一种PD阵列大气微粒传感器

一种pd阵列大气微粒传感器
技术领域
1.本实用新型属于大气微粒检测领域，特别涉及一种pd阵列大气微粒传感器。

背景技术：

2.大气中悬浮微粒的实时检测对于日常生活越来越重要，传统微粒探测设备往往利用的是直接对粒子采样的手段获取微粒的属性，这种方法带来的弊端就是基本无法实现实时在线测量，而且这类方法需要耗费大量的精力，成本也相对较高。传统探测方法有微震荡天平法、称重法和β射线法等，目前这类方法更多应用于实验室标准定量测量，并作为另外一些仪器的比对实验或验证实验。
3.应用于民用领域测量的方案中更多的则是光散射法，光散射法是一种非采样探测，具有成本低、设备轻巧、实时性好的特点。mie散射理论说明散射光分布角度与粒径有极大联系，但目前基于光散射原理的设备基本都是定向测量某一个散射角上的散射光，这种方案虽然注重更低的成本和更小的设备体积，但代价是舍弃了更高的测量精度要求，结果的可靠性下降了，另外其环境适应能力也变得更弱，对于微粒粒径分布广的应用场合这类设备甚至可能输出偏差巨大的结果。

技术实现要素：

4.本实用新型所要解决的技术问题是提供一种测量精度高、使用于更广阔微粒粒径分布的pd阵列大气微粒传感器。
5.为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种pd阵列大气微粒传感器，包括激光管、透镜组、气流通道、消光室、光电二极管组，光电二极管组中至少有一个光电二极管设置于激光管发射线与气流通道形成散射点的正上方，其余光电二极管设置于激光发射管发射线与气流通道形成的平面上；光电二极管产生的信号经信号调理电路处理后传输至微处理器；激光管由激光稳恒电路进行实时功率调节；微处理器控制激光管并将信号调理电路的信号进行adc处理后输出粒子浓度信息。
6.进一步的，光电二极管组中至少有一个光电二极管和散射点的连线与激光管发射线呈15
°
夹角，光电二极管组中还至少有一个光电二极管和散射点的连线与激光管发射线呈135
°
夹角。其中15
°
的采光角为大粒径微粒的散射光最佳采光角度。发光二极管组中采光角为90
°
的发光二极管能大部分采集小粒径微粒的散射光，而采光角为135
°
德光电二极管能采集粒径极小微粒的散射光。依据采集环境的不同可以选取不同数量的光电二极管及其采光角角度。
7.进一步的，激光稳恒电路包括用于感应激光管功率的检测光电二极管d1，检测光电二极管d1的辐射功率依据激光管功率发生变化。
8.进一步的，激光稳恒电路具体为，包括npn三极管q1，其集电极接收电源信号vcc33，其基极通过电阻r3为激光管供能，其发射极接收反馈信号并通过电容c1接地；集成运放u1的正输出端连接检测光电二极管d1正极，其负输入端连接其输出端，其输出端通过
电阻r4连接集成运放u2的负输入端；可变电阻r9一端连接集成运放u1的正输入端，另一端与其控制端连接后通过电阻r11接地；集成运放u2的正输入端依次通过电阻r8和电阻r7连接电源信号vcc33，其正输入端还通过电阻r10接地，其输出端通过电阻r6连接pnp三极管q2的发射极；三极管q2的集电极通过电阻r1接收微处理器控制信号，其基极通过电阻r2接收微处理器控制信号，其集电极还接地，其发射极用于输出反馈信号。检测光电二极管d1功率发生变化时，其产生的电流变化经可变电阻r9和电阻r11转化为电压变化并传输至集成运放u1形成的电压跟随器，再通过集成运放u2形成的电压比较器生产反馈信号，反馈信号通过三极管q1对激光管功率进行调整。微处理器通过三极管q2控制激光稳恒电路的开关工作。依据激光管正常工作功率的高低调整可变电阻r9的阻值保证激光稳恒电路的正常工作。
9.进一步的，激光稳恒电路还包括与激光管并联的电容c2和电阻r5，电阻r8和电阻r7间节点分别通过电容c3和反向肖特基二极管d3接地。电容c2和电容c3分别进行滤波和限流。
10.进一步的，信号调理电路包括跨阻放大电路和带通滤波电路，一路光电二极管信号经过跨阻放大电路增益放大后再通过带通滤波电路去除低频信号和高频信号传输至微处理的adc接口。
11.进一步的，跨阻放大电路具体为，包括集成运放u4，其正输入端连接光电二极管正极并接收偏置信号vref，其正极还通过电容c9接地，其负极连接光电二极管负极，其负极分别通过电阻r12和电容c5连接其输出端，其正偏置端连接电源信号vcc并分别通过电容c10和电容c11接地；其输出端输出增益后的光电二极管信号。通过大电阻r12将光电二极管的小电流信号转化为大电压信号，同时通过光电二极管两端直接接在集成运放的两个输入端使得光电二极管处于零偏置状态消除暗电流的影响并抑制温漂引起的漏电流。
12.进一步的，带通滤波电路具体为，包括集成运放u3，其正输入端通过电容c8接收增益后的光电二极管信号，其正输入端还接收偏置信号vref并分别通过电阻r14和电容c7接地，其负输入端依次通过电阻r15和电容c6接地，其输出端分别通过电阻r13和电容c4连接其负输入端，其输出端连接微处理器的adc接口。集成运放u3前端为rc高通滤波器，集成运放u3则为有源低通滤波器。两者形成带通滤波电路，抑制低频直流信号和高频干扰信号。
