CN116678799B - 一种颗粒物探测器及颗粒物探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种颗粒物探测器及颗粒物探测方法，涉及测量领域，当颗粒物探测器所处环境中的颗粒物浓度不同时颗粒物散射到SPAD器件上的光子数量也不同，因此直方图处理电路基于SPAD器件在预设时间段内被光子触发后生成的雪崩电流生成的直方图也不同，因此处理器可根据直方图的信息确定颗粒物探测器所处环境中的颗粒物浓度。激光发光器件自身的发光效率较高，因此利用激光发光器件作为激光光源不需要提高其发射光束的强度和时间；SPAD器件的光电转换效率较高，因此利用SPAD器件作为接收端不需要使用后级放大电路，成本相对降低，精度和灵敏度都有所提高，且体积小。

Description

一种颗粒物探测器及颗粒物探测方法

技术领域

本发明涉及测量领域，特别是涉及一种颗粒物探测器及颗粒物探测方法。

背景技术

目前对烟雾和粉尘等颗粒物进行探测的颗粒物探测器常使用LED（LightEmitting Diode，发光二极管）作为发射端，将PD（Photo-Diode，光电二极管）作为接收端。当空气中有烟雾或粉尘等颗粒物时，颗粒物会散射LED发射的光束，使得PD接收到的散射光信号增强，处理器基于PD接收到的散射光信号的强弱来判断空气中颗粒物的浓度。

但是光电二极管PD的灵敏度和增益都比较低，一方面需要提高LED发射的光束的强度和时间，导致功耗和成本随之增大；另一方面，需要使用后级放大电路对PD的输出信号进行放大，以便处理器判断空气中颗粒物的浓度，但是这无疑引入了新的噪声，同时还增加了成本。此外，由于LED与PD自身尺寸较大，因此颗粒物探测器的整体体积也受到限制，不利用产品小型化。

发明内容

本发明的目的是提供一种颗粒物探测器及颗粒物探测方法，能够降低功耗和成本，提高颗粒物探测精度和灵敏度，且保证颗粒物探测器的小型化。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种颗粒物探测器，包括激光发光器件、SPAD器件、激光驱动电路、直方图处理电路、淬灭电路、处理器以及反射板；

所述反射板位于所述激光发光器件和所述SPAD器件的测距范围内；

所述激光发光器件用于根据所述激光驱动电路的驱动向所述反射板发射激光；

所述SPAD器件用于接收所述反射板反射回的光子从而生成雪崩电流；

所述淬灭电路用于将所述SPAD器件光子触发后生成的雪崩电流淬灭；

所述直方图处理电路用于基于所述SPAD器件在预设时间段内被光子触发后的输出，生成直方图；

所述处理器用于控制所述激光驱动电路工作，并根据所述直方图的特征信息计算所述反射板回波信号的信噪比，并根据所述信噪比确定所述颗粒物探测器所处环境中的颗粒物的浓度，且所述信噪比与所述颗粒物的浓度成反比关系。

优选的，还包括：

报警模块，用于在接收到所述处理器发送的报警信号时进行报警；

所述处理器还用于在所述信噪比小于第一预设阈值生成所述报警信号。

优选的，所述处理器具体用于：

控制所述激光驱动电路停止工作，所述SPAD器件接收到环境光，根据所述直方图处理电路生成的第一直方图的特征信息确定环境噪声；

控制所述激光驱动电路开始工作，所述SPAD器件接收到所述颗粒物散射回的激光和所述反射板反射回的激光，根据所述直方图处理电路生成的第二直方图的波峰峰值、噪声值以及所述环境噪声确定所述信噪比，根据所述信噪比确定所述颗粒物探测器所处环境中的颗粒物的浓度。

优选的，所述处理器还用于获取所述直方图处理电路在所述激光驱动电路工作后生成的直方图，并确定所述直方图的半高宽和波峰峰值，将所述波峰峰值除以所述半高宽之商作为颗粒物区分值，根据所述颗粒物区分值是否位于预设待检测颗粒物区分区间内确定已确定所述浓度的颗粒物是否为待检测颗粒物。

优选的，所述直方图处理电路包括信号整形电路、时间数字转换器和统计直方图生成电路；

所述信号整形电路用于将所述SPAD器件被光子触发后生成的雪崩电流转化为电压脉冲信号；

所述时间数字转换器用于将所述电压脉冲信号转换为时间数字信号，所述时间数字信号表征所述光子飞行时间；

所述统计直方图生成电路用于根据所述光子飞行时间和所述SPAD器件在预设时间段内被光子触发的次数生成所述直方图。

优选的，所述激光驱动电路还用于调节所述激光发光器件发射的光束的发光功率、在单个预设周期内相邻两个所述光束间的发光时间间隔、所述光束的发光脉冲宽度中的任意一个或多个的组合。

