CN1632530A - 气溶胶粒谱(质谱)飞行时间检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气溶胶粒谱(质谱)飞行时间检测方法及装置，由雪崩二极管探测电路产生的飞行时间散射峰信号经过延迟电路延迟后，经过加法器、减法器进行自相关和/差运算，送到带通滤波器，高速钳位放大电路、高速放大器放大后，得到门控GATE信号和差分DIFF信号，由高速可编程电路，进行气溶胶粒子散射峰信号的模式识别并经双端口内存电路输出。本发明能高速度地进行模式识别、高精度地检测散射峰的双峰脉冲宽度和峰值强度并存储气溶胶粒子粒谱(质谱)全部信息。
Description
技术领域
本发明属于环境光学监测、电子学领域，具体是一种气溶胶粒谱(质谱)飞行时间检测方法及装置。
现有技术
采用空气动力学原理的光散射法测量空气中的气溶胶颗粒物的粒径谱分布时，当气溶胶颗粒物从两束紧靠的激光束中飞过时产生强度成正态分布的双峰信号，其中的双峰脉冲宽度值，即气溶胶颗粒物经过两束激光束的飞行时间TOF，就是该气溶胶颗粒物的空气动力学直径信息；而双峰的脉冲强度可以修正气溶胶粒子的光学直径信息。气溶胶粒子形成的双峰信号有如附图1气溶胶粒子经激光束产生的信号波形所示：如附图1的模式A所示的气溶胶粒子单峰信号、附图1的模式B所示有效的气溶胶粒子双峰信号、附图1的模式C所示的气溶胶粒子发生重合时的三峰信号、附图1的模式D所示的气溶胶超出测量范围的大粒子信号。气溶胶粒子的飞行时间一般在500ns到4000ns之间，属于高速信号。目前高速采集信号并对信号识别的方法主要是采用高速A/D卡转换电路模块将飞行时间信号完整的采集下来，进行模式的识别，脉宽的计算，峰值强度的处理。其次是通过设定门槛电压，使得双峰信号的两个峰值都略大于门槛电压，双峰信号与门槛电压经比较电路得到的对应与两个峰值的两个窄脉冲就对应于双峰的脉宽，如附图2所示。
对于上述记录散射峰信号的模式、记录散射峰值和记录飞行时间的方法，主要存在下列缺点：首先，高速A/D采集卡采集完整信号的方法，虽然可以比较完整的重现原始信号，但是对检测到的每个气溶胶粒子信号的模式识别、脉冲宽度及峰值的强度采样是通过软件来进行。尽管目前的A/D转换速度可以达到ns级，但成本比较高。同时，由于每一个粒子的信号都必须进行同样的软件处理，并且对相同的飞行时间、散射光强的气溶胶粒子进行统计计数，因PC机的接口速度的限制，不能进行持续高速的信号采集。其次，用设定门槛电压的方法来进行散射峰信号的模式识别比较简单，但是该方法受门槛电压设定值的影响，并不能精确地测量双峰信号的脉冲宽度(粒子的飞行时间)，并且不能有效而高速的采集峰值的强度。
发明内容
为了克服上述方法中测量的欠高速度、欠高精确度的缺陷，本发明的目的在于提供了一种大气气溶胶颗粒物粒谱(质谱)飞行时间的测量方法装置，基于散射峰信号的自相关原理，能高速度地进行模式识别、高精度地检测散射峰的双峰脉冲宽度和峰值强度并存储气溶胶粒子粒谱(质谱)全部信息的完整电路。
本发明的具体技术方案如下：
气溶胶粒谱(质谱)飞行时间检测方法，
由雪崩二极管探测电路产生的飞行时间散射峰信号经过延迟电路延迟后，得到两组具有相同相位差的自相关信号，
其中一组相位差为300ns的信号送至加法器进行自相关和运算，得到自相关和信号，送到带通滤波器(4)，将杂散信号有效滤除，再将滤除后的相关和信号经高速钳位放大电路放大并钳位，再通过比较电路与设定的门槛信号相比较，得到门控GATE信号，门控GATE信号和差分DIFF信号经过电平转换，送到高速可编程电路，进行气溶胶粒子散射峰信号的模式识别；
另外一组相位差为300ns的信号送至减法器进行自相关差运算，再送到带通滤波器(11)滤波，经带通滤波器滤波，得到自相关差信号，再经高速放大器放大后，送到比较电路与零电平相比较，得到差分DIFF信号，输入到ECL高速计数电路，用DIFF信号的两个下降沿控制高精度ECL计数器的起动和停止，经过ECL高速计数电路处理后的飞行时间数字信号，送至高速可编程电路；
同时原始的散射峰信号，经过高性能放大、绝对值检波电路将散射峰信号的峰值电平保持起来，再经过高速可编程电路控制的高速并行A/D转换电路转换成散射光强的数字信号；
