CN112903551A - 一种激光粉尘传感器及其自动补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光粉尘传感器及其自动补偿方法，传感器包括外壳，设置在外壳内的激光发射器、激光接收器、以及灰尘检测通道，其特征在于，所述激光接收器设置在灰尘检测通道内，所述灰尘检测通道上设置检测缺口，所述检测缺口外围具有光陷阱区域，在所述光陷阱区域内设置光陷阱阀门，在光陷阱阀门关闭状态时，所述光陷阱阀门用于将通过检测缺口进入的激光反射回所述激光接收器上。与现有技术相比，本发明在传感器内部增加积灰校准的硬件装置及软件补偿算法，减少积灰对采样精度的影响。

Description

一种激光粉尘传感器及其自动补偿方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，更具体地说，是涉及一种激光粉尘传感器及其自动补偿方法。

背景技术

激光散射颗粒传感器通过转换光接收二极管的工作电压参数获取颗粒浓度。粉尘传感器工作时需要暴露在空气当中，且由于风扇作用将不断有灰尘流过传感器内部，长时间工作后，传感器内部形成灰尘累积，导致测量误差增大。目前通过在传感器外部增加过滤装置，将大颗粒的粉尘、毛发、棉絮等进行拦截过滤可以一定程度解决大颗粒积灰问题，微小的粉尘颗粒流入传感器内部后，绝大部分的粉尘颗粒物会随着传感器的风道气流排出，但仍有部分的粉尘颗粒会滞留在传感器内部。长期运行不断积累的粉尘并在空气湿度的作用下，沉淀到传感器内部，采样精度依然易受影响，仍旧存在一定程度的测量误差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种激光粉尘传感器及其自动补偿方法，通过补偿弥补传感器内部灰尘累积导致测量误差增大，以克服现有技术之不足。

本发明解决其技术问题的技术方案是：一种激光粉尘传感器，包括外壳，设置在外壳内的激光发射器、激光接收器、以及灰尘检测通道，其特征在于，所述激光接收器设置在灰尘检测通道内，所述灰尘检测通道上设置检测缺口，所述检测缺口外围具有光陷阱区域，在所述光陷阱区域内设置光陷阱阀门，在光陷阱阀门关闭状态时，所述光陷阱阀门用于将通过检测缺口进入的激光反射回所述激光接收器上。

所述外壳设置激光发射腔，所述灰尘检测通道呈U形包围所述激光发射腔，所述灰尘检测通道的进口区、出口区截面积比中间区的大。

所述灰尘检测通道的出口区设有吸风口，所述吸风口上设置风扇，所述灰尘检测通道的进口区在所述外壳上设有负压进风口。

所述检测缺口位于灰尘检测通道的U底部，所述光陷阱区域与灰尘检测通道的U底部相邻。

所述光陷阱区域包括第一光陷阱通道、第二光陷阱区，在第一光陷阱通道、第二光陷阱区之间设置挡板，所述光陷阱阀门安装在第一光陷阱通道、第二光陷阱区的分隔处。

所述第一光陷阱通道与灰尘检测通道的U底部的夹角在30゜—70゜范围内。

上述激光粉尘传感器的自动补偿方法，包括以下步骤：

S1)出厂前，关闭光陷阱阀门，激光接收器记录激光强度初始值，记录为 U0(V)；

S2)在传感器运行预设时间T1(h)后，关闭光陷阱阀门，激光接收器再次检测激光强度值，记录为U1(V)；若U0*0.95>U1，执行S3)，进入激光功率校准模式；若U0*1.05<U1，执行S5)，进入激光功率校准模式；若U0*0.95≤U1≤ U0*1.05，返回；

