CN115561134A - 一种基于光散射法测定油烟颗粒物浓度的检测传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光散射法测定油烟颗粒物浓度的检测传感器。本发明包括双层不透光绝缘腔体、双波段激光发射器和传感器控制板；绝缘腔体分为外层长方体空腔与内层底面为漏斗状滤网的正方形腔体，下接半圆柱形的可拆卸收纳盒，设置有相互对称的进气口、出气口和在其他侧面的激光口；双波段激光发射器垂直安装在腔体侧面激光口上；传感器控制板设置在腔体的内外层之间气室之中。本发明只有一个与外壳连接的可拆卸收纳盒，避免了传统颗粒物传感器经常拆卸、易于损坏、成本较高等问题。本发明采用双波段激光进行照射，降低油烟气体中其余杂质的干扰及长期使用后油烟污染对结果的影响，保证了测量精度合灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体地涉及到一种基于光散射法测定油烟颗粒物浓度的检测传感器。
背景技术
目前油烟检测的方法主要有：滤膜称重法、β衰减法、晶体微天平法和光散射法。其中光散射法具有测量速度快，所需物理量参数少，适用性广等特点，光散射法可能是最适合的油烟颗粒物检测方法。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于光散射法测定油烟颗粒物浓度的检测传感器，目的在于提供一种准确且灵敏的油烟颗粒物传感器，该传感器具有较好的检测灵敏度，并且拥有较大的颗粒物浓度检测范围。
一种基于光散射法测定油烟颗粒物浓度的检测传感器，包括双层不透光绝缘腔体、双波段激光发射器和传感器控制板。
所述不透光双层绝缘腔体外层为长方体空腔，内层为底面为漏斗状滤网的正方形，其中外层长方体底部与内层正方体底部为同一底部，其余面之间形成气室。下端为半圆柱形的可拆卸收纳盒。外层采用HC-PLA材料进行3D打印而成，由于采用塑料材质使得腔体绝缘从而来避免产生静电屏蔽，内层则添加疏油疏水涂层，减少油烟挂壁。腔体设置有相互对称的圆柱形进气口、出气口和在其他侧面的激光口。所述的双波段激光发射器垂直于腔体侧面安装在激光口上，保证射入的激光束于腔体顶面保持平行。所述的传感器控制板设置在所述的不透光绝缘腔体的内外层之间气室之中，包括腔体顶部光电传感器，侧面温湿度传感器的探头及侧面气室的主控模板及正面气室的温度控制装置。
所述的不透光绝缘腔体上的进气口和出气口分别用于进出油烟气体。
所述双波段激光发射器用于发射出聚焦集中，光束偏离量较小的不同波段的激光束。
所述的传感器控制板包括单片机芯片、数据传输接口、光电传感器、温湿度传感器，温度控制装置和运算放大器。
所述的不透光绝缘腔体内层顶面及侧面设置有传感器孔位，与传感器控制板上的传感器相配合，通过传感器孔位使得传感器控制板正常安装到腔体。
所述的单片机芯片、数据传输接口、光电传感器、温湿度传感器，温度控制装置和运算放大器集成在传感器控制板上，光电传感器和温湿度传感器通过探头测量产生模拟电信号，运算放大器将两个传感器模拟电信号进行放大，单片机芯片用来控制传感器控制板的运行和读取经过运算放大器放大后的并对数据进行处理以及对温度控制装置下达指令。数据传输接口采用RS485协议，能够实现全双工通信。
进一步的，所述的双波段激光发射器采用DualWavelength-A350型号的激光头，能够发射355nm及532nm波长的聚集激光束。
进一步的，所述的单片机芯片采用STM32F103C8T6芯片，芯片主频最高为 72MHZ，SRAM容量为64KB，由3.3v直流电源进行供电，能够同时进行两路ADC 数据采集。
