CN209841624U - 一种微型激光pm2.5浓度蓝牙传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及光电传感器技术领域，具体是一种微型激光PM2.5浓度蓝牙传感器，包括一个外壳，外壳内上部装有激光器芯片和透镜，外壳上位于透镜下方设有进气口和出气口，外壳内底部装有光电探测器芯片，外壳底部外侧装有蓝牙芯片；激光器芯片发出激光束通过透镜形成平行光束射向从进气口进入外壳内的颗粒，颗粒使激光束发生散射，光电探测器芯片接受散射光产生电信号再通过蓝牙芯片传送到数据处理器；本实用新型可检测0.5μm以上的颗粒，精度高，适用范围广。
Description
技术领域
本实用新型涉及光电传感器技术领域，具体是一种微型激光PM2.5浓度蓝牙传感器。
背景技术
目前市面的空气质量检测设备很多，但是大部分都是基于电化学传感器，测试参数较多，但是体积较大，精度高的设备价格昂贵。2000年以来，随着LED技术的发展，采用红外LED检测空气颗粒浓度的探测器开始广泛使用。红外传感器的结构和电路比较简单，其光源为红外LED光源，气流进出风口主要靠电阻发热以获得热气流流动，有颗粒通过即输出高电平，输出信号只有脉冲宽度调制(PWM)信号。红外LED对光散射的颗粒信号较弱，只对大于1μm的大颗粒有响应，只能检测到1μm以上的颗粒，测量精度不足，无法准确测量PM2.5的浓度。
发明内容
本实用新型的目的就是为了解决现有空气检测传感器检测精度不足无法准确测量PM2.5的浓度的问题，提供一种微型激光PM2.5浓度蓝牙传感器。
本实用新型的具体方案是：一种微型激光PM2.5浓度蓝牙传感器，包括一个外壳，外壳内上部装有激光器芯片和透镜，外壳上位于透镜下方设有进气口和出气口，外壳内底部装有光电探测器芯片，外壳底部外侧装有蓝牙芯片；激光器芯片发出激光束通过透镜形成平行光束射向从进气口进入外壳内的颗粒，颗粒使激光束发生散射，光电探测器芯片接受散射光产生电信号再通过蓝牙芯片传送到数据处理器。
本实用新型所述外壳内底部装有两个间隔一定距离的光电探测器芯片，两个光电探测器芯片分别用于接收前散射光和侧散射光并产生差分电压信号。
本实用新型所述激光芯片是单纵模激光二极管芯，连续激光功率30mW，峰值波长505nm。
本实用新型所述光电探测器芯片是硅基探测芯片，响应波长为350nm-900nm。
本实用新型所述外壳的进气口和出气口处各装有一过滤网。
本实用新型的工作原理如下：激光器发出的激光束，经透镜扩束、准直后变成一束平行光，当通过气孔的空气流动把颗粒均匀地放置到平行光束路径中时，激光束经过颗粒时将发生衍射或散射现象，一部分光将与光轴成一定的角度向外扩散。米氏（Mie）散射理论表明，当激光束在行进过程中遇到颗粒时，会发生偏离其直线传播方向的散射现象。散射角度反映了颗粒粒度的大小，颗粒越大，产生的散射角就越小；颗粒越小，产生的散射角就越大；散射光强反映了颗粒粒径的分布，随角度的增加呈对数衰减。因此，利用光散射技术可以测量颗粒群的尺寸分布、浓度分布、颗粒形状与折射率。基于米氏散射理论和夫琅禾费衍射理论，根据颗粒的衍射或散射光的空间分布(散射谱)来分析和统计颗粒的大小，如PM2.5，PM10等，当空气中的细颗粒物进入激光束所在区域时，将使激光发生散射；散射光在空间360°都有辐射，通过设置光电探测器，使之接收散射光，前向散射光和侧向散射光进入两个光电探测器芯片，产生两种不同电流信号，转为差分电压信号，电路放大及处理后通过信号通过蓝牙模块传送到移动设备的高性能数字数理电路，经由专业颗粒计数算法分析，即可得到高精度量化PM2.5浓度值。
本实用新型具有以下有益效果：1、可以检测到0.5μm以上的颗粒；2、采用蓝牙芯片传输数据，减少了器件内部不必要的电子器件，使整个传感器体积减小，方便集成到各种类型的空气检测设备中；3、本实用新型采用双光电探测器芯片，前散射光和侧散射光分别测量，通过输出差分信号，采用专用算法软件计算空气颗粒浓度，提高了激光PM2.5传感器的使用领域，精度高，适用范围广。
附图说明
图1是本实用新型结构示意图；
图2是本实用新型的应用框图；
图中：1-激光器芯片，2-透镜，3-进气口，4-光电探测器芯片，5-蓝牙芯片，6-电极引脚，7-出气口，8-待测气体，9-外壳，10-驱动电源，11-数据处理器，12-应用软件，13-显示终端。
具体实施方式
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”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，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
