CN112782048A - 一种颗粒物监测装置的电路处理子系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供颗粒物监测装置的电路处理子系统，其包括：光电探测单元，用于将采集自其探测区域的光信号转换为电信号；高阻抗跨导放大单元，用于对所述电信号进行信号放大处理；交流耦合单元，用于对放大后的电信号进行背景光干扰抑制并对传感信号进行降噪处理；锁相放大单元，用于进一步对背景光干扰抑制后的电信号进行降噪处理；差分放大单元，用于对信号进行进一步的放大和降噪处理；模数转换单元，用于对信号进行模数转换；控制单元，用于对激光器调制信号进行控制、并根据接收到的数字信号进行相应的颗粒物监测。本发明的技术方案能够有效解决现有粉尘传感器受背景光干扰严重且噪声严重等问题，从而能够实现更加精准和高效的颗粒物监测。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及颗粒物监测装置的电路处理子系统。
背景技术
随着人们生活水平的提高，人们对身体健康和环节安全的要求也逐步提高。如何有效监测并预警环境中的粉尘污染，如烟、霾、轻雾、微尘或烟雾等，已成为当下极为严峻的问题。因此，激光粉尘传感器已成为人们生活中必不可少的一类设备，其中尤以超低排放激光散射粉尘传感器为典型。
但是，现有的超低排放激光散射粉尘传感器有很多不足之处，例如：受背景光干扰严重，实验室环境、烟囱里的黑暗环境、或者阳光照射环境等都对测量数据有较大影响；噪声严重，影响周围环境；经常通过多量程切换来实现高信噪比，但这种操作方式容易造成环保数据造假的漏洞等等。上述这些问题都是本领域亟需解决的技术难题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明提供一种颗粒物监测装置的电路处理子系统，用于解决吸纳有技术中的问题。
为实现上述目的，本发明的提供一种颗粒物监测装置的电路处理子系统，其包括：信号发生器，用于发射预设频率、波形、及输出电平的信号；激光驱动器，其接收所述信号发生器所产生的信号并发射对应的激光驱动信号；激光器，其接收所述激光驱动器所发射的激光驱动信号并发射对应的激光信号；光电探测单元，用于将采集自其探测区域的光信号转换为电信号；高阻抗跨导放大单元，其输入端耦接所述光电探测单元的输出端，用于对所述电信号进行信号放大处理；交流耦合单元，其输入端耦接所述高阻抗跨导放大单元的输出端，用于对放大后的电信号进行背景光干扰抑制并对传感信号进行降噪处理；锁相放大单元，其输入端耦接所述交流耦合单元的输出端，用于进一步对背景光干扰抑制后的电信号进行降噪处理；差分放大单元，其输入端耦接所述锁相放大单元的输出端，用于对电信号信号进行进一步的放大和降噪处理；模数转换单元，其输入端耦接所述差分放大单元的输出端，用于对信号进行模数转换；控制单元，其输入端耦接所述模数转换单元的输出端，用于对激光调制信号进行控制，并根据接收到的数字信号进行相应的颗粒物监测。
在本发明的一些实施方式中，所述高阻抗跨导放大单元包括：第一信号放大器，其第一输入引脚连接光电探测单元的输入信号，第二输入引脚接地，并在对输入信号进行放大后经输出引脚输出。
在本发明的一些实施方式中，所述交流耦合单元包括：多级放大单元；第一滤波电容；第二滤波电容；其中，所述高阻抗跨导放大单元的输出信号经所述第一滤波电容滤波后输入多级放大单元，在经多级放大处理后输出至第二滤波电容，并在经所述第二滤波电容滤波后输出。
在本发明的一些实施方式中，所述多级放大单元包括：第一级放大单元，其包括第二信号放大器；第二级放大单元，其包括第三信号放大器；第三级放大单元，其包括第四信号放大器；其中，所述第一滤波电容将信号滤波处理后输入所述第二信号放大器；所述第二信号放大器将信号放大后输出至第三信号放大器的输入端；所述第三信号放大器将信号放大后输出至第四信号放大器的输入端；所述第四信号放大器将信号放大后经第二滤波电容滤波后输出。
在本发明的一些实施方式中，所述差分放大单元包括高精度差分放大器。
在本发明的一些实施方式中，所述锁相放大单元包括锁相放大器。
在本发明的一些实施方式中，所述模数转换单元为模数转换器。
在本发明的一些实施方式中，所述控制单元包括：ARM控制器、FPGA控制器、SoC控制器、DSP控制器、以及MCU控制器中的任意一种或多种的组合。