13.进一步的，微处理器还连接有气流控制电路和通信电路。气流控制电路由微处理产生pwm信号控制风扇，通过调节pwm的占空比来调节转速，风扇用于控制气流通道的流速，而气流速度直接决定了信号频率。通信电路传输采集数据结果进行外部互交及调试。
14.与现有技术相比，本实用新型的有益技术效果是：
15.1、本实用新型通过设置多个不同采光角的光电二极管对激光管散射光进行采集，有效对大气中不同粒径的粒子浓度进行采集，与传统采集设备相比，对混合多粒径粒子中的大粒径粒子有更好的计数效率，提高了结果可靠性，适应更广的微粒粒径分布区间。
16.2、本实用新型采集精度高，可以对激光管和发光二极管组的工作状态进行自动调节匹配，能适应广泛的工作环境。
附图说明
17.图1是本实用新型原理图。
18.图2是本实用新型原理设置图。
19.图3是本实用新型激光稳恒电路原理图。
20.图4是本实用新型跨阻放大电路原理图。
21.图5是本实用新型带通滤波器电路原理图。
22.图2中：1-激光管，2-透镜组，3-观测区，4-消光室，5-采光角15
°
光电二极管，6-采光角90
°
光电二极管，7-气流，8-气流通道，9-入射光，10-采光角135
°
光电二极管。
具体实施方式
23.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例，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作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。
24.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
25.本实用新型为一种pd阵列大气微粒传感器，以三个光电二极管三个角度采集为例，如图1、图2所示，包括激光管1、透镜组2、气流通道8、消光室4、光电二极管组，光电二极管组中至少有一个光电二极管设置于激光管发射线与气流通道形成散射点的正上方即图中采光角90
°
光电二极管5，其余光电二极管设置于激光发射管发射线（入射光9）与气流通道8形成的平面上；光电二极管产生的信号经信号调理电路处理后传输至微处理器；激光管由激光稳恒电路进行实时功率调节；微处理器控制激光管并将信号调理电路的信号进行adc处理后输出粒子浓度信息，信号调理电路包括跨阻放大电路和带通滤波电路。微处理器还连接有气流控制电路和通信电路。光电二极管组中有一个光电二极管和散射点的连线与激光管发射线呈15
°
夹角即采光角15
°
光电二极管5。光电二极管组中还有一个光电二极管和散射点的连线与激光管发射线呈135
°
夹角即采光角135
°
光电二极管10。激光管1发射入射光9经过观测区3射入气流通道8中的气流7中发生散射，散射光由三个采光角不同的光电二极管进行检测转换为电信号，未发生散射的入射光9由消光室4内消光材料吸收，防止杂散光干扰检测结果。
26.如图3所示，激光稳恒电路包括用于感应激光管功率的检测光电二极管d1，检测光电二极管d1的辐射功率依据激光管功率发生变化。图中d2为激光管。光电二极管d1和激光管d1一般进行封装集成处理，这里采用ql65f5sa。激光稳恒电路具体为，包括npn三极管q1，其集电极接收电源信号vcc33，其基极通过电阻r3为激光管供能，其发射极接收反馈信号并通过电容c1接地；集成运放u1的正输出端连接检测光电二极管d1正极，其负输入端连接其输出端，其输出端通过电阻r4连接集成运放u2的负输入端；可变电阻r9一端连接集成运放u1的正输入端，另一端与其控制端连接后通过电阻r11接地；集成运放u2的正输入端依次通过电阻r8和电阻r7连接电源信号vcc33，其正输入端还通过电阻r10接地，其输出端通过电阻r6连接pnp三极管q2的发射极；三极管q2的集电极通过电阻r1接收微处理器控制信号，其基极通过电阻r2接收微处理器控制信号，其集电极还接地，其发射极用于输出反馈信号。激光稳恒电路还包括与激光管并联的电容c2和电阻r5，电阻r8和电阻r7间节点分别通过电容c3和反向肖特基二极管d3接地。
27.如图4所示，跨阻放大电路具体为，包括集成运放u4，其正输入端连接光电二极管正极并接收偏置信号vref，其正极还通过电容c9接地，其负极连接光电二极管负极，其负极分别通过电阻r12和电容c5连接其输出端，其正偏置端连接电源信号vcc并分别通过电容c10和电容c11接地；其输出端输出增益后的光电二极管信号。
28.如图5所示，带通滤波电路具体为，包括集成运放u3，其正输入端通过电容c8接收增益后的光电二极管信号，其正输入端还接收偏置信号vref并分别通过电阻r14和电容c7接地，其负输入端依次通过电阻r15和电容c6接地，其输出端分别通过电阻r13和电容c4连接其负输入端，其输出端连接微处理器的adc接口。
29.本新型相对传统大气微粒检测检测设备，具有优良的性能，满足常见环境下的微粒探测，可靠性和计数效率有所提高，其具有采集、处理、通信功能。
30.以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：