优选的，所述激光发光器件为垂直腔面发射激光器或边发射激光器。

优选的，所述反射板的材质为高反射率的材质。

优选的，还包括遮光罩，所述激光发光器件、所述SPAD器件以及所述反射板均位于所述遮光罩内；

所述处理器具体用于控制所述激光驱动电路开始工作，确定所述直方图处理电路在所述激光驱动电路驱动所述激光发光器件发射光束后生成的直方图的信噪比，并根据所述信噪比确定所述颗粒物探测器所处环境中的颗粒物的浓度。

优选的，所述激光发光器件、所述SPAD器件、所述激光驱动电路、所述直方图处理电路、所述淬灭电路以及所述处理器封装于一个模组内。

优选的，在所述激光发光器件和所述SPAD器件均设置于所述遮光罩的后壁，且所述激光发光器件的光束发射端的延长线和所述SPAD器件的光子接收端的延长线之间的夹角呈锐角时，所述反射板具体位于所述遮光罩的前壁上；

在所述激光发光器件和所述SPAD器件均设置于所述遮光罩的底部，且所述激光发光器件的光束发射端的延长线和所述SPAD器件的光子接收端的延长线之间的夹角呈钝角时，所述反射板具体位于所述遮光罩的顶壁上。

为解决上述技术问题本申请还提供了一种颗粒物探测方法，应用于上述任一颗粒物探测器中的处理器上，所述颗粒物探测方法包括：

控制所述颗粒物探测器中的激光驱动电路驱动所述颗粒物探测器中的激光发光器件向所述颗粒物探测器中的反射板发射激光，所述颗粒物探测器中的SPAD器件开始曝光；

控制所述激光驱动电路停止驱动所述激光发光器件向所述反射板发射激光，所述SPAD器件停止曝光；

获取所述颗粒物探测器中的直方图处理电路基于所述SPAD器件在开始曝光后的预设时间段内被光子触发后的输出生成的直方图；

确定所述直方图的反射板回波信号的的信噪比，根据所述信噪比确定所述颗粒物探测器所处环境中的颗粒物的浓度，且所述信噪比与颗粒物的浓度成反比例关系。

优选的，在根据所述信噪比确定所述颗粒物探测器所处环境中的颗粒物的浓度之后，还包括：

在所述信噪比小于第一预设阈值时控制生成报警信号，以便所述颗粒物探测器中的报警模块报警。

为解决上述技术问题本申请还提供了一种颗粒物探测方法，应用于上述任一颗粒物探测器中的处理器上，所述颗粒物探测方法包括：

控制所述颗粒物探测器中的激光驱动电路停止驱动所述颗粒物探测器中的激光发光器件向所述颗粒物探测器中的反射板发射激光，所述颗粒物探测器中的SPAD器件开始曝光；

获取所述颗粒物探测器中的直方图处理电路基于所述SPAD器件在开始曝光后的预设时间段内被光子触发后的输出生成的第一直方图；

基于所述第一直方图的特征信息确定环境噪声；

控制所述激光驱动电路驱动所述激光发光器件向所述反射板发射激光，所述SPAD器件再次开始曝光；

控制所述激光驱动电路停止驱动所述激光发光器件向所述反射板发射激光，所述SPAD器件停止曝光；

获取所述直方图处理电路基于所述SPAD器件在再次开始曝光后的预设时间段内被光子触发后的输出生成的第二直方图；

根据所述第二直方图的波峰峰值、噪声值以及所述环境噪声确定所述所述反射板回波信号的信噪比，根据所述信噪比确定所述颗粒物探测器所处环境中的颗粒物的浓度，且所述信噪比与颗粒物的浓度成反比例关系。

优选的，在根据所述信噪比确定所述颗粒物探测器所处环境中的颗粒物的浓度之后，还包括：

在所述信噪比小于第一预设阈值时控制生成报警信号，以便所述颗粒物探测器中的报警模块报警。

本发明的有益效果在于提供了一种颗粒物探测器及颗粒物探测方法，颗粒物探测器包括激光发光器件、SPAD器件、激光驱动电路、直方图处理电路、淬灭电路、处理器和反射板。当颗粒物探测器所处环境中的颗粒物浓度不同时颗粒物散射到SPAD器件上的光子数量也不同，因此直方图处理电路基于SPAD器件在预设时间段内被光子触发后生成的雪崩电流生成的直方图也不同，因此处理器可根据直方图的信息确定颗粒物探测器所处环境中的颗粒物浓度。激光发光器件自身的发光效率较高，因此利用激光发光器件作为激光光源不需要提高其发射光束的强度和时间；SPAD器件的光电转换效率较高，因此利用SPAD器件作为接收端不需要使用后级放大电路，成本相对降低，精度和灵敏度都有所提高，且体积小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和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为本发明提供的一种颗粒物探测器的第一结构示意图；

