一種激光粉塵儀的設計

作者 / 李泓

　　無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院(江蘇 無(wú)錫 214153)

　　李泓(1970-)，男，碩士，高級工程師，研究方向：醫療電子設備、環(huán)保監測設備和安全監測設備的研發(fā)。

摘要：本文介紹了一種激光后散射檢測方式的粉塵儀的設計，介紹了其基本的光學(xué)結構，并對其中的關(guān)鍵技術(shù)：暗電流自動(dòng)消除和恒光功率控制做了詳細介紹。據此設計制作的粉塵儀在實(shí)際使用中檢測準確度高、重復性好，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

引言

　　粉塵是一種能長(cháng)時(shí)間地以浮游方式存在于空氣中的固體顆粒。粉塵會(huì )導致肺部疾病、皮膚感染、癌癥等多種疾病，嚴重影響人們的身體健康。排出廠(chǎng)房外的粉塵還會(huì )對污染廠(chǎng)區外的環(huán)境，對廠(chǎng)區周?chē)木用窠】翟斐捎绊?，對農、林、牧業(yè)的生產(chǎn)造成影響。這幾年霧霾現象越來(lái)越嚴重，粉塵的污染也是一個(gè)很重要的因素。隨著(zhù)人們對生產(chǎn)、生活環(huán)境的要求越來(lái)越高，人們也越來(lái)越重視環(huán)境保護。粉塵的監測和控制也越來(lái)越被重視。

　　粉塵檢測儀就是用來(lái)檢測空氣中粉塵濃度的專(zhuān)用儀器。在實(shí)際應用中，常用的粉塵檢測方法通常有三種：稱(chēng)重法、激光法和感應法。

　　稱(chēng)重法通過(guò)單位時(shí)間內對粉塵取樣，然后稱(chēng)重來(lái)測量空氣中粉塵的濃度，測量結果最為準確，常用于對其他測量方法的檢驗和校正。但是，稱(chēng)重法是一種非實(shí)時(shí)檢測方法，所以不適用于對粉塵濃度的連續檢測。

　　激光法通過(guò)測量激光經(jīng)過(guò)包含粉塵的被測空氣后的衰減或散射來(lái)測量粉塵濃度。粉塵濃度越高，衰減和散射越強烈。

　　感應法是通過(guò)測量帶靜電的粉塵以一定速度通過(guò)金屬探頭時(shí)感應出的電荷來(lái)測量粉塵濃度。在速度一定的情況下，感應電荷和粉塵濃度成線(xiàn)性關(guān)系。

　　本文主要介紹了一種基于激光后散射法的粉塵測量?jì)x。

1 激光后散射法粉塵測量?jì)x原理

　　如圖1所示為激光后散射法粉塵測量?jì)x的測量原理示意圖。

　　圖1中，激光管發(fā)射的激光(輸出功率為P0)，經(jīng)擋塵片衰減K1后照射到煙道中，經(jīng)過(guò)煙塵的散射(等效散射系數為K2，與煙塵的組織結構、濃度相關(guān))后穿過(guò)擋塵片(衰減系數為K1)，經(jīng)透鏡聚焦(會(huì )聚增益為K3)到光學(xué)傳感器。

　　傳感器接收到的光功率為：

　　Pr= Po*K1*K2*D*K1*K3 (1)

　　K3是透鏡匯聚增益，可以認為是一個(gè)常數;K1受積塵的影響會(huì )變小，在結構設計的時(shí)候，可設計增加潔凈空氣反吹裝置，避免粉塵的短時(shí)間快速積聚，同時(shí)通過(guò)定時(shí)的維護和校正來(lái)避免K1參數的變化，所以也可以看作是一個(gè)常數;煙塵反射系數K2和煙塵的特性有關(guān)，在檢測特定粉塵的時(shí)候可以認為是一個(gè)常數。

　　所以可以簡(jiǎn)化為：

　　Pr=A*P0*D(A=K1*K2*K1*K3,在使用時(shí)可以通過(guò)標定來(lái)確定) (2)

　　通過(guò)標定常數A，然后測量Pr和P0的比值就可以計算得到煙塵濃度的值：

　　D=(Pr/P0)/A (3)

2 激光功率檢測原理

　　通過(guò)檢測Pr和P0的比值就可以計算得到煙塵濃度的值，在實(shí)際應用中，通常通過(guò)設計使發(fā)射功率P0保持恒定值，只檢測傳感器接收到的光功率Pr，然后得到Pr和P0的比值。

　　如圖2所示為常用的光功率檢測系統結構圖。

　　恒光功率控制電路控制激光管發(fā)射出固定光功率的激光照射到煙道中，經(jīng)過(guò)煙塵的散射后到達PIN光電二極管。光電二極管產(chǎn)生和接收到的光功率成正比的光電流，通過(guò)I-V轉換電路轉換成電壓信號，經(jīng)放大后進(jìn)行AD轉換送入單片機進(jìn)行計算和處理。

　　由于PIN二極管輸出的電流很微弱，所以要求放大器必須具有極高的輸入阻抗、極低的輸入偏置電流、極低的輸入電流噪聲和較高的帶寬。通常使用的芯片有LF353、LF412、AD8065、AD8661、ADA4530、CA3140等。如圖3所示為PIN二極管放大電路。