1.一种pd阵列大气微粒传感器，包括激光管、透镜组、气流通道、消光室、光电二极管组，其特征在于，所述光电二极管组中至少有一个光电二极管设置于激光管发射线与气流通道形成散射点的正上方，其余光电二极管设置于激光发射管发射线与气流通道形成的平面上；所述光电二极管产生的信号经信号调理电路处理后传输至微处理器；所述激光管由激光稳恒电路进行实时功率调节；所述微处理器控制激光管并将信号调理电路的信号进行adc处理后输出粒子浓度信息。2.根据权利要求1所述的一种pd阵列大气微粒传感器，其特征在于，所述光电二极管组中至少有一个光电二极管和散射点的连线与激光管发射线呈15
°
夹角，所述光电二极管组中还至少有一个光电二极管和散射点的连线与激光管发射线呈135
°
夹角。3.根据权利要求1所述的一种pd阵列大气微粒传感器，其特征在于，所述激光稳恒电路包括用于感应激光管功率的检测光电二极管d1。4.根据权利要求3所述的一种pd阵列大气微粒传感器，其特征在于，所述激光稳恒电路具体为：包括npn三极管q1，其集电极接收电源信号vcc33，其基极通过电阻r3为激光管供能，其发射极接收反馈信号并通过电容c1接地；集成运放u1的正输出端连接检测光电二极管d1正极，其负输入端连接其输出端，其输出端通过电阻r4连接集成运放u2的负输入端；可变电阻r9一端连接集成运放u1的正输入端，另一端与其控制端连接后通过电阻r11接地；集成运放u2的正输入端依次通过电阻r8和电阻r7连接电源信号vcc33，其正输入端还通过电阻r10接地，其输出端通过电阻r6连接pnp三极管q2的发射极；三极管q2的集电极通过电阻r1接收微处理器控制信号，其基极通过电阻r2接收微处理器控制信号，其集电极还接地，其发射极用于输出反馈信号。5.根据权利要求4所述的一种pd阵列大气微粒传感器，其特征在于，所述激光稳恒电路还包括与激光管并联的电容c2和电阻r5，所述电阻r8和电阻r7间节点分别通过电容c3和反向肖特基二极管d3接地。6.根据权利要求1所述的一种pd阵列大气微粒传感器，其特征在于，所述信号调理电路包括跨阻放大电路和带通滤波电路，一路光电二极管信号经过跨阻放大电路增益放大后再通过带通滤波电路去除低频信号和高频信号传输至微处理的adc接口。7.根据权利要求6所述的一种pd阵列大气微粒传感器，其特征在于，所述跨阻放大电路具体为，包括集成运放u4，其正输入端连接光电二极管正极并接收偏置信号vref，其正极还通过电容c9接地，其负极连接光电二极管负极，其负极分别通过电阻r12和电容c5连接其输出端，其正偏置端连接电源信号vcc并分别通过电容c10和电容c11接地；其输出端输出增益后的光电二极管信号。8.根据权利要求6所述的一种pd阵列大气微粒传感器，其特征在于，所述带通滤波电路具体为，包括集成运放u3，其正输入端通过电容c8接收增益后的光电二极管信号，其正输入端还接收偏置信号vref并分别通过电阻r14和电容c7接地，其负输入端依次通过电阻r15和电容c6接地，其输出端分别通过电阻r13和电容c4连接其负输入端，其输出端连接微处理器的adc接口。9.根据权利要求1所述的一种pd阵列大气微粒传感器，其特征在于，所述微处理器还连接有气流控制电路和通信电路。

技术总结

本实用新型属于大气微粒检测领域，特别涉及一种PD阵列大气微粒传感器，包括激光管、透镜组、气流通道、消光室、光电二极管组，光电二极管组中至少有一个光电二极管设置于激光管发射线与气流通道形成散射点的正上方，其余光电二极管设置于激光发射器发射线与气流通道形成的平面上；光电二极管产生的信号经信号调理电路处理后传输至微处理器；激光管由激光稳恒电路进行实时功率调节；微处理器控制激光管并将信号调理电路的信号进行ADC处理输出粒子浓度信息。本实用新型能有效对大气中不同粒径的粒子浓度进行采集，对混合多粒径粒子中的大粒径粒子有更好的计数效率，提高了结果可靠性，适应更广的微粒粒径分布区间。适应更广的微粒粒径分布区间。适应更广的微粒粒径分布区间。

技术研发人员：

文斌 李琪 刘书慧 卢德全

受保护的技术使用者：

成都信息工程大学

技术研发日：

2022.07.28

技术公布日：

2022/11/24