图2为本发明提供的一种颗粒物探测器的第二结构示意图；

图3为本发明提供的一种颗粒物探测器的第三结构示意图；

图4为本发明提供的一种颗粒物探测器的第一直方图；

图5为本发明提供的一种颗粒物探测器的第二直方图；

图6为本发明提供的一种颗粒物探测器的第三直方图；

图7为本发明提供的颗粒物探测方法的第一流程图；

图8为本发明提供的颗粒物探测方法的第二流程图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种颗粒物探测器及颗粒物探测方法，能够降低功耗和成本，提高颗粒物探测精度和灵敏度，且保证颗粒物探测器的小型化。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

请参照图1，图1为本发明提供的一种颗粒物探测器的第一结构示意图，该颗粒物探测器包括激光发光器件1、SPAD器件2、激光驱动电路3、直方图处理电路5、淬灭电路4、处理器6以及反射板7；

反射板7位于激光发光器件1和SPAD器件2的测距范围内；

激光发光器件1用于根据激光驱动电路3的驱动向反射板7发射激光；

SPAD器件2用于接收反射板7反射回的光子从而生成雪崩电流；

淬灭电路4用于将SPAD器件2光子触发后生成的雪崩电流淬灭；

直方图处理电路5用于基于SPAD器件2在预设时间段内被光子触发后的输出，生成直方图；

处理器6用于控制激光驱动电路3工作，并根据直方图的特征信息计算反射板回波信号的信噪比，并根据信噪比确定颗粒物探测器所处环境中的颗粒物的浓度，且信噪比与颗粒物的浓度成反比关系。

为解决相关技术中颗粒物探测器使用LED和PD进行颗粒物探测带来的成本高、体积大以及引入噪声导致颗粒物探测灵敏度和精度不高的问题，本申请提供了一种将激光发光器件1作为颗粒物探测器的发射端，将SPAD器件2作为颗粒物探测器的接收端的颗粒物探测器。并且相关技术中直接根据PD输出的电流的大小对颗粒物浓度进行简单判断，只能提供一个维度的信息，必须设置能够屏蔽外界光的屏蔽罩，否则会受到外界环境光的干扰。而在本申请中利用直方图处理电路5基于SPAD器件2被光子触发后的输出生成直方图，直方图能够体现时间和强度两个维度的信息，时间对应反射物距离，强度对应颗粒物浓度。因此利用直方图信息确定颗粒物浓度能够更加精准，并且利用直方图的信噪比确定颗粒物浓度能够消除环境光带来的影响。

并且，本申请在颗粒物探测器中设置反射板7，以便通过在激光发光器件1向反射板7发射激光之后，由于反射板7提供高强度的反射信号，直方图处理电路5生成的直方图中会形成明显的反射峰，对应回波信号。此外，反射板7可以选用高反射率的材质，使直方图中的反射峰更加明显。在颗粒物探测器中设置反射板7能够为实际生产和使用带来很大的便利性，生产时可以将激光发光器件1、SPAD器件2、激光驱动电路3、直方图处理电路5、淬灭电路4以及处理器6封装在一个模组10内，用户购买及使用时可以单独购买模组10，并自行配置反射板7。

具体的，由于激光发光器件1自身的发光效率比较高，因此使用激光发光器件1作为激光光源时不需要提高发射光束的强度和时间。激光发光器件1可以为垂直腔面发射激光器或边发射激光器，本申请对此不作特别限定。由于SPAD器件2的光电转换效率较高，因此利用SPAD器件2作为接收端不需要使用后级放大电路，不会引入新的噪声，能够降低成本，提高精度和灵敏度。另外，由于激光发光器件1和SPAD器件2自身的尺寸相对于相关技术中的LED和PD的尺寸而言相对较小，因此可以减小颗粒物探测器的整体体积，更容易实现颗粒物探测器的小型化。

为了使激光发光器件1和SPAD器件2能够正常工作，在颗粒物探测器中还设置有激光驱动电路3和淬灭电路4。处理器6能够控制激光驱动电路3是否工作，当处理器6控制激光驱动电路3开始工作后激光发光器件1会被激光驱动电路3驱动从而向反射板7发射激光。并且激光驱动电路3可以调节激光发光器件1发射的光束的发光功率、在单个预设周期内相邻两个光束间的发光时间间隔、光束的发光脉冲宽度中的任意一个或多个的参数。SPAD器件2被光子触发后会生成雪崩电流，为了保证SPAD器件2下一次仍能够被光子触发，需要淬灭电路4将雪崩电流淬灭。

直方图处理电路5基于SPAD器件2在预设时间段内被光子触发后的输出生成直方图，直方图通常用来测距，在本申请利用直方图能够体现时间和强度两个维度的信息的特点，也即直方图的时间可以对应反射物距离，直方图的强度可以对应颗粒物浓度的特点，利用直方图进行颗粒物浓度探测。处理器6获取直方图处理电路5生成的直方图，并根据直方图的特征信息确定直方图的信噪比（例如通过直方图的波峰峰值和底噪确定直方图的信噪比）。