参见图1，本实施例包括一个外壳9，外壳9内上部装有激光器芯片1和透镜2，外壳9上位于透镜2下方设有进气口3和出气口7，进气口3和出气口7为圆孔网状结构；外壳9内底部装有光电探测器芯片4，外壳9底部外侧装有蓝牙芯片5；激光器芯片1发出激光束通过透镜2形成平行光束射向从进气口3进入外壳9内的待测气体8，待测气体8内的颗粒使激光束发生散射，光电探测器芯片4接受散射光产生电信号再通过蓝牙芯片5传送到数据处理器，所述激光器芯片1、透镜2和光电探测器芯片4均通过PCB板安装在外壳9内，激光器芯片1与透镜2光轴对齐且相距3mm，激光器芯片1采用的是美国QPhotonics公司QLD-505-30S型单纵模激光二极管芯，连续激光功率30mW、峰值波长505nm；所述透镜2为PMMA有机玻璃自聚焦透镜，通光孔径1.8mm、工作距离为30mm；所述蓝牙芯片5采用挪威Nordic Semiconductor公司nRF51822芯片，发射功率峰值4dBm、频率2.4GHz、接收灵敏度-93dBm、支持蓝牙4.0协议，通过14-pin蝶形封装电极引脚6与外围电路连接。
本实施所述光电探测器芯片4数量为2个，分别用于接收前散射光和侧散射光并产生差分电压信号，采用的是德国First Sensor AG公司SiPM-RGB1S-SMD硅基探测芯片，尺寸40μm×40μm，响应波长为350nm-900 nm，两个芯片相距2.5mm，与透镜2相距7mm。
本实施所述外壳9的进气口3和出气口7处各装有一过滤网，过滤网由石墨纤维编织，可以有效阻挡100μm以上颗粒进入外壳9内。
参见图2，驱动电源10给激光器芯片1和光电探测器芯片4及蓝牙芯片5提供3.3V直流驱动电压，激光器芯片1产生505nm的激光束，通过透镜2形成平行光束，当遇到待测气体中不同大小和浓度颗粒时，光束将会发生偏转。金属外壳9内置两个光电探测器芯片4，从前端和侧向探测到光强变化后，转换成差分电压信号，传输给蓝牙芯片5，蓝牙芯片5再将2.4GHz无线调制信号发出来，接收设备的数据处理器11接收后，通过专用应用软件12处理，将其计算出的颗粒浓度数字信号，在显示终端13显示，便可以实现当前环境的空气质量检测。作为优选，所述数据处理器11内置微处理器单元（MCU）和蓝牙芯片，其中MCU为荷兰恩智浦半导体公司LPC11U35FHI33，基于32位ARM Cortex-M0微控制器，自带串行调试接口和多路复用的10位模数转换器（ADC），用于控制蓝牙芯片收发调制无线信号，并处理计算差分电压信号；所述应用软件12，采用C++作为底层语言，基于安卓6.0系统基础的开发，内置数据测量模型, 结合消光系数的改进算法及特征波长的选择, 提高计算效率。
上述详细说明是针对本实用新型可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本实用新型的专利范围，凡未脱离本实用新型所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。
Claims (5)
1.一种微型激光PM2.5浓度蓝牙传感器，包括一个外壳，其特征是：外壳内上部装有激光器芯片和透镜，外壳上位于透镜下方设有进气口和出气口，外壳内底部装有光电探测器芯片，外壳底部外侧装有蓝牙芯片；激光器芯片发出激光束通过透镜形成平行光束射向从进气口进入外壳内的颗粒，颗粒使激光束发生散射，光电探测器芯片接受散射光产生电信号再通过蓝牙芯片传送到数据处理器。
2.根据权利要求1所述的一种微型激光PM2.5浓度蓝牙传感器，其特征是：所述外壳内底部装有两个间隔一定距离的光电探测器芯片，两个光电探测器芯片分别用于接收前散射光和侧散射光并产生差分电压信号。
3.根据权利要求1所述的一种微型激光PM2.5浓度蓝牙传感器，其特征是：所述激光器芯片是单纵模激光二极管芯，连续激光功率30mW，峰值波长505nm。
4.根据权利要求1所述的一种微型激光PM2.5浓度蓝牙传感器，其特征是：所述光电探测器芯片是硅基探测芯片，响应波长为350nm-900nm。
5.根据权利要求1所述的一种微型激光PM2.5浓度蓝牙传感器，其特征是：所述外壳的进气口和出气口处各装有一过滤网。
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| CN111879672A (zh) * | 2020-08-19 | 2020-11-03 | 中煤科工集团重庆研究院有限公司 | 一种高精度开放式易维护的粉尘浓度检测装置及方法 |
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