S3)关闭风扇，逐步加大激光发射器的驱动电流使激光发射器的光功率增加，激光接收器持续检测激光强度值的变化直至激光强度值U0＝U1；

S4)锁定U0＝U1时的激光驱动电流值，将其设置为激光发射器的光功率强度，光陷阱阀门，退出激光功率校准模式；

S5)关闭风扇，逐步减小激光发射器的驱动电流使激光发射器的光功率降低，激光接收器持续检测激光强度值的变化直至激光强度值U0＝U1；

S6)锁定U0＝U1时的激光驱动电流值，将其设置为激光发射器的光功率强度，光陷阱阀门，退出激光功率校准模式。

本发明有益效果是：与现有技术相比，本发明在传感器内部增加积灰校准的硬件装置及软件补偿算法，减少积灰对采样精度的影响。

附图说明

图1是现有传感器积灰实验前测试结果图。

图2是现有传感器积灰实验后测试结果图。

图3是现有传感器积灰实验前激光接收器采样电压波形对照图。

图4是现有传感器积灰实验前后颗粒物测试对比图。

图5是本发明激光粉尘传感器在光陷阱阀门打开时，激光反射示意图。

图6是本发明激光粉尘传感器在光陷阱阀门关闭校准时的激光反射示意图。

图7是本发明激光粉尘传感器在积灰实验前测试结果图。

图8是本发明激光粉尘传感器在积灰实验后测试结果图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

为解决本发明的技术问题，本项目发明人先对现有激光粉尘传感器在积灰情况下对测量的影响作试验验证，具体如下：

一、激光粉尘传感器加速测试模型设计

为模拟测试传感器在其生命周期内的积灰情况，设计了加速积灰实验，实验参数设计如下：

传感器的累计通过灰尘量＝PM2.5浓度*传感器气流量*总运行时间；

加速实验时间＝累计通过灰尘量/(加速PM2.5浓度*传感器气流量)。

其中：

PM2.5浓度＝71ug/m³(取国内空气污染最严重京津冀地区的2016年平均浓度，数据来源于生态环境部网站)；

传感器气流量＝0.6m³/h；

总运行时间＝87600h(10年设计寿命)；

得出传感器累计通过灰尘量＝71ug/m³*0.6m³/h*87600h＝3731760ug；

设定加速PM2.5浓度＝5000ug/m³；

加速实验时间＝3731760ug/(5000ug/m³*0.6m³/h)＝1244h。

实验整体方案设计如下：

A.在容积1m³密闭的实验箱内，放置粉尘物质，并增加3台风扇搅拌均匀，确保实验箱内PM2.5浓度值维持在5000ug/m³；

B.传感器在实验箱内工作1244h；

C.测试传感器实验前、实验后的采样准确度变化。

二、实验结果分析

按照设定的测试方案，选取了3个传感器，通过对比实验前表1-1测试数据，图1测试结果，实验后表1-2测试数据，图2测试结果，传感器在积灰实验测试后，采样精度误差变大，且采样值变成负偏差。

表1积灰实验前测试数据

表2积灰实验后测试数据

三、积灰误差机理分析

经过拆解传感器分析，传感器风道内、激光接收器均积灰严重，其中激光接收器表面已覆盖了一层细小的灰尘，对红外接受强度有一定的衰减。

相同浓度下，用标准的2.5um的粒子发生器，测试传感器激光接收器采样单个PM_2.5颗粒的AD值变化，见图3-4，实验前脉冲电压为1.27V，试验后衰减为0.98V，可见接受光功率明显降低。进一步测试了传感器在不同浓度下、积灰前后的颗粒物数量的对比，表1-3结果显示，积灰后读数误差明显。

表3积灰实验前后颗粒物测试对比表

由以上加速实验可知，由于传感器的激光接收器表面受粉尘物的阻挡，导致激光接收强度衰减，进而导致粉尘粒子数计算减少，最终导致采样偏差。

通过测试得到验证积灰对测量结果产生影响的结论下，本项目发明人尝试通过补偿方案以解决该技术问题，遂有本发明方案产生。

由于传感器内部积灰问题不可避免，激光接收器接收强度衰减不可避免。因此，如何确保激光接收器在表面积灰的条件下，接收的功率强度不衰减，是解决积灰影响的关键问题。

因此，本项目发明人在现有传感器的基础上，作如下改进方案：

A、硬件结构上，在传感器光陷阱区增加一个光陷阱阀门。如图5-6所示，积灰补偿机构包括外壳，设置在外壳内的激光发射器1、激光接收器2、以及灰尘检测通道，激光接收器2设置在灰尘检测通道内，灰尘检测通道上设置检测缺口30，检测缺口外围具有光陷阱区域，在光陷阱区域内设置光陷阱阀门6，在光陷阱阀门关闭状态时，光陷阱阀门用于将通过检测缺口进入的激光反射回激光接收器上。