由于颗粒物探测器设置有反射板7，当颗粒物探测器所处环境中没有颗粒物时，激光发光器件1发射的激光直接被反射板7反射至SPAD器件2，直方图的波峰峰值比较高，底噪也比较小；当颗粒物探测器所处环境中存在颗粒物时，激光发光器件1发射的激光主要被颗粒物反射至SPAD器件2，直方图的波峰峰值减小，且底噪增大，也即此时直方图的信噪比相对于颗粒物探测器所处环境中没有颗粒物时对应的直方图的信噪比而言是减小的。因此，在本申请中处理器6根据直方图的信噪比确定颗粒物探测器所处的环境中的颗粒物浓度时，信噪比与颗粒物的浓度呈反比关系。

请参照图2，图2为本发明提供的一种颗粒物探测器的第二结构示意图，图2中颗粒物探测器中设置有反射板7。当颗粒物探测器中只设置有反射板7时，若颗粒物探测器所处环境中没有颗粒物时，直方图生成电路生成的直方图波峰峰值很高，底噪接近于环境光带来的噪声；若颗粒物探测器所处环境中存在颗粒物，则直方图的波峰峰值降低，且底噪为环境光带来的噪声与颗粒物反射带来的噪声的叠加。请参照图4，图4为本发明提供的一种颗粒物探测器的第一直方图，图4中第二噪声为环境光带来的噪声与颗粒物反射带来的噪声的叠加，第一噪声为环境光带来的噪声，第一直方图为图2所示的颗粒物探测器在有颗粒物时生成的直方图。

请参照图3，图3为本发明提供的一种颗粒物探测器的第三结构示意图，图3中颗粒物探测器中设置有反射板7和遮光罩8。当颗粒物探测器中设置有反射板7和遮光罩8时，若颗粒物探测器所处环境中没有颗粒物时，直方图生成电路生成的直方图波峰峰值很高，底噪接近于0；若颗粒物探测器所处环境中存在颗粒物，则直方图的波峰峰值降低，且底噪明显抬升。请参照图5和图6，图5为本发明提供的一种颗粒物探测器的第二直方图，图6为本发明提供的一种颗粒物探测器的第三直方图。图5为图3所示的颗粒物探测器在无颗粒物时生成的直方图，图6为图3所示的颗粒物探测器在有颗粒物时生成的直方图。

综上，无论颗粒物探测器中是否包括遮光罩8，直方图生成电路生成的直方图的信噪比与颗粒物浓度均呈反比。

还需要说明的是，外界环境光的干扰以及部分非欲探测的颗粒物的干扰带来的反射光，能够体现在直方图的底噪上，因此通过计算直方图的信噪比并基于信噪比确定颗粒物探测器所处环境中的颗粒物的浓度能够消除这些干扰对颗粒物浓度探测带来的干扰。

综上，本发明提供了一种颗粒物探测器，当颗粒物探测器所处环境中的颗粒物浓度不同时颗粒物散射到SPAD器件2上的光子数量也不同，因此直方图处理电路5基于SPAD器件2在预设时间段内被光子触发后生成的雪崩电流生成的直方图也不同，因此处理器6可根据直方图的信息确定颗粒物探测器所处环境中的颗粒物浓度。激光发光器件1自身的发光效率较高，因此利用激光发光器件1作为激光光源不需要提高其发射光束的强度和时间；SPAD器件2的光电转换效率较高，因此利用SPAD器件2作为接收端不需要使用后级放大电路，成本相对降低，精度和灵敏度都有所提高，且体积小。

在上述实施例的基础上：

作为一种优选的实施例，还包括：

报警模块9，用于在接收到处理器6发送的报警信号时进行报警；

处理器6还用于在信噪比小于第一预设阈值生成报警信号。

考虑到在实际应用中颗粒物浓度过高时会带来一定的安全隐患，为了提醒使用者及时发现及时处理，在本实施例中还设置有报警模块9。处理器6确定直方图处理电路5生成的直方图的信噪比大于预设阈值时，表示颗粒物探测器所处环境中的颗粒物的浓度已经偏高，因此处理器6向报警模块9发送报警信号。当报警模块9接收到报警信号之后便立刻进行报警，以及时提醒使用者。报警模块9可以为蜂鸣器等，预设阈值可根据实际需求进行调整，本申请对此不作特别限定。

作为一种优选的实施例，处理器6具体用于：

控制激光驱动电路3停止工作，SPAD器件2接收到环境光，根据直方图处理电路5生成的第一直方图的特征信息确定环境噪声；

控制激光驱动电路3开始工作，SPAD器件2接收到颗粒物散射回的激光和反射板7反射回的激光，根据直方图处理电路5生成的第二直方图的波峰峰值、噪声值以及环境噪声确定信噪比，根据信噪比确定颗粒物探测器所处环境中的颗粒物的浓度。

