明实施例的加热电路图；
图8是CAN总线电路图。
具体实施方式
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，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“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申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，“示例性”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本申请中被描述为“示例性”的任何实施例不一定被解释为比其它实施例更优选或更具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本申请，给出了以下描述。在以下描述中，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本申请。在其它实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本申请的描述变得晦涩。因此，本申请并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本申请所公开的原理和特征的最广范围相一致。
根据本发明实施例，提供了一种车载透射式烟度计实施例，如图2所示，车载透射式烟度计包括：光源电路，即图2中的光源发生电路；检测器电路；单片机，图2中还包括吹扫电路、温度补偿电路等，将在下面的实施例中详细说明。
光源电路用于生成射入待测气室的入射光，检测器电路用于检测入射光经过该待测气室后的出射光，并将出射光转换为电信号，单片机用于接收该电信号，并根据该电信号计算待测气室的灰尘浓度。该部分为车载透射式烟度计获取灰尘浓度的一般原理。在该实施例中具体对光源电路结构进行了限定，如图3所示，具体地，光源电路包括温度补偿电路；该温度补偿电路包括温度传感器PT100、第一电阻R1和第一电容C1，温度传感器与第一电容C1并联连接，第一电容C1的一端通过第一电阻R1连接电源，第一电容C1的另一端接地。温度不同的情况下，PT100的阻值会发生改变，TEMP点的电压也会随之发生改变，可以通过单片机采集TEMP的电压来计算PT100的阻值，再通过单片机查表法确定外界环境的温度。
现有技术中车载透射式烟度计电路包括测量单元和控制单元，首先由发动机排烟，尾气进入气室，经光源发生电路输出电信号，检测器电路将信号传给MCU，最后由CAN通讯输出。本可选实施例在现有技术的车载透射式烟度计基础上增加了温度补偿电路，解决现有技术中车载透射式烟度计的激光器由于长时间运行温度升高，能量不稳定，导致待测气室内灰尘浓度测定准确度降低的问题，从而实现了对灰尘浓度的准确测定。本可选实施例适用于高温环境的特殊排气设备和强震动场合，同时集成高精度线性补偿与智能滤波算法，满足尾气环境信号多样、复杂的采样需求。
图4是根据本发明实施例的检测器电路图，如图4所示，检测器电路包括：第一二极管D1、第一运算放大器U1和第二电阻R2。其中，第一二极管D1的正极和负极分别连接至第一运算放大器U1的正极和负极，第一二极管D1的正极接地，第一运算放大器U1的负极接地，第二电阻R2的两端分别连接至第一运算放大器U1的负极和第一运算放大器U1的输出端。检测器电路中，光源反射到光电二极管，传感器感光后，光强转为电信号，此信号经过传感器内做一级增益、滤波，使其达到一定能量，作为电信号输出。
图5是根据本发明实施例的吹扫电路图，如图5所示，车载透射式烟度计还包括吹扫电路，吹扫电路包括：泵P1、第一三极管Q1、第三电阻R3，例如第三电阻R3可以是可变电阻、第四电阻R4、第五电阻R5、第二电容R2和第三电容R3。第三电容R3的两端连接至泵P1，第一三极管Q1的发射极连接至第三电容R3，第一三极管Q1的集电极连接至电源，第一三极管Q1的基极通过第四电阻R4和第五电阻R5接地，第一三极管Q1的基极通过第二电容R2接地，第二电容R2与第五电阻R5并联连接，第三电阻R3的一端连接至第四电阻R4和第五电阻R5，第三电阻R3的另一端连接电源。该电路的作用是驱动泵的开关，使用其他的电路也可以替代，如继电器泵驱动电路，晶闸管泵驱动电路，电路上电的时候，MOS管导通，泵工作，否则泵不工作。通过本可选实施例的吹扫电路，通过气室两端导气管进行自动吹扫，反吹防护形成气幕，保护反射镜，防止镜片污染。
图6是根据本发明实施例的光源电路图，如图6所示，光源电路包括：激光器、第二运算放大器U2、第六电阻R6和第七电阻R7。激光器的一端接地，另一端接收控制信号，再一端连接至第二运算放大器U2的正极，第六电阻R6的一端接地，另一端连接至第二运算放大器U2的负极和第七电阻R7，第七电阻R7连接第二运算放大器U2的输出端。具体地，光源发生电路：单片机输出的PWM信号，驱动控制激光光源打灯，激光器内部经过放大，控制电源输出电压，在信号放大器电路设计中，信号放大增益为Ai，在此信号放大器电路设计中Ai计算公式如下：Ai＝(R6/R7)+1；由此计算出AD采集信号计算公式如下：Vad＝Vi*Ai＝Vi*(R6/R7)+Vi。具体的信号增益参数可通过调整R6及R7电阻比值调节输入信号的增益参数。