进一步的，所述的光电传感器采用S1223-01光电传感器，感光面积为 3.6x3.6mm，光谱响应范围为320～1100nm波长的光谱，能够根据感光器件所接收到的光线的强度产生相应的模拟电信号。
进一步的，所述的温湿度传感器采用S1901B型温湿度传感器，采用防水防尘探头，精度0.3摄氏度，3％RH,能够测量-40℃到120℃的温度和0～100RH％的湿度数据。
进一步的，所述的温度控制装置采用加热棒及半导体制冷片组成，通过单片机进行控制。
进一步的，所述的运算放大器采用LMC6482运算放大器，通过软件配置放大倍数。
本发明的技术解决方案：
本发明采用光散射法来进行对油烟气体的油烟浓度数据进行检测。油烟被抽入到所述的不透光双层绝缘腔体内，油烟气体中的颗粒物会导致所述安装在腔体侧面的双波段激光发射器所发射的激光束产生散射现象。散射的激光束会被所述的传感器控制板上的光电传感器接收到而产生相应的模拟电信号，传感器控制板上的温湿度传感器会采集到腔体内部的温湿度数据。这两个传感器数据会进行一定的处理计算后得出实际的油烟气体颗粒物浓度数据，并将数据通过数据传输接口输出。
一种基于光散射法测定油烟颗粒物浓度的检测传感器的使用方法，具体步骤如下：
步骤1、传感器启动，双波段激光发射器发射两道不同波段的激光射入不透光绝缘腔体内壳内，当油烟气体通过进气口经过滤网进入到不透光绝缘腔体内壳内，腔体内油烟气体中的颗粒物会导致射入腔体内的激光产生散射，散射的光线被腔体上方的光电传感器的感光镜面接收，光电传感器和温湿度传感器产生模拟电信号。
步骤2、光电传感器和温湿度传感器产生的模拟电信号输入运算放大器中，通过运算放大器进行放大，放大后的信号再输入单片机芯片中，通过单片机芯片进行数模转换，将模拟信号转换成数字信号。
步骤3、单片机芯片对转换后的数字信号进行均值滤波和卡尔曼滤波，以减少数据的波动，保证数据的准确性。
步骤4、单片机芯片对获取的温湿度数据与用户通过数据传输接口设定的温湿度适宜范围进行对比，根据PID算法利用温度控制装置将腔体温度调整至适宜的范围内，降低油烟气体内水蒸气，气态有机物等等影响。
步骤5、单片机芯片将滤波后的数据输入到预训练好的多维度非线性回归模型进行映射计算，将采集到的光电传感器数据和温湿度传感器数据转化为对应的实际油烟颗粒物浓度数值。
步骤6、单片机芯片将映射计算后得到的油烟颗粒物浓度数值通过传感器控制板上的数据传输接口发出，传输给外部设备。并跳转到步骤2，重复步骤2到步骤6的操作，完成实时的油烟颗粒物浓度检测。
本发明的有益效果：
(1)使用本发明作为油烟颗粒物检测传感器，只有一个与外壳连接的可拆卸收纳盒，避免了传统颗粒物传感器经常拆卸、易于损坏、成本较高等问题。
(2)本发明采用双波段激光进行照射，考虑油烟颗粒物中不同大小颗粒物对不同波段光的散射差别，降低油烟气体中其余杂质的干扰及长期使用后油烟污染对结果的影响，保证了本发明测量精度合灵敏度。同时也能防止单一波段激光头故障照成的错误数据。单片机芯片对两个传感器采集并转换后的数字信号进行了均值滤波合卡尔曼滤波，避免了数据波动，保证了测量数据的准确性。
(3)本发明添加了温度控制装置对腔体内温湿度的范围进行调整，减少油烟气体中水汽对测量结果的影响以及对传感器和激光头长期使用的损耗，提高了装置使用寿命，保证了本发明后期的测量精度合灵敏度。
(4)本发明采用过滤网，双层结构及滤网的设计，减少来自油烟中杂质的干扰，双层结构保护了传感器控制板免受油烟污染导致的线路故障，内层涂层及滤网能将将油烟气体在空腔内凝结的水汽及油渍等排入收纳盒，便于对整个检测系统进行清理。
附图说明：
图1为本发明油烟颗粒物传感器的结构图。
图2为本发明油烟颗粒物传感器控制板的结构图.