请参照图2和图4，图2为本发明提供的一种颗粒物探测器的第二结构示意图，图4为本发明提供的一种颗粒物探测器的第一直方图。

在本实施例中颗粒物探测器不包括遮光罩8，因此需要先确定环境光带来的噪声，以再后续根据直方图的信噪比确定颗粒物浓度时消除环境光带来的干扰。具体的，处理器6确定颗粒物的浓度的过程为：

处理器6首先控制激光驱动电路3停止工作，此时激光发光器件1不发射激光，SPAD器件2只会被反射板7反射的环境光所触发，因此处理器6此时获取到的直方图处理电路5生成的第一直方图的底噪可以表征环境噪声。在确定环境噪声之后，处理器6开始控制激光驱动电路3工作，此时激光发光器件1开始发射激光，SPAD器件2同时被发射板反射的环境光以及颗粒物反射的激光触发，因此处理器6此时获取到的直方图处理电路5生成的第二直方图的底噪中为环境噪声与颗粒物底噪的叠加。处理器6在获取到第二直方图之后，基于第二直方图的底噪、根据第一直方图确定的环境噪声以及第二直方图的波峰峰值便可得到不受环境光干扰时的信噪比，最终再根据信噪比确定颗粒物浓度。例如，将第二直方图的底噪减去第一直方图的底噪得到的底噪差值作为计算信噪比时所需的底噪。

综上，在本实施例中颗粒物探测器仅适用反射板7，不使用遮光罩8的设置方式能够进一步缩减颗粒物探测器的体积和成本，通过第一直方图和第二直方图的特征信息去除环境光带来的噪声，保证颗粒物浓度探测的准确性。

作为一种优选的实施例，处理器6还用于获取直方图处理电路5在激光驱动电路3工作后生成的直方图，并确定直方图的半高宽和波峰峰值，将波峰峰值除以半高宽之商作为颗粒物区分值，根据颗粒物区分值是否位于预设待检测颗粒物区分区间内确定已确定浓度的颗粒物是否为待检测颗粒物。

考虑到实际应用中，颗粒物探测器所在的环境中存在的颗粒物的种类繁多，其中包含欲探测浓度的颗粒物，还包含干扰的颗粒物。本申请考虑到不同种类的颗粒物存在不同的反射特征，并且其反射特征能够体现在直方图的波峰峰值和半高宽上，因此处理器6在获取到直方图之后还确定了直方图的半高宽和波峰峰值。处理器6将直方图的波峰峰值除以半高宽之商作为颗粒物区分值，预先在处理器6中存储有待检测颗粒物对应的预设待检测颗粒物区分区间，当颗粒物区分值位于该区分区间内时则确定目前确定浓度的颗粒物是待检测颗粒物。预设待检测颗粒物区分区间可以根据实际实验进行设置和修正，通过改变预设待检测颗粒物区分区间的边界值和区间长度能够实现对更多种颗粒物的区分。

作为一种优选的实施例，直方图处理电路5包括时间数字转换器和统计直方图生成电路；

时间数字转换器用于将电压脉冲信号转换为时间数字信号，时间数字信号表征光子飞行时间；

统计直方图生成电路用于根据光子飞行时间和SPAD器件2在预设时间段内被光子触发的次数生成直方图。

在本实施例中直方图处理电路5包括TDC（Time-Digital Converter，时间数字数字转换器）以及统计直方图生成电路。时间数字转换器所需的电压脉冲信号可通过信号整形电路获取，信号整形电路将SPAD器件2被光子触发后生成的雪崩电流转化为电压脉冲信号；然后由时间数字转换器将电压脉冲信号转换为时间信号，并且该时间信号能够表征光子的飞行时间；最终由统计直方图电路根据光子飞行时间以及SPAD器件2在预设时间段内被光子触发的次数生成直方图。直方图能够体现时间和强度两个维度的信息，时间可以对应反射物距离，直方图的强度可以对应颗粒物浓度。

作为一种优选的实施例，还包括遮光罩8，激光发光器件1、SPAD器件2以及反射板7均位于遮光罩8内；

处理器6具体用于控制激光驱动电路3开始工作，确定直方图处理电路5在激光驱动电路3驱动激光发光器件1发射光束后生成的直方图的信噪比，并根据信噪比确定颗粒物探测器所处环境中的颗粒物的浓度。

请参照图3、图5和图6，图3为本发明提供的一种颗粒物探测器的第三结构示意图，图5为本发明提供的一种颗粒物探测器的第二直方图，图6为本发明提供的一种颗粒物探测器的第三直方图。

