一種激光粉塵儀的設(shè)計(jì)

作者 / 李泓

　　無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院(江蘇 無錫 214153)

　　李泓(1970-)，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：醫(yī)療電子設(shè)備、環(huán)保監(jiān)測設(shè)備和安全監(jiān)測設(shè)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(shè)計(jì)，介紹了其基本的光學(xué)結(jié)構(gòu)，并對(duì)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(xì)介紹。據(jù)此設(shè)計(jì)制作的粉塵儀在實(shí)際使用中檢測準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

引言

　　粉塵是一種能長時(shí)間地以浮游方式存在于空氣中的固體顆粒。粉塵會(huì)導(dǎo)致肺部疾病、皮膚感染、癌癥等多種疾病，嚴(yán)重影響人們的身體健康。排出廠房外的粉塵還會(huì)對(duì)污染廠區(qū)外的環(huán)境，對(duì)廠區(qū)周圍的居民健康造成影響，對(duì)農(nóng)、林、牧業(yè)的生產(chǎn)造成影響。這幾年霧霾現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，粉塵的污染也是一個(gè)很重要的因素。隨著人們對(duì)生產(chǎn)、生活環(huán)境的要求越來越高，人們也越來越重視環(huán)境保護(hù)。粉塵的監(jiān)測和控制也越來越被重視。

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

　　稱重法通過單位時(shí)間內(nèi)對(duì)粉塵取樣，然后稱重來測量空氣中粉塵的濃度，測量結(jié)果最為準(zhǔn)確，常用于對(duì)其他測量方法的檢驗(yàn)和校正。但是，稱重法是一種非實(shí)時(shí)檢測方法，所以不適用于對(duì)粉塵濃度的連續(xù)檢測。

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

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

　　本文主要介紹了一種基于激光后散射法的粉塵測量儀。

1 激光后散射法粉塵測量儀原理

　　如圖1所示為激光后散射法粉塵測量儀的測量原理示意圖。

　　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)過煙塵的散射(等效散射系數(shù)為K2，與煙塵的組織結(jié)構(gòu)、濃度相關(guān))后穿過擋塵片(衰減系數(shù)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(rèn)為是一個(gè)常數(shù);K1受積塵的影響會(huì)變小，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，可設(shè)計(jì)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)通過定時(shí)的維護(hù)和校正來避免K1參數(shù)的變化，所以也可以看作是一個(gè)常數(shù);煙塵反射系數(shù)K2和煙塵的特性有關(guān)，在檢測特定粉塵的時(shí)候可以認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)。

　　所以可以簡化為：

　　Pr=A*P0*D(A=K1*K2*K1*K3,在使用時(shí)可以通過標(biāo)定來確定) (2)

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

　　D=(Pr/P0)/A (3)

2 激光功率檢測原理

　　通過檢測Pr和P0的比值就可以計(jì)算得到煙塵濃度的值，在實(shí)際應(yīng)用中，通常通過設(shè)計(jì)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(tǒng)結(jié)構(gòu)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)過煙塵的散射后到達(dá)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I-V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)放大后進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)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(yùn)算放大器組成互阻放大器，實(shí)現(xiàn)I-V轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換靈敏度。U10B組成的反相放大電路實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)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，光電傳感器在沒有光照的時(shí)候就沒有光電流，但實(shí)際上PIN二極管在沒有光照的時(shí)候也存在著微弱的電流，稱為暗電流。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(jié)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，無法在檢測結(jié)果中直接去除，所以在測量過程中需要采取適當(dāng)?shù)拇胧┤コ惦娏鞯挠绊憽?/p>

　　如圖4所示為設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)電路，激光管不發(fā)射激光，同時(shí)模擬開關(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(hào)，暗電流信號(hào)反向接入RC積分電路;在高電平時(shí)打開恒光功率驅(qū)動(dòng)電流，激光管發(fā)射激光，同時(shí)模擬開關(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(hào)，正常電流信號(hào)正向接入RC積分電路。通過來回切換暗電流和正常電流信號(hào)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(dāng)激光二極管流過閾值以上的電流時(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(yán)重影響激光二極管的光輸出量，溫度越高，光輸出量越小。通過恒溫控制的方法可以去除溫度對(duì)光輸出量的影響，但是激光管還存在光衰的問題，其發(fā)射效率隨著工作時(shí)間的增加而降低。所以，在實(shí)際應(yīng)用中通常使用一種稱為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檢測激光二激光管的光輸出量，通過負(fù)反饋來得到穩(wěn)定的光輸出。

　　如圖5所示為Sanyo公司的DL-4247-162B激光二極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，其發(fā)射波長為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?yàn)镻D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(zhǔn)電壓用于設(shè)定光輸出量的目標(biāo)值，當(dāng)基準(zhǔn)電壓大于監(jiān)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(jiān)測電壓增加，當(dāng)監(jiān)測電壓增加到大于基準(zhǔn)電壓時(shí)，正向電流減小，如此通過對(duì)光輸出量的負(fù)反饋控制實(shí)現(xiàn)恒定的光輸出。

5 結(jié)論

　　本設(shè)計(jì)通過暗電流自動(dòng)消除技術(shù)和恒光功率控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的激光粉塵儀經(jīng)過安裝調(diào)試，在實(shí)際使用中檢測結(jié)果準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好、無噪音、可靠性好，滿足使用要求，目前已經(jīng)投入生產(chǎn)銷售。

　　參考文獻(xiàn)：

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

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

　　[3]郝葉軍.光散射性礦用粉塵傳感器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].煤礦機(jī)電,2015(5).

　　[4]劉銀,廖志鑫,賀良茂,等.基于單片機(jī)的粉塵檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)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(shè)計(jì)[J].機(jī)械管理開發(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(diào)技術(shù),2007,3.

　　[7]張濤.激光透射式粉塵儀的微弱信號(hào)處理研究[J].機(jī)電工程,2011,12.

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