CN114235655A - 一种新型激光pm传感器及监测待测场中pm的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型激光PM传感器，包括传感器探头及通过导线与传感器探头连接的控制组件，传感器探头包括外壳，壳内有光学通道，光学通道包括与外部联通的气室。还包含激光收发组件、反射组件、连接件和光电头，光电头通过连接件与外壳连接，所述光学通道位于所述反射组件与所述激光收发组件之间，所述激光收发组件包括激光器、探测器、第一、第二光纤导光管，所述激光器、探测器集成安装于所述光电头内，控制组件用于控制所述传感器的监测启动运作。本发明还公开了一种监测PM的方法。本发明提供的激光PM传感器采取收发共端集成的反射式结构，利用光纤导光管作为收发光学传输，实现高精度、低成本、安装方便、高稳定性、不易污染、寿命长等。

Description

一种新型激光PM传感器及监测待测场中PM的方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种新型激光PM传感器及监测待测场中PM的方法。

背景技术

当今车辆尾气PM传感器主要采用颗粒物漏电流式、颗粒物静电沉积式以及激光散射吸收式等，前面两种存在测量精度差、测量周期长等问题，激光散射吸收式因为可以连续测量、测量精度高以及成本低等原因开始在国内广泛应用。

目前激光散射吸收式的车辆尾气PM传感器主要采用双端透射式，并利用两束光纤束作为收发光学传输，存在安装复杂、安装成本高，并且光纤束成本高、光纤束不能折弯，光纤束振动影响测量值等问题。

发明内容

鉴于目前车辆尾气PM传感器安装复杂，成本高，测量精度低等问题，本发明提供一种新型激光PM传感器及监测待测场中PM的方法，所述传感器采取收发共端集成的反射式结构，并利用光纤导光管作为收发光学传输，能够实现高精度、低成本、安装方便、高稳定性等效果。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种新型激光PM传感器，包括传感器探头及通过导线与所述传感器探头连接的控制组件，所述传感器探头包括外壳，壳内设有光学通道，所述光学通道包括气室，所述气室与外部联通，其特征在于，所述传感器探头还包括激光收发组件、反射组件、连接件和光电头，所述光电头通过所述连接件与所述传感器探头外壳连接，所述反射组件设置于所述传感器探头外壳内，所述光学通道位于所述反射组件与所述激光收发组件之间；所述激光收发组件包括激光器、探测器、第一光纤导光管、第二光纤导光管，所述激光器、探测器集成安装于所述光电头内，所述控制组件用于控制所述传感器的监测启动运作。

依照本发明的一个方面，所述光纤导光管通过绝缘隔热部件与所述光学通道连接,所述光学通道包括一气室，所述气室与外部联通，所述光电头外部设置有散热部件，所述散热部件为多片散热翅。

依照本发明的一个方面，所述反射组件材质为回光特性好且具有逆反射特性的反光材料，所述反射组件还包括反射组件安装盖，所述反射组件安装盖与所述壳体螺纹连接。

依照本发明的一个方面，所述光电头还包括电路板、保护盖，所述电路板分别设置有测温电路、放大电路、激光器以及探测器的引出端子，所述控制组件包括驱动电路、探测电路，所述驱动电路、探测电路通过导线与所述引出端子连接，用于连接所述激光器和探测器，所述保护盖固定连接于所述光电头上。

依照本发明的一个方面，所述激光器和探测器安装部位设有测温电阻，所述测温电阻与所述测温电路连接，所述控制组件根据测温电阻的变化控制所述激光器的出光功率。

依照本发明的一个方面，所述传感器内部贯穿设有气路，所述气路包括进气口、吹扫气体分流槽、上吹扫口、下吹扫口，所述上吹扫口和下吹扫口位于所述气室两端。

依照本发明的一个方面，所述控制组件包括一微气泵，所述微气泵包括进气孔和出气孔，所述微气泵进气孔安装有滤网，所述出气孔通过橡皮软管引出后与所述气路的进气口连接，所述吹扫气体分流槽将吹扫气体分别引入到所述上吹扫口和所述下吹扫口。

依照本发明的一个方面，本发明还提供一种监测待测场中PM的方法，所述监测设备包含有PM传感器，所述PM传感器包含激光器、探测器、反射组件、光学通道、第一光纤导光管、第二光纤导光管、控制组件，所述监测待测场中PM的方法包括如下步骤：