在本实施例中颗粒物探测器中同时包括反射板7和遮光罩8，遮光罩8的作用是屏蔽外界的环境光，颗粒物依然能够正常进入颗粒物探测器中，反射板7的作用是提供高强度的反射信号，从而可以在直方图上形成一个明显的反射峰。因此直方图的信噪比不会受到环境光带来的噪声的影响。处理器6确定颗粒物浓度时直接驱动激光驱动电路3工作，SPAD器件2被颗粒物反射的激光触发。处理器6获取直方图处理电路5在激光驱动电路3驱动激光发光器件1发射光束后生成的直方图的信噪比，并直接根据信噪比确定颗粒物探测器所处环境中的颗粒物的浓度。在颗粒物探测器设置有遮光罩8的情况下，进行颗粒物浓度探测的步骤相对简单。

作为一种优选的实施例，在激光发光器件1和SPAD器件2均设置于遮光罩8的后壁，且激光发光器件1的光束发射端的延长线和SPAD器件2的光子接收端的延长线之间的夹角呈锐角时，反射板7具体位于遮光罩8的前壁上；

在激光发光器件1和SPAD器件2均设置于遮光罩8的底部，且激光发光器件1的光束发射端的延长线和SPAD器件2的光子接收端的延长线之间的夹角呈钝角时，反射板7具体位于遮光罩8的顶壁上。

考虑到当颗粒物的种类不同时，颗粒物的直径也存在差别。根据颗粒物直径与入射光波长比值的不同，光散射的角度和强弱也存在差别。也即，不同的颗粒物在不同的方向有不同的反射强度，为此，在本实施例中提供了两种激光发光器件1、SPAD器件2以及反射板7的设置方式。

具体的，在激光发光器件1和SPAD器件2均设置于遮光罩8的后壁，且激光发光器件1的光束发射端的延长线和SPAD器件2的光子接收端的延长线之间的夹角呈锐角时，反射板7具体位于遮光罩8的前壁上；在激光发光器件1和SPAD器件2均设置于遮光罩8的底部，且激光发光器件1的光束发射端的延长线和SPAD器件2的光子接收端的延长线之间的夹角呈钝角时，反射板7具体位于遮光罩8的顶壁上。针对不同种类的颗粒物为激光发光器件1和SPAD器件2选择不同的设置方式，进一步提高颗粒物探测器的探测性能。

请参照图7，图7为本发明提供的颗粒物探测方法的第一流程图，该颗粒物探测方法应用于有遮光罩的上述任一颗粒物探测器中的处理器上，颗粒物探测方法包括：

S11：控制颗粒物探测器中的激光驱动电路驱动颗粒物探测器中的激光发光器件向颗粒物探测器中的反射板发射激光，颗粒物探测器中的SPAD器件开始曝光；

S12：控制激光驱动电路停止驱动激光发光器件向反射板发射激光，SPAD器件停止曝光；

S13：获取颗粒物探测器中的直方图处理电路基于SPAD器件在开始曝光后的预设时间段内被光子触发后的输出生成的直方图；

S14：确定直方图反射板回波信号的信噪比，根据信噪比确定颗粒物探测器所处环境中的颗粒物的浓度，且信噪比与颗粒物的浓度成反比例关系。

本申请提供的颗粒物探测方法应用于设置有遮光罩的颗粒物探测器中的处理器上，下面结合颗粒物探测器的各个部件对本申请利用直方图确定颗粒物探测器所处环境的颗粒物浓度的具体过程进行介绍：

由于在颗粒物探测器中设置有遮光罩，因此直方图中的特征信息不会受到环境光带来的干扰。处理器先控制激光驱动电路驱动激光发光器件向反射板发射激光，SPAD器件开始曝光；然后处理器获取直方图处理电路基于SPAD器件在开始曝光后的预设时间段内被光子触发后的输出生成的直方图，同时控制激光驱动电路停止工作，SPAD器件停止曝光；处理器确定直方图的信噪比，根据信噪比确定颗粒物探测器所处环境中的颗粒物的浓度，并且且信噪比与颗粒物的浓度成反比例关系。

同时，处理器还可以在检测到直方图的信噪比小于第一预设阈值时生成报警信号，以便颗粒物探测器中的报警模块在接收到报警信号之后及时进行提醒，保证安全。

综上，在本申请中颗粒物探测器不仅具有低功耗、低成本、高精度和高灵敏度的优点，还由于处理器根据直方图的信噪比确定颗粒物浓度使得颗粒物探测器确定的颗粒物浓度不受外界环境光等干扰，进一步提高探测精度。并且结构简单，进一步降低了颗粒物探测器的成本。