　　圖3中，U10A高阻抗運算放大器組成互阻放大器，實(shí)現I-V轉換，輸出電壓為I*R33，更換不同阻值的電阻R33，可以獲得不同的轉換靈敏度。U10B組成的反相放大電路實(shí)現對轉換電壓的進(jìn)一步放大。

3 暗電流自動(dòng)去除檢測電路

　　理論上，光電傳感器在沒(méi)有光照的時(shí)候就沒(méi)有光電流，但實(shí)際上PIN二極管在沒(méi)有光照的時(shí)候也存在著(zhù)微弱的電流，稱(chēng)為暗電流。在檢測的時(shí)候需要去除暗電流的影響才能得到正確的檢測結果，但PIN二極管的暗電流和其兩端的反向電壓、溫度等相關(guān)，不是一個(gè)固定的值，無(wú)法在檢測結果中直接去除，所以在測量過(guò)程中需要采取適當的措施去除暗電流的影響。

　　如圖4所示為設計的一種暗電流自動(dòng)去除檢測電路。

　　振蕩電路產(chǎn)生50%占空比的方波，在低電平時(shí)關(guān)閉恒光功率驅動(dòng)電路，激光管不發(fā)射激光，同時(shí)模擬開(kāi)關(guān)接通到上端，此時(shí)PIN二極管未接收光，放大電路輸出PIN二極管暗電流信號，暗電流信號反向接入RC積分電路;在高電平時(shí)打開(kāi)恒光功率驅動(dòng)電流，激光管發(fā)射激光，同時(shí)模擬開(kāi)關(guān)接通到下端，此時(shí)PIN二極管接收散射光，放大電路輸出PIN二極管正常電流信號，正常電流信號正向接入RC積分電路。通過(guò)來(lái)回切換暗電流和正常電流信號在RC電路上積分，從而抵消暗電流的影響。

4 恒光功率輸出控制電路

　　當激光二極管流過(guò)閾值以上的電流時(shí)，激光二極管就會(huì )發(fā)射激光。激光二極管的光輸出量和激光二極管中流過(guò)的電流成正比。理論上，只要給定一個(gè)恒定的電流，激光二極管就可以有一個(gè)恒定的光輸出量。但是，溫度的變化會(huì )嚴重影響激光二極管的光輸出量，溫度越高，光輸出量越小。通過(guò)恒溫控制的方法可以去除溫度對光輸出量的影響，但是激光管還存在光衰的問(wèn)題，其發(fā)射效率隨著(zhù)工作時(shí)間的增加而降低。所以，在實(shí)際應用中通常使用一種稱(chēng)為APC(自動(dòng)功率控制)的控制方法，在發(fā)光二極管中集成光電二極管來(lái)檢測激光二激光管的光輸出量，通過(guò)負反饋來(lái)得到穩定的光輸出。

　　如圖5所示為Sanyo公司的DL-4247-162B激光二極管內部結構圖，其發(fā)射波長(cháng)為650nm，最大發(fā)射功率10mW。

　　圖5中LD為激光二極管，PD為光電二極管。

　　因為PD的輸出電流和LD光輸出量成正比，所以只要保證PD的輸出電流恒定，也就保證了LD光輸出量的恒定。如圖6所示為APC控制電路的基本框圖。

　　基準電壓用于設定光輸出量的目標值，當基準電壓大于監測電壓時(shí)，正向電流增加，發(fā)光二極管的光輸出量增加，光電二極管輸出電流增加，監測電壓增加，當監測電壓增加到大于基準電壓時(shí)，正向電流減小，如此通過(guò)對光輸出量的負反饋控制實(shí)現恒定的光輸出。

5 結論

　　本設計通過(guò)暗電流自動(dòng)消除技術(shù)和恒光功率控制技術(shù)實(shí)現的激光粉塵儀經(jīng)過(guò)安裝調試，在實(shí)際使用中檢測結果準確度高、重復性好、無(wú)噪音、可靠性好，滿(mǎn)足使用要求，目前已經(jīng)投入生產(chǎn)銷(xiāo)售。

　　參考文獻：

　　[1]王自亮,郭勝均.基于A(yíng)PD的粉塵光散射檢測系統的研究[J].電子測量與儀器學(xué)報,2007.

　　[2]張武坤.單片機控制的粉塵檢測儀設計[J].石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2013,2.

　　[3]郝葉軍.光散射性礦用粉塵傳感器的設計及應用[J].煤礦機電,2015(5).

　　[4]劉銀,廖志鑫,賀良茂,等.基于單片機的粉塵檢測系統的設計[J].煤礦機械,2011,7.

　　[5]李曉帆,劉天,王鵬飛.基于光散射測量原理的粉塵濃度檢測儀的設計[J].機械管理開(kāi)發(fā),2009,12.

　　[6]胡澄,鄒麗新,季晶晶.基于光散射的粉塵濃度測量的研究[J].潔凈與空調技術(shù),2007,3.

　　[7]張濤.激光透射式粉塵儀的微弱信號處理研究[J].機電工程,2011,12.

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第1期第52頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。