外置加热片作为加热器和恒温控制，排气中有水分且刚排出时温度较高，防止排气在气室管壁冷凝成雾影响测量结果，需要使管壁温度保持在70℃以上。因此外接加入加热器和恒温控制电路。
图7是根据本发明实施例的加热电路图，如图7所示，光源电路包括：加热电路。该加热电路包括第二三极管Q2、第三三极管Q3、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11。第二三极管Q2的集电极通过第十电阻R10和第十一电阻R11连接至第三三极管Q3的集电极，第二三极管Q2的集电极连接至第三三极管Q3的基极，第九电阻R9的两端连接至第二三极管Q2的基极和发射极，第二三极管Q2和该第三三极管Q3的发射极接地，第十电阻R10和十一电阻R11的连接处连接有电源，第八电阻R8的一端连接至第二三极管Q2的基极和第九电阻R9，另一端连接单片机输出的控制信号。当测量到温度在70℃以下的时候，将单片机引脚MCU_HEAT设置为低电平，Q3的基极就为高电平，HAET输出为高电平，加热片开始加热。
本发明实施例还提供了一种车辆，包括上述实施例中任一车载透射式烟度计。如图8所示，该车辆还包括CAN总线输出电路，实现与汽车仪表实时传讯，在线实时监测，现场数据的采集、设备控制和驱动等，并能实现上传数据和接收数据等通信功能。I/O口和控制信号线将数据写入CAN控制器，通过CAN收发器向CAN总线发送，CAN总线上，需要上传给主节点的数据，经CAN收发器写入CAN控制器，通过中断信号提醒微控制器读取，再由RS-232接口上传给PC机。TX和RX直连STM32引脚(FT)，模式控制引脚(RS)作用是开启关闭发送器。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (7)
1.一种车载透射式烟度计，其特征在于，包括：光源电路、检测器电路、单片机；所述光源电路用于生成射入待测气室的入射光；所述检测器电路用于检测所述入射光经过所述待测气室后的出射光，并将所述出射光转换为电信号；所述单片机用于接收所述电信号，并根据所述电信号计算所述待测气室的灰尘浓度；
其中，所述光源电路包括温度补偿电路；所述温度补偿电路包括温度传感器(PT100)、第一电阻(R1)和第一电容(C1)，所述温度传感器与所述第一电容(C1)并联连接，所述第一电容(C1)的一端通过所述第一电阻(R1)连接电源，所述第一电容(C1)的另一端接地。
2.根据权利要求1所述的车载透射式烟度计，其特征在于，检测器电路包括：第一二极管(D1)、第一运算放大器(U1)和第二电阻(R2)；
其中，所述第一二极管(D1)的正极和负极分别连接至所述第一运算放大器(U1)的正极和负极，所述第一二极管(D1)的正极接地，所述第一运算放大器(U1)的负极接地，所述第二电阻(R2)的两端分别连接至所述第一运算放大器(U1)的负极和所述第一运算放大器(U1)的输出端。
3.根据权利要求1所述的车载透射式烟度计，其特征在于，所述车载透射式烟度计还包括：
吹扫电路；所述吹扫电路包括：泵(P1)、第一三极管(Q1)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第二电容(R2)和第三电容(R3)；
其中，所述第三电容(R3)的两端连接至所述泵(P1)，所述第一三极管(Q1)的发射极连接至所述第三电容(R3)，所述第一三极管(Q1)的集电极连接至电源，所述第一三极管(Q1)的基极通过所述第四电阻(R4)和所述第五电阻(R5)接地，所述第一三极管(Q1)的基极通过所述第二电容(R2)接地，所述第二电容(R2)与所述第五电阻(R5)并联连接，所述第三电阻(R3)的一端连接至所述第四电阻(R4)和所述第五电阻(R5)，所述第三电阻(R3)的另一端连接电源。
4.根据权利要求1所述的车载透射式烟度计，其特征在于，所述第三电阻(R3)为可变电阻。
5.根据权利要求1所述的车载透射式烟度计，其特征在于，所述光源电路包括：激光器、第二运算放大器(U2)、第六电阻(R6)和第七电阻(R7)；
其中，所述激光器的一端接地，另一端接收控制信号，再一端连接至所述第二运算放大器(U2)的正极，所述第六电阻(R6)的一端接地，另一端连接至所述第二运算放大器(U2)的负极和所述第七电阻(R7)，所述第七电阻(R7)连接所述第二运算放大器(U2)的输出端。
6.根据权利要求1所述的车载透射式烟度计，其特征在于，所述光源电路包括：加热电路；
所述加热电路包括第二三极管(Q2)、第三三极管(Q3)、第八电阻(R8)、第九电阻(R9)、第十电阻(R10)、第十一电阻(R11)；
其中，所述第二三极管(Q2)的集电极通过所述第十电阻(R10)和所述第十一电阻(R11)连接至所述第三三极管(Q3)的集电极，所述第二三极管(Q2)的集电极连接至所述第三三极管(Q3)的基极，所述第九电阻(R9)的两端连接至所述第二三极管(Q2)的基极和发射极，所述第二三极管(Q2)和所述第三三极管(Q3)的发射极接地，所述第十电阻(R10)和所述十一电阻(R11)的连接处连接有电源，所述第八电阻(R8)的一端连接至所述第二三极管(Q2)的基极和所述第九电阻(R9)，另一端连接单片机输出的控制信号。
7.一种车辆，其特征在于，包括权利要求1-6中任一所述的车载透射式烟度计。
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