在本发明的一些实施方式中，所述颗粒物监测装置的类型包括超低排放激光散射粉尘传感器。
如上所述，本发明涉及的一种颗粒物监测装置的电路处理子系统，具有以下有益效果：本发明的技术方案能够有效解决现有粉尘传感器受背景光干扰严重且噪声严重等问题，从而能够实现更加精准和高效的颗粒物监测。
附图说明
图1显示为本发明一实施例中颗粒物监测装置的电路处理子系统的部分结构示意图。
图2显示为本发明一实施例中颗粒物监测装置的电路处理子系统的结构示意图。
图3显示为本发明一实施例中高阻抗跨导放大器的结构示意图。
图4显示为本发明一实施例中的交流耦合器的结构示意图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，并且本申请的实施例的范围仅由公布的专利的权利要求书所限定。这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本申请。空间相关的术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等，可在文中使用以便于说明图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“固持”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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在本发明中的具体含义。
再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。
激光散射粉尘传感器是一种用于进行颗粒物监测的设备，主要采用激光散射原理来实现，也即当激光照射到通过检测位置的颗粒物时会产生微弱的光散射，在特定方向上的光散射波形与颗粒直径有关，通过不同粒径的波形分类统计及换算公式得到不同粒径的实时颗粒物的数量浓度，按照标定方法得到跟官方单位相统一的质量浓度。
然而，现有的超低排放激光散射粉尘传感器有很多不足之处，例如：受背景光干扰严重，实验室环境、烟囱里的黑暗环境、或者阳光照射环境等都对测量数据有较大影响；噪声严重，影响周围环境；经常通过多量程切换来实现高信噪比，但这种操作方式容易造成环保数据造假的漏洞等等。
有鉴于此，本申请提供一种粉尘传感器，旨在通过增设用于降低噪声以及抑制背景光干扰的电路模块，来解决现有技术中的问题，使粉尘传感器的粉尘监控更加精准和高效。
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，通过下述实施例并结合附图，对本发明实施例中的技术方案的进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定发明。
实施例一
如图1所示，展示了本申请一实施例中的颗粒物监测装置的电路处理子系统的部分结构示意图。本实施例的颗粒物监测装置的电路处理子系统包括光电探测单元11、高阻抗跨导放大单元12、交流耦合单元13、锁相放大单元14、差分放大单元15、模数转换单元16、及控制单元17。
需说明的是，本实施例中所指的颗粒物主要是指悬浮于空气中的固体微粒，其包括但不限于：粉尘、烟、霾、轻雾、微尘或烟雾等等。
其中，光电探测单元11例如可采用光电探测器，用于将采集自其探测区域的光信号转换为电信号；高阻抗跨导放大单元12例如可采用高阻抗跨导放大器，其输入端耦接光电探测单元11的输出端，用于对所述电信号进行信号放大处理；交流耦合单元13例如可采用电容交流耦合电路，其输入端耦接高阻抗跨导放大单元12的输出端，用于对放大后的电信号进行背景光干扰抑制并对传感信号进行降噪处理；锁相放大单元14例如可采用锁相放大器，其输入端耦接交流耦合单元13的输出端，用于进一步对背景光干扰抑制后的电信号进行降噪处理；差分放大单元15例如可采用差分放大器，其输入端耦接锁相放大单元14的输出端，用于对电信号信号进行进一步的放大和降噪处理；模数转换单元16例如可采用模数转换电路，其输入端耦接差分放大单元15的输出端，用于对信号进行模数转换；控制单元17例如可采用ARM(Advanced RISC Machines)控制器、FPGA(Field Programmable GateArray)控制器、SoC(System on Chip)控制器、DSP(Digital Signal Processing)控制器、或者MCU(Micorcontroller Unit)控制器等器件，其输入端耦接模数转换单元16的输出端，用于对激光调制信号进行控制，并根据接收到的数字信号进行相应的颗粒物监测。