请参照图8，图8为本发明提供的颗粒物探测方法的第二流程图，该颗粒物探测方法应用于没有遮光罩的上述任一颗粒物探测器中的处理器上，颗粒物探测方法包括：

S21：控制颗粒物探测器中的激光驱动电路停止驱动颗粒物探测器中的激光发光器件向颗粒物探测器中的反射板发射激光，颗粒物探测器中的SPAD器件开始曝光；

S22：获取颗粒物探测器中的直方图处理电路基于SPAD器件在开始曝光后的预设时间段内被光子触发后的输出生成的第一直方图；

S23：基于第一直方图的特征信息确定环境噪声；

S24：控制激光驱动电路驱动激光发光器件向反射板发射激光，SPAD器件再次开始曝光；

S25：控制激光驱动电路停止驱动激光发光器件向反射板发射激光，SPAD器件停止曝光；

S26：获取直方图处理电路基于SPAD器件在再次开始曝光后的预设时间段内被光子触发后的输出生成的第二直方图；

S27：根据第二直方图的波峰峰值、噪声值以及环境噪声确定反射板回波信号的信噪比，根据信噪比确定颗粒物探测器所处环境中的颗粒物的浓度，且信噪比与颗粒物的浓度成反比例关系。

本申请提供的颗粒物探测方法应用于未设置有遮光罩的颗粒物探测器中的处理器上，下面结合颗粒物探测器的各个部件对本申请利用直方图确定颗粒物探测器所处环境的颗粒物浓度的具体过程进行介绍：

由于颗粒物探测器中没有设置遮光罩，因此处理器需要控制激光驱动电路线停止工作，此时激光发光器件不发射激光，SPAD器件只会被反射板反射的环境光所触发，因此处理器此时获取到的直方图处理电路生成的第一直方图的底噪可以表征环境噪声。在确定环境噪声之后，处理器开始控制激光驱动电路工作，此时激光发光器件开始发射激光，SPAD器件同时被发射板反射的环境光以及颗粒物反射的激光触发，因此处理器此时获取到的直方图处理电路生成的第二直方图的底噪中为环境噪声与颗粒物底噪的叠加。处理器在获取到第二直方图之后，基于第二直方图的底噪、根据第一直方图确定的环境噪声以及第二直方图的波峰峰值便可得到不受环境光干扰时的信噪比，最终再根据信噪比确定颗粒物浓度。例如，将第二直方图的底噪减去第一直方图的底噪得到的底噪差值作为计算信噪比时所需的底噪。

同时，处理器还可以在检测到直方图的信噪比小于第一预设阈值时生成报警信号，以便颗粒物探测器中的报警模块在接收到报警信号之后及时进行提醒，保证安全。

综上，在本申请中颗粒物探测器不仅具有低功耗、低成本、高精度和高灵敏度的优点，还由于处理器根据直方图的信噪比确定颗粒物浓度使得颗粒物探测器确定的颗粒物浓度不受外界环境光等干扰，进一步提高探测精度。并且结构简单，进一步降低了颗粒物探测器的成本。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (14)

1.一种颗粒物探测器，其特征在于，包括激光发光器件、SPAD器件、激光驱动电路、直方图处理电路、淬灭电路、处理器以及反射板；

所述反射板位于所述激光发光器件和所述SPAD器件的测距范围内；

所述激光发光器件用于根据所述激光驱动电路的驱动向所述反射板发射激光；

所述SPAD器件用于接收所述反射板反射回的光子从而生成雪崩电流；

所述淬灭电路用于将所述SPAD器件光子触发后生成的雪崩电流淬灭；

所述直方图处理电路用于基于所述SPAD器件在预设时间段内被光子触发后的输出，生成直方图；

所述处理器用于控制所述激光驱动电路工作，并根据所述直方图的特征信息计算所述反射板回波信号的信噪比，并根据所述信噪比确定所述颗粒物探测器所处环境中的颗粒物的浓度，且所述信噪比与所述颗粒物的浓度成反比关系；

所述处理器具体用于：

控制所述激光驱动电路停止工作，所述SPAD器件接收到环境光，根据所述直方图处理电路生成的第一直方图的特征信息确定环境噪声；

控制所述激光驱动电路开始工作，所述SPAD器件接收到所述颗粒物散射回的激光和所述反射板反射回的激光，根据所述直方图处理电路生成的第二直方图的波峰峰值、噪声值以及所述环境噪声确定所述信噪比，根据所述信噪比确定所述颗粒物探测器所处环境中的颗粒物的浓度。

2.如权利要求1所述的颗粒物探测器，其特征在于，还包括：

报警模块，用于在接收到所述处理器发送的报警信号时进行报警；

所述处理器还用于在所述信噪比小于第一预设阈值生成所述报警信号。

3.如权利要求1所述的颗粒物探测器，其特征在于，所述处理器还用于获取所述直方图处理电路在所述激光驱动电路工作后生成的直方图，并确定所述直方图的半高宽和波峰峰值，将所述波峰峰值除以所述半高宽之商作为颗粒物区分值，根据所述颗粒物区分值是否位于预设待检测颗粒物区分区间内确定已确定所述浓度的颗粒物是否为待检测颗粒物。