以两片高速大规模可编程芯片组成的高速处理电路，将气溶胶粒谱(质谱)的飞行时间T_BUS和散射峰值SS_BUS以及粒子散射峰的模式记录在双端口内存芯片中去，数据片(21)主要用作粒子信号的识别以及数据的缓冲寄存器，地址片(22)主要将飞行时间和散射光强数字量数据转换位相应的内存地址空间数据，及双端口内存的读写控制，数据片21正确的识别气溶胶粒子散射峰模式信息，并让地址片(22)锁存飞行时间和散射光强，得到正确内存地址信息，数据片(21)将该内存单元的内容读到数据片16Bit寄存器中去，并将处理后的内容存回原地址空间，保存气溶胶粒谱(质谱)的飞行时间和散射光强信息。
所述的气溶胶粒谱(质谱)飞行时间检测方法，其特征在于带通滤波器(4)的低端截止频率设置在1KHz，高端截止频率设置在500KHz，带通滤波器(11)的低端截止频率设置在1KHz，高端截止频率设置在3.16MHz。
气溶胶粒谱(质谱)飞行时间检测装置，其特征在于由探测器得到的散射光峰值信号输入到步进延时模块电路，其一组二路信号线连接以OP467(U1A)为核心组成的模拟加法电路，模拟加法电路、以OP467(U1C)为核心的有源滤波电路，、CLC501(U2、U3)和TLE2081(U6)组成的高速钳位电路钳位，高速比较电路HM96687(U7A)依次串联，并为高速比较电路HM96687(附图8中U7A)提供门限设定电平Gate_Set，高速比较电路HM96687输出ECL电平的和信号(GATE和/GATE)；
另外一组二路信号线，串联以OP467(U1B)为核心组成的模拟减法电路，模拟减法电路再依次串联阻容电感等组成的滤波电路滤波，以CLC501(U4)为核心的高速放大电路，高速比较电路HM96687(U7B)，并为高速比较电路HM96687提供“0”电平比较，得到ECL电平的差分信号(DIFF和/DIFF)；
ECL电平的和信号(GATE和/GATE)以及差信号(DIFF和/DIFF)输出线接ECL-TTL电平转换电路10H125(U16)，输出TTL电平的和信号(GATE_T)和过零信号(ZC)。GATE_T信号和ZC信号线连接高速大规模可编程器件MACH435(U8、U9)组成的高速处理电路；
ECL电平的和信号(GATE，/GATE)以及差信号(DIFF，/DIFF)输出线连接ECL电平的双D触发器10H131(U17)为核心的逻辑电路，再连接8位计数器10H137(U20)和TTL电平12位计数器74HC4040(U24)组合而成的20位高速度、大计数范围的飞行时间计数电路，以频率发生器TQ2061(U19)和25MHz晶振(U25)为核心的高速ECL电平时钟发生电路，产生的高达500MHz的ECL时钟信号能提供高达2ns的时间分辨率，该时钟供给前述飞行时间计数电路，飞行时间计数电路和高速处理电路连接。
探测器峰值信号输出线接由OPA665(U11、U12)及低压差快恢复肖特基二极管MMBD301(CR301、CR302)等相关元件组成的高精度、高速度绝对值检波电路，再连接以高速并行A/D转换芯片为核心，辅以低噪声高速运放LM358(U8B、U14A、U14B)和低噪声高速运放TLE2074(U13A、U13B)组成的A/D转换电路，A/D转换电路和高速处理电路连接。
以两片高速大规模可编程芯片MACH435(U8、U9)组成的高速处理电路，连接双端口RAM芯片CY7C028(U10)。
本发明提供了一种能够高速度地识别散射峰模式、高精度地检测通用双峰信号的脉冲宽值、峰值强度值的电路装置。本发明中运用了自相关原理，采用了高速可编程器件、高速ECL电路、模拟步进相关延迟元件、高速运算放大器、以及高速比较器等。
本发明能够不但可以应用于大气气溶胶空气动力学粒谱分析仪中，用来高速度地识别散射峰模式、高精度地检测散射峰信号的脉冲宽值、峰值强度值；同时，该电路可以处理通用的具备如下特征之一的原始信号：
1、原始信号的双峰脉冲宽度是特征信息之一，需要高速记录；
2、原始信号的强度是特征信息之一，需要高速记录；
3、原始信号的峰模式需要识别和记录。