图3为本发明油烟颗粒物传感器的工作流程图。
具体实施方式
以下为结合附图和实施例对本发明的进一步说明
结合图1、图2和图3所示，本发明提供一种基于光散射法测定油烟颗粒物浓度的检测传感器，包括双层不透光绝缘腔体1、双波段激光发射器7和传感器控制板11。
所述不透光双层绝缘腔体外层1为长方体空腔，内层2是底面为漏斗状滤网 5的正方形，其中外层长方体底部与内层正方体底部为同一底部，其余面之间形成气室。下端为半圆柱形的可拆卸收纳盒6。外层采用HC-PLA材料进行3D打印而成，由于采用塑料材质使得腔体绝缘从而来避免产生静电屏蔽，内层则添加疏油疏水涂层，减少油烟挂壁。腔体设置有相互对称的圆柱形进气口3，滤网8、出气口4和在其他侧面的激光口7。所述的传感器控制板11设置在所述的不透光绝缘腔体的内外层之间气室之中，包括腔体顶部光电传感器10，侧面温湿度传感器的探头9及侧面气室的主控模板及正面气室的温度控制装置12。
所述的不透光绝缘腔体3上的进气口2和出气口4分别用于进出油烟气体。滤网8用来初步过滤气体中杂质。
所述双波段激光发射器7用于发射出聚焦集中，光束偏离量较小的不同波段的激光束。所述的双波段激光发射器采用DualWavelength-A350型号的激光头，能够发射355nm及532nm波长的聚集激光束。
图1为油烟颗粒物传感器的结构图，序号1为不透光绝缘腔体外壳，序号2 为不透光绝缘腔体内壳，序号3为不透光绝缘腔体的进气口，序号4为不透光绝缘腔体的进气口，序号5为不透光绝缘腔体内壳的滤网，序号6为不透光绝缘腔体外接收纳盒，序号7为双波段激光发射器，序号8为进气口内置滤网，序号9 为温湿度传感器至于内壳的探头，序号10为光电传感器，序列11为传感器控制板，序列12为温度控制装置。
图2为油烟颗粒物传感器控制板的结构图，所述的传感器控制板包括单片机芯片、数据传输接口、光电传感器、温湿度传感器，温度控制装置和运算放大器。
所述的传感器控制板包括单片机芯片、数据传输接口、光电传感器、温湿度传感器，温度控制装置和运算放大器。
所述的不透光绝缘腔体内层顶面及侧面设置有传感器孔位，与传感器控制板上的传感器相配合，通过传感器孔位使得传感器控制板正常安装到腔体。
所述的单片机芯片、数据传输接口、光电传感器、温湿度传感器，温度控制装置和运算放大器集成在传感器控制板上，光电传感器和温湿度传感器通过探头测量产生模拟电信号，运算放大器将两个传感器模拟电信号进行放大，单片机芯片用来控制传感器控制板的运行和读取经过运算放大器放大后的并对数据进行处理以及对温度控制装置下达指令。数据传输接口采用RS485协议，能够实现全双工通信。
所述的双波段激光发射器采用DualWavelength-A350型号的激光头，能够发射355nm及532nm波长的聚集激光束。
所述的单片机芯片采用STM32F103C8T6芯片，芯片主频最高为72MHZ，SRAM 容量为64KB，由3.3v直流电源进行供电，能够同时进行两路ADC数据采集。
所述的光电传感器采用S1223-01光电传感器，感光面积为3.6x3.6mm，光谱响应范围为320～1100nm波长的光谱，能够根据感光器件所接收到的光线的强度产生相应的模拟电信号。
所述的温湿度传感器采用YSAT01B型温湿度传感器，能够测量-40℃到 120℃的温度和0～100RH％的湿度数据。
所述的温度控制装置采用加热棒及半导体制冷片组成，通过单片机进行控制。
所述的运算放大器采用LMC6482运算放大器，通过软件配置放大倍数。