4.如权利要求1所述的颗粒物探测器，其特征在于，所述直方图处理电路包括信号整形电路、时间数字转换器和统计直方图生成电路；

所述信号整形电路用于将所述SPAD器件被光子触发后生成的雪崩电流转化为电压脉冲信号；

所述时间数字转换器用于将所述电压脉冲信号转换为时间数字信号，所述时间数字信号表征光子飞行时间；

所述统计直方图生成电路用于根据所述光子飞行时间和所述SPAD器件在预设时间段内被光子触发的次数生成所述直方图。

5.如权利要求1所述的颗粒物探测器，其特征在于，所述激光驱动电路还用于调节所述激光发光器件发射的光束的发光功率、在单个预设周期内相邻两个所述光束间的发光时间间隔、所述光束的发光脉冲宽度中的任意一个或多个的组合。

6.如权利要求1所述的颗粒物探测器，其特征在于，所述激光发光器件为垂直腔面发射激光器或边发射激光器。

7.如权利要求1所述的颗粒物探测器，其特征在于，所述反射板的材质为高反射率的材质。

8.如权利要求1所述的颗粒物探测器，其特征在于，还包括遮光罩，所述激光发光器件、所述SPAD器件以及所述反射板均位于所述遮光罩内；

所述处理器具体用于控制所述激光驱动电路开始工作，确定所述直方图处理电路在所述激光驱动电路驱动所述激光发光器件发射光束后生成的直方图的信噪比，并根据所述信噪比确定所述颗粒物探测器所处环境中的颗粒物的浓度。

9.如权利要求8所述的颗粒物探测器，其特征在于，在所述激光发光器件和所述SPAD器件均设置于所述遮光罩的后壁，且所述激光发光器件的光束发射端的延长线和所述SPAD器件的光子接收端的延长线之间的夹角呈锐角时，所述反射板具体位于所述遮光罩的前壁上；

在所述激光发光器件和所述SPAD器件均设置于所述遮光罩的底部，且所述激光发光器件的光束发射端的延长线和所述SPAD器件的光子接收端的延长线之间的夹角呈钝角时，所述反射板具体位于所述遮光罩的顶壁上。

10.如权利要求1至9任一项所述的颗粒物探测器，其特征在于，所述激光发光器件、所述SPAD器件、所述激光驱动电路、所述直方图处理电路、所述淬灭电路以及所述处理器封装于一个模组内。

11.一种颗粒物探测方法，其特征在于，应用于如权利要求8或9所述的颗粒物探测器中的处理器上，所述颗粒物探测方法包括：

控制所述颗粒物探测器中的激光驱动电路驱动所述颗粒物探测器中的激光发光器件向所述颗粒物探测器中的反射板发射激光，所述颗粒物探测器中的SPAD器件开始曝光；

控制所述激光驱动电路停止驱动所述激光发光器件向所述反射板发射激光，所述SPAD器件停止曝光；

获取所述颗粒物探测器中的直方图处理电路基于所述SPAD器件在开始曝光后的预设时间段内被光子触发后的输出生成的直方图；

确定所述直方图的反射板回波信号的信噪比，根据所述信噪比确定所述颗粒物探测器所处环境中的颗粒物的浓度，且所述信噪比与颗粒物的浓度成反比例关系。

12.如权利要求11所述的颗粒物探测方法，其特征在于，在根据所述信噪比确定所述颗粒物探测器所处环境中的颗粒物的浓度之后，还包括：

在所述信噪比小于第一预设阈值时控制生成报警信号，以便所述颗粒物探测器中的报警模块报警。

13.一种颗粒物探测方法，其特征在于，应用于如权利要求1至7任一项所述的颗粒物探测器中的处理器上，所述颗粒物探测方法包括：

控制所述颗粒物探测器中的激光驱动电路停止驱动所述颗粒物探测器中的激光发光器件向所述颗粒物探测器中的反射板发射激光，所述颗粒物探测器中的SPAD器件开始曝光；

获取所述颗粒物探测器中的直方图处理电路基于所述SPAD器件在开始曝光后的预设时间段内被光子触发后的输出生成的第一直方图；

基于所述第一直方图的特征信息确定环境噪声；

控制所述激光驱动电路驱动所述激光发光器件向所述反射板发射激光，所述SPAD器件再次开始曝光；

控制所述激光驱动电路停止驱动所述激光发光器件向所述反射板发射激光，所述SPAD器件停止曝光；

获取所述直方图处理电路基于所述SPAD器件在再次开始曝光后的预设时间段内被光子触发后的输出生成的第二直方图；

根据所述第二直方图的波峰峰值、噪声值以及所述环境噪声确定所述反射板回波信号的信噪比，根据所述信噪比确定所述颗粒物探测器所处环境中的颗粒物的浓度，且所述信噪比与颗粒物的浓度成反比例关系。

14.如权利要求13所述的颗粒物探测方法，其特征在于，在根据所述信噪比确定所述颗粒物探测器所处环境中的颗粒物的浓度之后，还包括：

在所述信噪比小于第一预设阈值时控制生成报警信号，以便所述颗粒物探测器中的报警模块报警。