具有上述特征之一的信号需要采集时，均可以采用本发明的思路的电路装置。
本发明的创新点在于：
A、自相关散射峰的模式识别
本发明将原始散射峰信号，经过适当的延迟，然后进行自相关和运算以及自相关差运算，得出的相关和信号可以有效的滤除杂散信号，而相关差信号则用来识别散射峰的模式并且用来检测双峰之间的脉冲宽度。这种处理方式可以高效地处理散射峰信号模式。
B、高速度
本发明通过采用高速可编程逻辑电路(15ns)来处理模式识别，原小于粒子的飞行时间的最小值500ns。相关的运算放大器、比较器等均采用高速器件。数字处理电路一般采用高速TTL电路，高速ECL电路。整个飞行时间检测装置处理过程建立在高速硬件之上，处理速度极高。
C、高精确度
飞行时间的计数电路主要采用ECL高速电路，计数时钟脉冲使用ECL电平，高达500MHz，时间分辨率达2ns。
发明效果
该电路有以下特点：1、采用高速ECL计数电路精确测量飞行时间，分辨率达2ns，精确度高；2、采用高速可编程器件来识别散射峰信号的模式，控制散射光信号的采集并且能够产生存储的控制信号，处理速度高；3、采用高精度峰值保持电路和高速度并行A/D转换电路，高速并准确采样峰值信号；4、模式的识别和参数的测量为并行工作，处理的效率极高。
附图说明
图1气溶胶粒子经激光束产生的信号波形。
图2双峰窄脉冲波形。
图3基于自相关双峰脉冲特征检测电路框图1。
图4基于自相关双峰脉冲特征检测电路框图2。
图5高速可编程电路内部方框图。
图6高速可编程电路工作逻辑流程图。
图7双峰信号自相关处理转换图。
图8是电子线路图1。
图9是电子线路图2。
图10是电子线路图3。
图11是电子线路图4。
具体实施方式
附图3和附图4中，由雪崩二极管探测电路产生的飞行时间散射峰信号1(附图7中波形A所示)，经过延迟电路2延迟，得到两组具有相同相位差的自相关信号(附图7中波形B所示)。延迟电路的延迟时间的取值约为最短脉宽500ns的一半左右，取300ns左右。
其中一组相位差为300ns的信号送至加法器3进行自相关和运算，得到自相关和信号，送到带通滤波器4。带通滤波器4的低端截止频率设置在1KHz，高端截止频率设置在500KHz，可以将杂散信号有效滤除，得到马鞍型的相关和信号(附图7中波形C所示)。相关和信号经高速钳位放大电路5放大并钳位，再通过比较电路7与设定的门槛信号6相比较，得到门控(GATE)信号8(附图7中波形E所示)。GATE信号8提供给高速可编程电路9，帮助进行气溶胶粒子散射峰信号的模式识别。模式的识别在GATE信号8有效的情况下进行，可以避免噪声信号带来的干扰，使电路高效高速地工作。
另外一组相位差为300ns的信号送至减法器10进行自相关差运算，再送到带通滤波器11滤波。带通滤波器11的低端截止频率设置在1KHz，高端截止频率设置在3.16MHz。经带通滤波器11滤波，得到自相关差信号(附图7中波形D所示)，再经高速放大器12放大后，送到比较电路14与零电平13相比较，得到差分(DIFF)信号15(附图7中波形F所示)，提供给高速可编程电路9。高速可编程电路9通过差分信号的高电平降为低电平的过零点的数目来识别散射峰信号的模式。单峰信号只有一个下降沿，双峰信号的下降沿有两个，三峰以上信号的下降沿有三个以上。这样可以正确的识别单峰信号、双峰信号和三峰以上的信号。同时双峰信号的脉冲宽度准确地对应与DIFF信号15的两个下降沿之间时间。用DIFF信号15的两个下降沿控制高精度ECL计数器20的起动和停止，则可以准确的测量粒子的飞行时间。高速ECL计数电路的分辨率高达2ns，确保飞行时间的精确测量。经过上述电路处理后的飞行时间数字信号，送至高速可编程器件9。