将传感器放置或安装于待测场内；

待测场中的气体穿过所述传感器的光学通道，所述传感器的激光器发射激光，耦合进入第一光纤导光管后出射所述激光，所述激光经过光学通道射向反射组件，所述反射组件反射后的激光通过所述光学通道耦合进入第二光纤导光管，所述探测器通过第二光纤导光管接收所述激光；

所述控制组件根据所述探测器所接收到的激光计算得到待测场中PM信息。

依照本发明的一个方面，所述PM传感器内部贯穿设有气路，所述气路包括进气口、吹扫气体分流槽、上吹扫口、下吹扫口；所述方法还包括以下步骤：

通过所述传感器内部气路中的上吹扫口、下吹扫口对气室两端进行连续吹扫。

依照本发明的一个方面，所述待测场包括尾气管，所述安装包括在尾气管上钻规定规格的圆孔，所述传感器通过安装座固定于尾气圆孔上。

本发明实施的优点：通过采取收发共端集成的反射式结构单孔安装方式，未采用常用的一发一收的透射式双端结构的安装方式，安装更方便，节省安装成本。反射式结构中的反射组件采用了回光特性比较好的反射材料，对安装角度误差不敏感，降低了对光路校准调试的要求，保证了激光反射信号的高度一致性和重复性。采用光纤导光管作为收发光学传输，传感器对振动不敏感，测量结果更稳定。控制组件通过导线与传感器探头连接，激光发射和激光接收均集成于探头一端，这样安装更灵活又降低了成本。采用微气泵对测量气室两端进行连续吹扫，避免了待测场中碳烟颗粒物在光学部件上的堆积，保证了传感器的长寿命使用。激光收发组件采用隔热和强散热设计，有效避免了激光收发组件中的激光器和探测器因为温度过高而不能正常工作，通过热敏电阻测温等对测量结果进行修正，保证了测量结果的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明所述的一种新型激光PM传感器的内部剖面结构示意图；

图2为本发明所述的一种监测待测场中PM的方法流程图。

1、探头本体，2、气室，3、光学通道，4、激光器，5、探测器，6、光纤导光管，7、导光管安装结构固定螺钉，8、绝缘隔热部件，9、反射组件安装盖，10、进气口，11、下吹扫口，12、上吹扫口，13、发射激光，14、返回激光，15、光电头电路板，16、光电头保护盖，17、光电头保护盖固定螺钉，18、光电头固定法兰，19、光电头固定法兰螺纹，20、光电头散热翅，21、焊接法兰座，22、探头安装法兰，23、探头安装法兰螺纹，24反射组件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

如图1-2所示，一种新型激光PM传感器，包括传感器探头1及通过导线与所述传感器探头1连接的电路盒，所述传感器探头1包括外壳，壳内设有光学通道3，所述光学通道3包括气室2，所述气室2与外部联通，所述新型激光PM传感器还包含激光收发组件、反射组件24、绝缘隔热部件8和光电头，所述传感器探头1通过所述绝缘隔热部件8与所述光电头连接，所述反射组件24设置于所述传感器探头1外壳内，所述光学通道3位于所述反射组件24与所述激光收发组件之间；所述激光收发组件包括激光器4、探测器5、第一光纤导光管、第二光纤导光管，所述激光器4、探测器5集成安装于所述光电头内，所述电路盒内包括激光器驱动电路和探测电路，所述电路盒通过导线与所述激光器4和探测器5连接。

本发明中，所述新型激光PM传感器工作时，所述激光器4发射的激光耦合进入所述第一光纤导光管，经所述第一光纤导光管射出的激光经过所述光学通道3及所述气室2后射至所述反射组件24，射至所述反射组件24的激光经所述反射组件24反射后经过所述光学通道3及所述气室2后耦合进入第二光纤导光管，所述第二光纤导光管将进入第二光纤导光管的所述激光输出照射到所述探测器5上，被所述探测器5探测。

当气体穿过所述新型PM传感器的气室2时，PM微粒和分子在光的照射下会产生光的散射现象，与此同时，还会吸收部分照射光的能量。当一束平行单色光，即发射激光13入射到被测颗粒场时，会受到颗粒周围散射和吸收的影响，返回激光14信号就出现衰减，而相对衰减率的大小基本上能线性反应待测场灰尘的相对浓度。光强的大小与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。如此一来便可求得发射激光13通过待测浓度场的相对衰减率，从而可以根据衰减信号反演出待测场中PM颗粒物的浓度。

通过采取激光反射式探测方式，采取收发共端集成的反射式结构，未采用常用的一发一收的透射式双端结构，安装更方便，节省安装成本。同时利用光纤导光管6作为收发光学传输，能够实现高精度、低成本、安装方便、高稳定性、不易污染、使用时间长等效果。采用光纤导光管6后，传感器对振动不敏感，可以保证测量结果更稳定。