如图1所示，序号7双波段激光发射器安装在序号1不透光绝缘腔体的侧面，并与不透光绝缘腔体保持水平。序号3和序号4分别为不透光绝缘腔体的进气口和出气口，可使用导管接入到油烟管道内部和接入抽气泵。序号11传感器控制板安装在不透光绝缘腔体的顶部，其光电传感器的感光镜面10与激光发射器射入到腔体内的激光保持水平。
如图3所示，一种基于光散射法测定油烟颗粒物浓度的检测传感器的使用方法，具体步骤如下：
步骤1、传感器启动，双波段激光发射器7发射两道不同波段的激光射入不透光绝缘腔体内壳2内，当油烟气体通过进气口3经过滤网8进入到不透光绝缘腔体内壳2内，腔体内油烟气体中的颗粒物会导致射入腔体内的激光产生散射，散射的光线被腔体上方的光电传感器的感光镜面10接收，光电传感器10和温湿度传感器9产生模拟电信号。
步骤2、光电传感器10和温湿度传感器9产生的模拟电信号输入运算放大器中，通过运算放大器进行放大，放大后的信号再输入单片机芯片中，通过单片机芯片进行数模转换，将模拟信号转换成数字信号。
步骤3、单片机芯片对转换后的数字信号进行均值滤波和卡尔曼滤波，以减少数据的波动，保证数据的准确性。
步骤4、单片机芯片对获取的温湿度数据与用户通过数据传输接口设定的温湿度适宜范围进行对比，根据PID算法利用温度控制装置12将腔体温度调整至适宜的范围内，降低油烟气体内水蒸气，气态有机物等等影响。
步骤5、单片机芯片将滤波后的数据输入到预训练好的多维度非线性回归模型进行映射计算，将采集到的光电传感器数据和温湿度传感器数据转化为对应的实际油烟颗粒物浓度数值。
步骤6、单片机芯片将映射计算后得到的油烟颗粒物浓度数值通过传感器控制板11上的数据传输接口发出，传输给外部设备。并跳转到步骤2，重复步骤2 到步骤6的操作，完成实时的油烟颗粒物浓度检测。
Claims (10)
1.一种基于光散射法测定油烟颗粒物浓度的检测传感器，其特征在于，包括不双层不透光绝缘腔体、双波段激光发射器和传感器控制板；
所述不透光双层绝缘腔体外层为长方体空腔，内层为底面为漏斗状滤网的正方形，其中外层长方体底部与内层正方体底部为同一底部，其余面之间形成气室；下端为半圆柱形的可拆卸收纳盒；腔体设置有相互对称的圆柱形进气口、出气口和在其他侧面的激光口；所述的双波段激光发射器垂直于腔体侧面安装在激光口上，保证射入的激光束于腔体顶面保持平行；所述的传感器控制板设置在所述的不透光绝缘腔体的内外层之间气室之中，包括腔体顶部光电传感器，侧面温湿度传感器的探头及侧面气室的主控模板及正面气室的温度控制装置。
2.根据权利要求1所述的一种基于光散射法测定油烟颗粒物浓度的检测传感器，其特征在于外层采用HC-PLA材料进行3D打印而成，由于采用塑料材质使得腔体绝缘从而来避免产生静电屏蔽；内层则添加疏油疏水涂层，减少油烟挂壁。
3.根据权利要求1所述的一种基于光散射法测定油烟颗粒物浓度的检测传感器，其特征在于所述的不透光绝缘腔体上的进气口和出气口分别用于进出油烟气体；且不透光绝缘腔体内层顶面及侧面设置有传感器孔位，与传感器控制板上的传感器相配合，通过传感器孔位使得传感器控制板正常安装到腔体。
4.根据权利要求1所述的一种基于光散射法测定油烟颗粒物浓度的检测传感器，其特征在于所述的传感器控制板包括单片机芯片、数据传输接口、光电传感器、温湿度传感器，温度控制装置和运算放大器；