同时原始的散射峰信号1，经过高性能放大、绝对值检波电路16将散射峰信号的峰值电平保持起来，再经过高速可编程电路9控制的高速并行A/D转换电路17转换成散射光强的数字信号。高速可编程电路9由两片15ns的高速可编程器件组成，以两片高速大规模可编程芯片MACH435(附图9中U8、U9)组成的高速处理电路高速可编程电路的内部框图如附图5所示。数据片21主要用作粒子信号的识别以及数据的缓冲寄存器。地址片22主要将飞行时间和散射光强数字量数据转换位相应的内存地址空间数据，及双端口内存的读写控制，称为地址片。数据片21正确的识别气溶胶粒子散射峰模式信息，并让地址片22锁存飞行时间和散射光强，得到正确内存地址信息。数据片21将该内存单元的内容读到数据片16Bit寄存器中去，并将处理后的内容存回原地址空间，保存气溶胶粒谱(质谱)的飞行时间和散射光强信息。地址片22和数据片21组合起来，完成气溶胶粒子的模式识别、飞行时间测量、散射光强测量、完整的粒子信息的存储，大容量存储器的操作等功能。高速可编程电路的运行逻辑如附图6所示。
电路描述
如附图8所示，由探测器得到的散射光峰值信号经步进延时模块电路(附图8中D100)延迟，得到两组相位差300ns左右的四路信号。
其中一组信号，经以OP467(附图8中U1A)为核心组成的模拟加法电路相加，再经以OP467(附图8中U1C)为核心的有源滤波电路滤波，经过由CLC501(附图8中U2、U3)和TLE2081(附图8中U6)组成的高速钳位电路钳位，最后与门限设定电平Gate_Set通过高速比较电路HM96687(附图8中U7A)比较，得到ECL电平的和信号(附图8中GATE和/GATE)。
另外一组信号，经以OP467(附图8中U1B)为核心组成的模拟减法电路相减，再经阻容电感等组成的滤波电路滤波，然后经CLC501(附图8中U4)为核心的高速放大电路放大，再次滤波后，送至高速比较电路HM96687(附图8中U7B)与“0”电平比较，得到ECL电平的差分信号(附图8中DIFF和/DIFF)。
如附图11所示，ECL电平的和信号(GATE和/GATE)以及差信号(DIFF和/DIFF)经ECL-TTL电平转换电路10H125(附图11中U16)转换为TTL电平的和信号(附图11中GATE_T)和过零信号(附图11中ZC)。GATE_T信号和ZC信号被送至高速大规模可编程器件MACH435(附图9中U8、U9)组成的高速处理电路中进行处理。
ECL电平的和信号(GATE，/GATE)以及差信号(DIFF，/DIFF)，通过ECL电平的双D触发器10H131(附图11中U17)为核心的逻辑电路，产生控制ECL电平的8位计数器10H137(附图11中U20)和TTL电平12位计数器74HC4040(附图11中U24)组合而成的20位高速度、大计数范围的飞行时间计数电路。以频率发生器TQ2061(附图11中U19)和25MHz晶振(附图11中U25)为核心的高速ECL电平时钟发生电路。产生的高达500MHz的ECL时钟信号能提供高达2ns的时间分辨率，该时钟供给前述飞行时间计数电路，使得飞行时间的测量具有很高的精度。飞行时间计数电路记录的飞行时间数字量T_BUS，同样送至附图9中的高速处理电路处理。
同时，峰值信号经由OPA665(附图10中U11、U12)及低压差快恢复肖特基二极管MMBD301(附图10中CR301、CR302)等相关元件组成的高精度、高速度绝对值检波电路采样并保持，送至以高速并行A/D转换芯片为核心，辅以低噪声高速运放LM358(附图10中U8B、U14A、U14B)和低噪声高速运放TLE2074(附图10中U13A、U13B)组成的高精度、高速度、低噪声A/D转换电路，得到散射光峰值信号强度的数字信号SS_BUS。该SS_BUS数字信号送至附图9中的高速处理电路中处理。
如附图9所示，以两片高速大规模可编程芯片MACH435(附图9中U8、U9)组成的高速处理电路，将气溶胶粒谱(质谱)的飞行时间T_BUS和散射峰值SS_BUS以及粒子散射峰的模式记录在双端口RAM芯片CY7C028(附图9中U10)中去。
Claims (3)
1、气溶胶粒谱(质谱)飞行时间检测方法，
由雪崩二极管探测电路产生的飞行时间散射峰信号经过延迟电路延迟后，得到两组具有相同相位差的自相关信号，
其中一组相位差为300ns的信号送至加法器进行自相关和运算，得到自相关和信号，送到带通滤波器(4)，将杂散信号有效滤除，再将滤除后的相关和信号经高速钳位放大电路放大并钳位，再通过比较电路与设定的门槛信号相比较，得到门控GATE信号，门控GATE信号和差分DIFF信号经过电平转换，送到高速可编程电路，进行气溶胶粒子散射峰信号的模式识别；