本实施例中，为了使传感器探头1适应于温度较高的场所，所述光纤导光管6通过所述绝缘隔热部件8与所述光学通道3连接，经仿真分析绝缘隔热材料8的长度保证激光收发组件中激光器4和探测器5安装部位的工作温度合适，有效避免了激光收发组件中的激光器4和探测器5因为温度过高而不能正常工作的问题。所述绝缘隔热部件8通过光电头固定法兰18与探头外壳上的光电头固定法兰螺纹19螺纹连接。所述绝缘隔热部件8具体为导光管安装结构，所述光纤导光管6通过导光管安装结构固定螺钉7置于所述导光管安装结构内。

所述光电头还包括光电头电路板15、保护盖16，所述保护盖16通过所述光电头保护盖固定螺钉17与光电头连接。所述光电头电路板15分别设置有测温电路、放大电路、激光器4以及探测器5的引出端子，所述电路盒上的驱动电路、探测电路通过导线与所述引出端子连接，用于连接所述激光器4和探测器5，所述保护盖16固定连接于所述光电头上。所述激光器4外部还可设有激光器外壳，激光器外壳上设有散热结构。所述激光器4和探测器5安装部位设有测温电阻，所述测温电阻与所述测温电路连接，所述电路盒内设有处理器，所述处理器根据测温电阻的变化和激光器4内功率监测信号来控制所述激光器4的出光功率。光电头外部设置有散热部件，所述散热部件为多片散热翅20，可以增加散热面积，有效避免了激光收发组件中的激光器4和探测器5因为温度过高而不能正常工作的问题。

通过激光器4和探测器5安装部位设计测温电阻，根据激光器4功率标定数据，电路盒处理器根据此处温度及激光器4内功率监测信号来对激光器4的出光功率进行修正，以此来抑制温度变化对出光功率带来的影响，保证测量结果的准确性。

本实施例中，所述新型PM传感器探头1尾端安装反射组件24，所述反射组件24为回光特性比较好的具有逆反射特性的反光材料。当发射光纤导光管出射激光穿过气室2后照射至反光材料，反光材料具有更好的结构稳定性，返回光再经由气室2后返回被接收光纤导光管接收。为了进一步增加反射组件24的使用寿命和测试结果的稳定性，所述反射组件24上部设有反射组件安装盖9，所述反射组件安装盖9与所述探头1螺纹连接。所述反射组件24可为反射镜，所述反射镜材料为回光特性比较好的具有逆反射特性的反光材料。

反射组件24采用回光特性比较好的反射材料，对安装角度误差不敏感，降低了对光路校准调试的要求，保证了激光反射信号的高度一致性和重复性。

在实际应用中，所述气室2为长椭圆形通道，也可设计成其他形状，如圆形通道等。本实施例中，所述探测器5为光电二极管探测器。

在本实施例中，所述传感器探头1内部贯穿设有气路，所述气路包括进气口10、吹扫气体分流槽、上吹扫口12、下吹扫口11，所述上吹扫口12和下吹扫口11位于所述气室2两端。所述电路盒内有微气泵，所述微气泵包括进气孔和出气孔，所述微气泵进气孔安装有滤网，避免灰尘吹入传感器探头，所述出气孔通过橡皮软管引出后与所述气路的进气口10连接，所述吹扫气体分流槽将吹扫气体分别引入到所述上吹扫口12和所述下吹扫口11。

传感器工作时，所述传感器探头1内部气路将进气分别引入到气室的下吹扫口11和上吹扫口12两端，连续吹扫，保证待测浓度场的气体颗粒物不进入到光学通道3污染反光材料和光纤导管6边缘。为了进一步保证吹扫效果，进入所述气室2的气体排出方向与吹扫口出气方向一致。

通过采用微气泵对测量气室2两端进行连续吹扫，避免了待测浓度场中气体中的PM颗粒物在光学部件上的堆积，保证了所述新型PM传感器的长寿命使用。同时也提高了测量结果的稳定性。

在本实施例中，所述新型激光PM传感器还可设置安装座。所述安装座为焊接法兰座21。所述传感器安装时，所述传感器探头1可通过探头安装法兰22安装，固定螺母与探头安装法兰螺纹23配合螺接，固定于所述探头安装法兰22上，提高安装的稳固性。