需说明的是，本实施例中所提及的“耦接”，是指耦合连接，其包括但不限于电、光、磁以及声信号中的一或多者在通信设备间直接或间接的信号传输关系。另外应理解，出于说明性目的而提供以上示例，并且以上示例不应被理解成是限制性的。
实施例二
如图2所示，展示了本申请的颗粒物监测装置的电路处理子系统的的结构示意图。在本实施例中，颗粒物监测装置的电路处理子系统包括：信号发生器201、激光驱动电路202、激光器203、光电探测器205、高阻抗跨导放大器206、交流耦合器207、锁相放大器208、差分放大器209、模数转换器210、控制器211。
其中，信号发生器201产生信号并发送至激光驱动电路202，激光驱动电路202发送驱动信号至激光器203，激光器203由此向被测物204发射激光信号。
光电探测器205用于将采集自其探测区域的光信号转换为电信号；高阻抗跨导放大器206的输入端耦接光电探测器205的输出端，用于对所述电信号进行信号放大处理；交流耦合器207的输入端耦接高阻抗跨导放大器206的输出端，用于对放大后的电信号进行背景光干扰抑制并对传感信号进行降噪处理；锁相放大器254的输入端耦接交流耦合器207的输出端，用于进一步对背景光干扰抑制后的电信号进行降噪处理；差分放大器208的输入端耦接锁相放大器254的输出端，用于对电信号信号进行进一步的放大和降噪处理；模数转换器209的输入端耦接差分放大器208的输出端，用于对信号进行模数转换；控制器211的输入端耦接模数转换器209的输出端，用于对激光调制信号进行控制，并根据接收到的数字信号进行相应的颗粒物监测。
在一些可选的实现方式中，高阻抗跨导放大器206的电路结构如图3所示：高阻抗跨导放大器包括第一信号放大器，本实施例中采用运算放大器U1来表示。运算放大器U1的2号脚连接光电探测器，3号脚接地，6号脚为输出引脚，且2号脚和6号脚之间还接有反馈电阻R1，因此运算放大器U1将光电探测器的输出信号放大后输出。
在一些可选的实现方式中，交流耦合器207的电路结构如图4所示：交流耦合器包括多级放大单元、第一滤波电容C2和第二滤波电容C3。在本实施例中，多级放大单元具体包括：第一级放大单元41、第二级放大单元42、第三级放大单元；其中，第一级放大单元41包括第二信号放大器及其辅助电路、第三信号放大器及其辅助电路、第四信号放大器及其辅助电路；并采用放大器U3A来表示第二信号放大器，采用放大器U2来表示第三信号放大器，采用放大器U4A来表示第四信号放大器。
应理解的是，以上实施例仅作为示例，而不是对本申请的一种限制。也即，多级放大单元具体包括多少级放大单元并不受上述实施例限制，其包括的放大单元的级数可以少于三级也可多于三级，本实施例不作限定。
具体来说，交流耦合器的输入端连接前一级电路的输出端，即连接本实施例中高阻抗跨导放大器的输出端，经第一滤波电容C2进行滤波后再经放大器U3A进行放大处理，并由运算放大器U3A的1号脚输出。放大器U3A的输出信号作为放大器U2的输入信号，由放大器U2的4号脚引入信号，经放大器U2进行放大处理后由7号脚输出。第二级信号放大器U2的输出信号又作为放大器U4A的输入信号，由放大器U4A的2号脚引入信号，经放大器U4A进行放大处理并由第二滤波电容C3滤波后输出。
需说明的是，本实施例中的交流耦合器与传统的采用单电容的滤波方式截然不同，本实施例的技术方案不仅采用滤波电容进行隔直通交滤波处理，还经过多级放大器进行信号的动态调整，从而能够达到滤波效果，更有效地抑制如实验室、黑暗、或者光照等环境下背景光的干扰。
在一些可选的实现方式中，锁相放大器254采用相敏检测器来检测出指定频率和相位的信号。在本实施例中，锁相放大器254接入交流耦合器207的输出信号作为被测信号，并接入信号发生器201的输出信号作为参考信号来进行信号检测，由此进一步实现降噪和背景光干扰的抑制。