另外一组相位差为300ns的信号送至减法器进行自相关差运算，再送到带通滤波器(11)滤波，经带通滤波器滤波，得到自相关差信号，再经高速放大器放大后，送到比较电路与零电平相比较，得到差分DIFF信号，输入到ECL高速计数电路，用DIFF信号的两个下降沿控制高精度ECL计数器的起动和停止，经过ECL高速计数电路处理后的飞行时间数字信号，送至高速可编程电路；
同时原始的散射峰信号，经过高性能放大、绝对值检波电路将散射峰信号的峰值电平保持起来，再经过高速可编程电路控制的高速并行A/D转换电路转换成散射光强的数字信号；
以两片高速大规模可编程芯片组成的高速处理电路，将气溶胶粒谱(质谱)的飞行时间T_BUS和散射峰值SS_BUS以及粒子散射峰的模式记录在双端口内存芯片中去，数据片(21)主要用作粒子信号的识别以及数据的缓冲寄存器，地址片(22)主要将飞行时间和散射光强数字量数据转换位相应的内存地址空间数据，及双端口内存的读写控制，数据片21正确的识别气溶胶粒子散射峰模式信息，并让地址片(22)锁存飞行时间和散射光强，得到正确内存地址信息，数据片(21)将该内存单元的内容读到数据片16Bit寄存器中去，并将处理后的内容存回原地址空间，保存气溶胶粒谱(质谱)的飞行时间和散射光强信息。
2、如权利要求1所述的气溶胶粒谱(质谱)飞行时间检测方法，其特征在于带通滤波器(4)的低端截止频率设置在1KHz，高端截止频率设置在500KHz，带通滤波器(11)的低端截止频率设置在1KHz，高端截止频率设置在3.16MHz。
3、气溶胶粒谱(质谱)飞行时间检测装置，其特征在于由探测器得到的散射光峰值信号输入到步进延时模块电路，其一组二路信号线连接以OP467(U1A)为核心组成的模拟加法电路，模拟加法电路、以OP467(U1C)为核心的有源滤波电路，、CLC501(U2、U3)和TLE2081(U6)组成的高速钳位电路钳位，高速比较电路HM96687(U7A)依次串联，并为高速比较电路HM96687(U7A)提供门限设定电平Gate_Set，高速比较电路HM96687输出ECL电平的和信号(GATE和/GATE)；
另外一组二路信号线，串联以OP467(U1B)为核心组成的模拟减法电路，模拟减法电路再依次串联阻容电感等组成的滤波电路滤波，以CLC501(U4)为核心的高速放大电路，高速比较电路HM96687(U7B)，并为高速比较电路HM96687提供“0”电平比较，得到ECL电平的差分信号(DIFF和/DIFF)；
ECL电平的和信号(GATE和/GATE)以及差信号(DIFF和/DIFF)输出线接ECL-TTL电平转换电路10H125(U16)，输出TTL电平的和信号(GATE_T)和过零信号(ZC)，GATE_T信号和ZC信号线连接高速大规模可编程器件MACH435(U8、U9)组成的高速处理电路；
ECL电平的和信号(GATE，/GATE)以及差信号(DIFF，/DIFF)输出线连接ECL电平的双D触发器10H131(U17)为核心的逻辑电路，再连接8位计数器10H137(U20)和TTL电平12位计数器74HC4040(U24)组合而成的20位高速度、大计数范围的飞行时间计数电路，以频率发生器TQ2061(U19)和25MHz晶振(U25)为核心的高速ECL电平时钟发生电路，产生的高达500MHz的ECL时钟信号能提供高达2ns的时间分辨率，该时钟供给前述飞行时间计数电路，飞行时间计数电路和高速处理电路连接；
探测器峰值信号输出线接由OPA665(U11、U12)及低压差快恢复肖特基二极管MMBD301(CR301、CR302)等相关元件组成的高精度、高速度绝对值检波电路，再连接以高速并行A/D转换芯片为核心，辅以低噪声高速运放LM358(U8B、U14A、U14B)和低噪声高速运放TLE2074(U13A、U13B)组成的A/D转换电路，A/D转换电路和高速处理电路连接；
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