实际应用中，所述新型激光PM传感器，采用单端安装方式。可以安装在汽车尾气管中，也可以安装在其他设备内，用于监测待测浓度场的PM浓度变化。

当应用于汽车尾气管中时，具体安装步骤为：首先在尾气管上钻规定规格的圆孔，将传感器焊接法兰座21焊接在尾气圆孔上，再将传感器探头1通过固定螺母固定于安装座上，完成所述新型激光PM探测器的尾气安装。

本发明的激光PM传感器，安装简便，节省安装成本，使用方便，应用范围广泛。

本发明还包括一种监测待测场中PM的方法，所述监测设备为PM传感器，所述PM传感器包含激光器4、探测器5、反射组件24、光学通道3、第一光纤导光管、第二光纤导光管、控制组件。

所述监测待测场中PM的方法包括如下步骤：

步骤S1:将传感器放置或安装于待测场内；

实际应用中，所述传感器支持室内或室外监测PM，这时可直接将传感器放置在其内空间。所述传感器也可监测管道内的PM，如汽车、货车尾气管等。当监测尾气管内PM时，采用单端安装方式。具体安装步骤为：首先在尾气管上钻规定规格的圆孔，将安装座焊接在尾气圆孔上，再将传感器探头通过固定螺母固定于安装座上，至此完成探测器的尾气安装。

步骤S2：待测场中的气体穿过所述传感器的光学通道，所述传感器的激光器发射激光，耦合进入第一光纤导光管后出射所述激光，所述激光经过光学通道射向反射组件，所述反射组件反射后的激光通过所述光学通道耦合进入第二光纤导光管，所述探测器通过第二光纤导光管接收所述激光；

PM监测过程中，待测场中的气体穿过所述传感器的光学通道3，所述光学通道包括与外部联通的气室2，待测场中的气体直接穿过所述气室2。传感器开始工作监测PM时，所述传感器的激光器4发射激光，耦合进入第一光纤导光管后出射所述激光，形成入射激光13，所述激光经过光学通道3，这时待测场气体中的PM微粒和分子在入射激光13的照射下会产生光的散射现象，与此同时，还会吸收部分照射光的能量，从光学通道3出来的入射激光再射向反射组件24，经过所述反射组件24反射，形成反射激光14，所述反射激光14通过所述光学通道3后耦合进入第二光纤导光管，所述探测器5通过第二光纤导光管接收所述激光。采用光纤导光管作为收发光学传输，传感器对振动不敏感，测量结果更稳定。

步骤S3：所述控制组件根据所述探测器5所接收到的激光计算得到待测场中PM信息。

由于待测场中的气体穿过所述新型PM传感器的气室2时，PM微粒和分子在光的照射下会产生光的散射现象，与此同时，还会吸收部分照射光的能量。当发射激光13入射到被测场时，会受到颗粒散射和吸收的影响，返回激光14信号就出现衰减，而相对衰减率的大小基本上能线性反应待测场灰尘的相对浓度。探测器5将接收的反射激光14的光强转换成电信号，由于光强的大小与经光电转换的电信号强弱成正比，控制组件通过测得电信号就可以求得相对衰减率。如此一来便可求得发射激光13通过待测场的相对衰减率，从而可以根据衰减信号反演出待测场中PM颗粒物的浓度。

为了保证待测场的气体颗粒物不进入到光学通道3污染所述反射组件24的反光材料和光纤导管6边缘。所述PM传感器内部贯穿设有气路，所述气路包括进气口10、吹扫气体分流槽、上吹扫口12、下吹扫口11；所述监测待测场中PM的方法还包括以下吹扫步骤：吹扫气通过所述传感器内部气路中的上吹扫口、下吹扫口对气室两端进行连续吹扫。

