基于Mie散射的顆粒物在線監(jiān)測儀的信號前置處理電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種在線監(jiān)測儀的信號前置處理電路，具體涉及一種基于Mie散射的顆粒物在線監(jiān)測儀的信號前置處理電路。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著工業(yè)發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快，空氣中可吸入顆粒物對人們生成和生活的影響越來越大。
[0003]基于光散射法測量顆粒物參數(shù)的技術(shù)是一項(xiàng)對空間中顆粒物進(jìn)行在線監(jiān)控、實(shí)時(shí)評價(jià)空氣質(zhì)量、指導(dǎo)除塵和降塵措施的實(shí)用技術(shù)。在生產(chǎn)生活過程中，如何測量和監(jiān)控空間中顆粒物的粒徑分布及濃度的方法和測量儀器一直備受業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。在過去的幾十年間，隨著光散射法測量顆粒物濃度技術(shù)的逐漸成熟，與其相關(guān)的產(chǎn)品日趨完善，越來越多的工程師和生產(chǎn)企業(yè)開始將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到不同的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中。由于該項(xiàng)技術(shù)有著廣泛的優(yōu)點(diǎn)，目前已成為測量空間中顆粒物濃度的重要方法。
[0004]下面對基于光散射消光法測量顆粒物濃度的基本原理進(jìn)行簡單介紹:光線通過顆粒物質(zhì)時(shí)，對于數(shù)量級與使用光波長相等或較大的顆粒，光散射是光能衰減的主要形式。如果微粒在其空間上均勻分布，在一定方向某立體角內(nèi)的散射光能量與顆粒物粒徑、濃度成一定比例關(guān)系，運(yùn)用理論模型，通過光線發(fā)射和接收能量的變化即可得出一定空間內(nèi)顆粒物濃度。
[0005]信號前置處理電路面臨的問題有:其一，空間中一定濃度顆粒物對光的散射造成光能量的衰減很小，這個(gè)微弱信號很容易被各種雜散光信號淹沒，需要信號前置處理電路有較高的信噪比；其二，外界環(huán)境因素的變化會(huì)造成光源發(fā)光強(qiáng)度的變化和電路部分的漂移，造成測量數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確。
[0006]針對外界光的干擾，現(xiàn)有的一些基于光散射法測量顆粒物濃度的儀器采用抽取式結(jié)構(gòu)，在儀器內(nèi)部構(gòu)造暗室，將空氣樣本抽取到暗室內(nèi)，最大程度上隔絕外界光對測量的干擾，但抽取過程破壞原來環(huán)境的氣體空間，很難對測量結(jié)果進(jìn)行評價(jià)；針對光源發(fā)光強(qiáng)度的變化，在結(jié)構(gòu)上采取分光鏡的雙光路結(jié)構(gòu)，用參考光束跟蹤光源強(qiáng)度變化，并對測量光束進(jìn)行定時(shí)校正及溫度補(bǔ)償，但對光路的安裝精度比較高，實(shí)際操作時(shí)難度較大。
[0007]在電路上采用差分放大電路，將包含測量結(jié)果的正向輸入信號和包含所處環(huán)境的反向輸入信號，進(jìn)行差值計(jì)算消除外部環(huán)境的影響，再進(jìn)行主放大，一方面可以補(bǔ)償背景自然光、溫度、電源、電磁干擾等的影響，一方面消除環(huán)境的變化如鏡頭污染、煙道灰塵積累等影響，但需要針對正向和反向輸入信號前端處理電路的性能、參數(shù)要相互匹配。另外，在電路上，還有采用調(diào)制解調(diào)的方法，可以較好地濾除調(diào)制頻率以外的噪聲信號，提高系統(tǒng)的信噪比。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0008]為解決上述問題，本實(shí)用新型提供了一種基于Mie散射的顆粒物在線監(jiān)測儀的信號前置處理電路，具有較高的精確度和穩(wěn)定性。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案為:
[0010]基于Mie散射的顆粒物在線監(jiān)測儀的信號前置處理電路，包括光路系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)和上位機(jī)。