在一些可选的实现方式中，差分放大器208优选采用超高精度差分放大电路，例如选用KCMR为140dB，ric≥100MΩ的高精度差分放大器，相比于一般的KCMR为(80～120)dB的通用型运放，具有明显更高的精度。因此，本实施例采用的高精度差分放大器在实现高精度的同时也获得超大测量范围，因此无需再通过多量程切换来实现高信噪比，从而杜绝环保数据造假的现象。但应理解的是，以上示例中所列举的参数只作为参考，而不应被理解为是限制性的。
综上所述，本发明提供一种颗粒物监测装置的电路处理子系统，其能够有效解决现有粉尘传感器受背景光干扰严重且噪声严重等问题，从而能够实现更加精准和高效的颗粒物监测。因此，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种颗粒物监测装置的电路处理子系统，其特征在于，包括：
信号发生器，用于发射预设频率、波形、及输出电平的信号；
激光驱动器，其接收所述信号发生器所产生的信号并发射对应的激光驱动信号；
激光器，其接收所述激光驱动器所发射的激光驱动信号并发射对应的激光信号；
光电探测单元，用于将采集自其探测区域的光信号转换为电信号；
高阻抗跨导放大单元，其输入端耦接所述光电探测单元的输出端，用于对所述电信号进行信号放大处理；
交流耦合单元，其输入端耦接所述高阻抗跨导放大单元的输出端，用于对放大后的电信号进行背景光干扰抑制并对传感信号进行降噪处理；
锁相放大单元，其输入端耦接所述交流耦合单元的输出端，用于进一步对背景光干扰抑制后的电信号进行降噪处理；
差分放大单元，其输入端耦接所述锁相放大单元的输出端，用于对电信号信号进行进一步的放大和降噪处理；
模数转换单元，其输入端耦接所述差分放大单元的输出端，用于对信号进行模数转换；
控制单元，其输入端耦接所述模数转换单元的输出端，用于对激光调制信号进行控制，并根据接收到的数字信号进行相应的颗粒物监测。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述高阻抗跨导放大单元包括：
第一信号放大器，其第一输入引脚连接光电探测单元的输入信号，第二输入引脚接地，并在对输入信号进行放大后经输出引脚输出。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述交流耦合单元包括：
多级放大单元；
第一滤波电容；
第二滤波电容；
其中，所述高阻抗跨导放大单元的输出信号经所述第一滤波电容滤波后输入多级放大单元，在经多级放大处理后输出至第二滤波电容，并在经所述第二滤波电容滤波后输出。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述多级放大单元包括：
第一级放大单元，其包括第二信号放大器；
第二级放大单元，其包括第三信号放大器；
第三级放大单元，其包括第四信号放大器；
其中，所述第一滤波电容将信号滤波处理后输入所述第二信号放大器；所述第二信号放大器将信号放大后输出至第三信号放大器的输入端；所述第三信号放大器将信号放大后输出至第四信号放大器的输入端；所述第四信号放大器将信号放大后经第二滤波电容滤波后输出。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述差分放大单元包括高精度差分放大器。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述锁相放大单元包括锁相放大器。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述模数转换单元为模数转换器。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制单元包括：ARM控制器、FPGA控制器、SoC控制器、DSP控制器、以及MCU控制器中的任意一种或多种的组合。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述颗粒物监测装置的类型包括用于进行灰尘监测的超低排放激光散射粉尘传感器。
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| CN114486688A (zh) * | 2022-01-28 | 2022-05-13 | 苏州苏信环境科技有限公司 | 一种粒子计数器计量方法、装置、设备及存储介质 |
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