增加所述吹扫步骤避免了待测场中气体中的PM颗粒物在光学部件上的堆积，保证了所述PM传感器的长寿命使用。同时也提高了测量结果的稳定性。

为了进一步保证吹扫效果，所述吹扫步骤中进入所述气室2的气体排出方向与吹扫口出气方向一致。

本发明的一种监测待测场中PM的方法，采用光纤导光管作为收发光学传输，成本低。传感器对振动不敏感，测量结果精度高、稳定性好。增加吹扫步骤，实现连续稳定的PM监测。

本发明实施的优点：通过采取收发共端集成的反射式结构单孔安装方式，未采用常用的一发一收的透射式双端结构的安装方式，安装更方便，节省安装成本。反射式结构中的反射组件采用了回光特性比较好的反射材料，对安装角度误差不敏感，降低了对光路校准调试的要求，保证了激光反射信号的高度一致性和重复性。采用光纤导光管作为收发光学传输，传感器对振动不敏感，测量结果更稳定。控制组件通过导线与传感器探头连接，激光发射和激光接收均集成于探头一端，这样安装更灵活又降低了成本。采用微气泵对测量气室两端进行连续吹扫，避免了待测场中碳烟颗粒物在光学部件上的堆积，保证了传感器的长寿命使用。激光收发组件采用隔热和强散热设计，有效避免了激光收发组件中的激光器和探测器因为温度过高而不能正常工作，通过热敏电阻测温等对测量结果进行修正，保证了测量结果的准确性。本发明提供的一种监测待测场中PM的方法，采用光纤导光管作为收发光学传输，成本低。传感器对振动不敏感，测量结果精度高、稳定性好。增加吹扫步骤，实现连续稳定的PM监测。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域技术的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种新型激光PM传感器，包括传感器探头及通过导线与所述传感器探头连接的控制组件，所述传感器探头包括外壳，壳内设有光学通道，所述光学通道包括气室，所述气室与外部联通，其特征在于，所述传感器探头还包括激光收发组件、反射组件、连接件和光电头，所述光电头通过所述连接件与所述传感器探头外壳连接，所述反射组件设置于所述传感器探头外壳内，所述光学通道位于所述反射组件与所述激光收发组件之间，所述激光收发组件包括激光器、探测器、第一光纤导光管、第二光纤导光管，所述激光器、探测器集成安装于所述光电头内，所述控制组件用于控制所述传感器的监测启动运作。

2.根据权利要求1所述的一种新型激光PM传感器，其特征在于，所述光纤导光管通过绝缘隔热部件与所述光学通道连接,所述光学通道包括一气室，所述气室与外部联通，所述光电头外部设置有散热部件，所述散热部件为多片散热翅。

3.根据权利要求1所述的一种新型激光PM传感器，其特征在于，所述反射组件材质为回光特性好且具有逆反射特性的反光材料，所述反射组件还包括反射组件安装盖，所述反射组件安装盖与所述壳体螺纹连接。

4.根据权利要求1所述的一种新型激光PM传感器，其特征在于，所述光电头还包括电路板、保护盖，所述电路板分别设置有测温电路、放大电路、激光器以及探测器的引出端子，所述控制组件包括驱动电路、探测电路，所述驱动电路、探测电路通过导线与所述引出端子连接，用于连接所述激光器和探测器，所述保护盖固定连接于所述光电头上。

5.根据权利要求4所述的一种新型激光PM传感器，其特征在于，所述激光器和探测器安装部位设有测温电阻，所述测温电阻与所述测温电路连接，所述控制组件根据测温电阻的变化控制所述激光器的出光功率。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种新型激光PM传感器，其特征在于，所述传感器内部贯穿设有气路，所述气路包括进气口、吹扫气体分流槽、上吹扫口、下吹扫口，所述上吹扫口和下吹扫口位于所述气室两端。

7.根据权利要求6所述的一种新型激光PM传感器，其特征在于，所述控制组件包括一微气泵，所述微气泵包括进气孔和出气孔，所述微气泵进气孔安装有滤网，所述出气孔通过橡皮软管引出后与所述气路的进气口连接，所述吹扫气体分流槽将吹扫气体分别引入到所述上吹扫口和所述下吹扫口。

8.一种监测待测场中PM的方法，其特征在于，所述监测设备包含有PM传感器，所述PM传感器包含激光器、探测器、反射组件、光学通道、第一光纤导光管、第二光纤导光管、控制组件，所述监测待测场中PM的方法包括如下步骤：

将传感器放置或安装于待测场内；

待测场中的气体穿过所述传感器的光学通道，所述传感器的激光器发射激光，耦合进入第一光纤导光管后出射所述激光，所述激光经过光学通道射向反射组件，所述反射组件反射后的激光通过所述光学通道耦合进入第二光纤导光管，所述探测器通过第二光纤导光管接收所述激光；

所述控制组件根据所述探测器所接收到的激光计算得到待测场中PM信息。

9.根据权利要求8所述的一种监测待测场中PM的方法，其特征在于，所述PM传感器内部贯穿设有气路，所述气路包括进气口、吹扫气体分流槽、上吹扫口、下吹扫口；所述方法还包括以下步骤：

通过所述传感器内部气路中的上吹扫口、下吹扫口对气室两端进行连续吹扫。

10.根据权利要求9所述的一种监测待测场中PM的方法，其特征在于，所述待测场包括尾气管，所述安装包括在尾气管上钻规定规格的圆孔，所述传感器通过安装座固定于尾气圆孔上。

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