[0011]所述光路系統(tǒng)包括:
[0012]激光器，用于接收到來自電路的方波調(diào)制信號，輸出經(jīng)過調(diào)制的光信號，同時(shí)通過內(nèi)部的光敏二極管輸出ro反饋信號；
[0013]光電探測器，用于將光信號轉(zhuǎn)換為光電流信號；
[0014]所述信號采集系統(tǒng)包括:
[0015]信號轉(zhuǎn)換、濾波、放大電路，用于接收光電流信號，將其轉(zhuǎn)換為電壓信號，并對信號進(jìn)行濾波、放大；
[0016]AD采集電路，用于對模擬電壓信號進(jìn)行采樣，輸出數(shù)字信號到單片機(jī)；
[0017]單片機(jī)控制電路，用于接收信號，將測量信號(或ro信號)進(jìn)行存儲(chǔ)，對信號進(jìn)行濾波處理，差值運(yùn)算；并將測量結(jié)果通過RS485通訊接口輸出到上位機(jī)。
[0018]作為優(yōu)選，采用主從結(jié)構(gòu)的通信模式，包括光電池信號處理電路板和ro反饋信號處理電路板。
[0019]作為優(yōu)選，所述信號轉(zhuǎn)換、濾波、放大模塊包括運(yùn)算放大器、電容及電阻，輸入信號為光電流信號和F1D信號，輸出信號為電壓信號。
[0020]作為優(yōu)選，所述AD采集電路包括16位的AD轉(zhuǎn)換芯片、電阻和電容。
[0021]本實(shí)用新型具有以下有益效果:
[0022]設(shè)計(jì)簡單、成本低，通過硬件電路結(jié)合下位機(jī)的軟件算法，最大程度減小了環(huán)境因素對測量結(jié)果的影響，不需要制作暗室和對外界氣體樣本進(jìn)行抽取，減小了對機(jī)械結(jié)構(gòu)、光路設(shè)計(jì)和實(shí)際安裝的要求，系統(tǒng)具有很高的精確度和穩(wěn)定性，有較高的信噪比，不易受到外界因素的干擾。
【附圖說明】
[0023]圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例中信號前置處理電路的原理框圖；
[0024]圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例中信號前置處理電路的下位機(jī)信號處理框圖；
[0025]圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例中信號前置處理電路的通信結(jié)構(gòu)主從結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例中信號前置處理電路的數(shù)據(jù)格式圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]為了使本實(shí)用新型的目的及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。
[0028]如圖1-4所示，本實(shí)用新型實(shí)施例提供了基于Mie散射的顆粒物在線監(jiān)測儀的信號前置處理電路，包括光路系統(tǒng)5、信號采集系統(tǒng)4和上位機(jī)。
[0029]所述光路系統(tǒng)包括:
[0030]激光器，用于接收到來自電路的方波調(diào)制信號，輸出經(jīng)過調(diào)制的光信號，同時(shí)通過內(nèi)部的光敏二極管輸出ro反饋信號；
[0031]光電探測器，用于將光信號轉(zhuǎn)換為光電流信號；
[0032]所述信號采集系統(tǒng)包括:
[0033]信號轉(zhuǎn)換、濾波、放大電路3，用于接收光電流信號，將其轉(zhuǎn)換為電壓信號，并對信號進(jìn)行濾波、放大；
[0034]AD采集電路2，用于對模擬電壓信號進(jìn)行采樣，輸出數(shù)字信號到單片機(jī)；
[0035]單片機(jī)控制電路1，用于接收信號，將測量信號(或H)信號)進(jìn)行存儲(chǔ)，再對信號進(jìn)行奇異值濾波，濾除粗大值，分別對高低電平進(jìn)行平均值濾波，濾除高頻干擾；然后進(jìn)行差值運(yùn)算；在一小段時(shí)間內(nèi)，信號低電平代表所處環(huán)境不包含測量結(jié)果的信號，用信號高電平的平均值減去低電平的平均值，實(shí)現(xiàn)了差動(dòng)輸出的效果；最后通過ro反饋信號跟蹤激光器發(fā)光強(qiáng)度的變化，運(yùn)用補(bǔ)償算法，通過一定比例關(guān)系對測量光束進(jìn)行定時(shí)校正及溫度補(bǔ)償，并將測量結(jié)果通過RS485通訊接口輸出到上位機(jī)。
[0036]采用主從結(jié)構(gòu)的通信模式，包括光電池信號處理電路板和H)反饋信號處理電路板。