所述的单片机芯片、数据传输接口、光电传感器、温湿度传感器，温度控制装置和运算放大器集成在传感器控制板上，光电传感器和温湿度传感器通过探头测量产生模拟电信号，运算放大器将两个传感器模拟电信号进行放大，单片机芯片用来控制传感器控制板的运行和读取经过运算放大器放大后的并对数据进行处理以及对温度控制装置下达指令；数据传输接口采用RS485协议，能够实现全双工通信。
5.根据权利要求1或4所述的一种基于光散射法测定油烟颗粒物浓度的检测传感器，其特征在于，所述的双波段激光发射器采用DualWavelength-A350型号的激光头，能够发射355nm及532nm波长的聚集激光束。
6.根据权利要求4所述的一一种基于光散射法测定油烟颗粒物浓度的检测传感器，其特征在于，所述的单片机芯片采用STM32F103C8T6芯片，芯片主频最高为72MHZ，SRAM容量为64KB，由3.3v直流电源进行供电，能够同时进行两路ADC数据采集。
7.根据权利要求4所述的一种基于光线散射的油烟颗粒物检测传感器，其特征在于，所述的光电传感器采用S1223-01光电传感器，感光面积为3.6x3.6mm，光谱响应范围为320～1100nm波长的光谱，能够根据感光器件所接收到的光线的强度产生相应的模拟电信号；温湿度传感器采用S1901B型温湿度传感器，采用防水防尘探头，精度0.3摄氏度，3％RH,能够测量-40℃到120℃的温度和0～100RH％的湿度数据。
8.根据权利要求7所述的一种基于光线散射的油烟颗粒物检测传感器，其特征在于，所述的温度控制装置采用加热棒及半导体制冷片组成，通过单片机进行控制。
9.根据权利要求7所述的一种基于光线散射的油烟颗粒物检测传感器，其特征在于，所述的运算放大器采用LMC6482运算放大器。
10.一种基于光线散射的油烟颗粒物检测传感器的使用方法，具体步骤如下：
步骤1、传感器启动，双波段激光发射器发射两道不同波段的激光射入不透光绝缘腔体内壳内，当油烟气体通过进气口经过滤网进入到不透光绝缘腔体内壳内，腔体内油烟气体中的颗粒物会导致射入腔体内的激光产生散射，散射的光线被腔体上方的光电传感器的感光镜面接收，光电传感器和温湿度传感器产生模拟电信号；
步骤2、光电传感器和温湿度传感器产生的模拟电信号输入运算放大器中，通过运算放大器进行放大，放大后的信号再输入单片机芯片中，通过单片机芯片进行数模转换，将模拟信号转换成数字信号；
步骤3、单片机芯片对转换后的数字信号进行均值滤波和卡尔曼滤波，以减少数据的波动，保证数据的准确性；
步骤4、单片机芯片对获取的温湿度数据与用户通过数据传输接口设定的温湿度适宜范围进行对比，根据PID算法利用温度控制装置将腔体温度调整至适宜的范围内，降低油烟气体内水蒸气，气态有机物的影响；
步骤5、单片机芯片将滤波后的数据输入到预训练好的多维度非线性回归模型进行映射计算，将采集到的光电传感器数据和温湿度传感器数据转化为对应的实际油烟颗粒物浓度数值；
步骤6、单片机芯片将映射计算后得到的油烟颗粒物浓度数值通过传感器控制板上的数据传输接口发出，传输给外部设备；并跳转到步骤2，重复步骤2到步骤6的操作，完成实时的油烟颗粒物浓度检测。
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2022
- 2022-09-23 CN CN202211179540.1A patent/CN115561134A/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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