[0037]所述RS485通訊接口輸出的通訊格式包含命令格式和數(shù)據(jù)格式。
[0038]所述命令格式包含字頭、地址、功能和字尾，數(shù)據(jù)格式包含字頭、地址、功能、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)和字尾。
[0039]所述信號轉(zhuǎn)換、濾波、放大模塊包括運(yùn)算放大器、電容及電阻，輸入信號為光電流信號和F1D信號，輸出信號為電壓信號。
[0040]所述AD采集電路包括16位的AD轉(zhuǎn)換芯片、電阻和電容。
[0041]本具體實(shí)施一端連接至檢測具有顆粒物的被測區(qū)域，另一端連接至上位機(jī)，在被測區(qū)域，發(fā)射端激光器接收到來自電路的方波調(diào)制信號，頻率為幾赫茲，輸出經(jīng)過調(diào)制的光信號，通過接收端的光電池轉(zhuǎn)換為光電流信號。同時(shí)，發(fā)射端的激光器經(jīng)過內(nèi)部的光敏二極管輸出ro反饋信號，光電流信號和ro反饋信號分別輸入發(fā)射和接收端電路進(jìn)行處理。在激光器關(guān)斷期間，采集到的即為所處環(huán)境不包含測量結(jié)果的信號，從而提供了一個(gè)背景參考值。
[0042]以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于Mie散射的顆粒物在線監(jiān)測儀的信號前置處理電路，其特征在于，包括光路系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)和上位機(jī)； 所述光路系統(tǒng)包括: 激光器，用于接收到來自電路的方波調(diào)制信號，輸出經(jīng)過調(diào)制的光信號，同時(shí)通過內(nèi)部的光敏二極管輸出H)反饋信號； 光電探測器，用于將光信號轉(zhuǎn)換為光電流信號； 所述信號采集系統(tǒng)包括: 信號轉(zhuǎn)換、濾波、放大電路，用于接收光電流信號，將其轉(zhuǎn)換為電壓信號，并對信號進(jìn)行濾波、放大； AD采集電路，用于對模擬電壓信號進(jìn)行采樣，輸出數(shù)字信號到單片機(jī)； 單片機(jī)控制電路，用于接收信號，將測量信號進(jìn)行存儲(chǔ)，對信號進(jìn)行濾波處理，差值運(yùn)算；并將測量結(jié)果通過RS485通訊接口輸出到上位機(jī)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Mie散射的顆粒物在線監(jiān)測儀的信號前置處理電路，其特征在于，采用主從結(jié)構(gòu)的通信模式，包括光電池信號處理電路板和H)反饋信號處理電路板。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Mie散射的顆粒物在線監(jiān)測儀的信號前置處理電路，其特征在于，所述信號轉(zhuǎn)換、濾波、放大模塊包括運(yùn)算放大器、電容及電阻，輸入信號為光電流信號和F1D信號，輸出信號為電壓信號。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Mie散射的顆粒物在線監(jiān)測儀的信號前置處理電路，其特征在于，所述AD采集電路包括16位的AD轉(zhuǎn)換芯片、電阻和電容。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于Mie散射的顆粒物在線監(jiān)測儀的信號前置處理電路，包括光路系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)和上位機(jī)，所述光路系統(tǒng)包括激光器和光電探測器；所述信號采集系統(tǒng)包括信號轉(zhuǎn)換、濾波、放大電路，AD采集電路和單片機(jī)控制電路。本實(shí)用新型設(shè)計(jì)簡單、成本低，通過硬件電路結(jié)合下位機(jī)的軟件算法，最大程度減小了環(huán)境因素對測量結(jié)果的影響，不需要制作暗室和對外界氣體樣本進(jìn)行抽取，減小了對機(jī)械結(jié)構(gòu)、光路設(shè)計(jì)和實(shí)際安裝的要求，系統(tǒng)具有很高的精確度和穩(wěn)定性，有較高的信噪比，不易受到外界因素的干擾。
【IPC分類】G01N15/06
【公開號】CN204789251
【申請?zhí)枴緾N201520536726
【發(fā)明人】陳文亮, 李杏華, 肖云龍
【申請人】天津同陽科技發(fā)展有限公司
【公開日】2015年11月18日
【申請日】2015年7月22日