外壳设置激光发射腔10，激光发射器1在矩形的激光发射腔10内，灰尘检测通道呈U形包围激光发射腔的三个侧面，U形的灰尘检测通道包括进口区 31、U底部32、出口区33，其中，进口区31、出口区33的截面积比中间区 (即U底部32)的大。

灰尘检测通道的出口区33设有吸风口，吸风口上设置风扇4，灰尘检测通道的进口区31在外壳上设有负压进风口311。检测缺口30位于灰尘检测通道的U底部32，两检测缺口30垂直穿越U底部32，激光经过检测缺口30从激光发射器1穿过灰尘检测通道进入与灰尘检测通道的U底部相邻的光陷阱区域。

光陷阱区域包括第一光陷阱通道51、第二光陷阱区52，在第一光陷阱通道、第二光陷阱区之间设置挡板61，光陷阱阀门6安装在第一光陷阱通道、第二光陷阱区的分隔处。第一光陷阱通道与灰尘检测通道的U底部的夹角在30 ゜—70゜范围内。图5-6的箭头表示光的传播路线，如图5所示，当光陷阱阀门6打开时，激光从灰尘检测通道进入光陷阱区域后不能反射回来。如图6所示，当光陷阱阀门6关闭时，激光从灰尘检测通道进入第一光陷阱通道51后被光陷阱阀门6反射回到激光接收器2。

B、在软件控制上，传感器正常工作时：如图5所示，③光陷阱阀门打开，④激光进入光陷阱后无法反射回灰尘检测通道，激光只有在⑤灰尘检测通道内经过灰尘的反射，才能进入激光接收器，所以②激光接收器不会受其他激光反射的影响；

传感器校准激光强度时：如图6所示，通过外部传动机构，关闭③光陷阱阀门，此时④激光无法进入光陷阱区域，通过光陷阱阀门及内部结构反射回到⑤灰尘检测通道内。由于光强度较大，②激光接收器无需灰尘的反射，都能接收到激光的能量；

校准控制方案：

A.出厂前，关闭光陷阱阀门，激光接收器记录激光强度初始值，记录为 U0(V)；

B.出厂后，在传感器运行预设时间T1(h)后，关闭光陷阱阀门，激光接收器再次检测激光强度值，记录为U1(V)；

C.当U0*0.95>U1时，说明激光接收功率衰减，进入激光功率校准模式：

a.关闭传感器风扇，目的是停止灰尘的流动，避免灰尘反射激光干扰传感器校准；

b.通过逐步加大激光发射器的驱动电流，逐步加大激光发射器的光功率，同时，激光接收器持续检测激光强度值的变化；

c.直到激光强度值U0＝U1后，锁定此时的激光驱动电流值，固定激光发射器的光功率强度。退出激光功率校准模式。

D.当U0*1.05<U1时，说明激光在内部反射强度变大，进入激光功率校准模式：

a.关闭传感器风扇，目的是停止灰尘的流动，避免灰尘反射激光干扰传感器校准；

b.通过逐步减小激光发射器的驱动电流，逐步减小激光发射器的光功率，同时，激光接收器持续检测激光强度值的变化；

直到激光强度值U0＝U1后，锁定此时的激光驱动电流值，固定激光发射器的光功率强度。退出激光功率校准模式。

五、改善结果对比

如下积灰实验前后测试数据可见，经过激光功率校准后，虽然实验后采样误差值有一定的放大，平均误差值约7％。而未经过激光功率校准前，平均误差值约49％。采样精度有明显的改善。参见图7-8。

表4改善后积灰实验前测试数据

表5改善后积灰实验后测试数据

结果显示，传感器在长期运行后，有少部分灰尘滞留在传感器内部，造成激光接收器接收功率下降。通过硬件上增加光陷阱阀门机构，控制上增加激光功率校准补偿，能有效的改善积灰造成的传感器采样精度偏差。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种激光粉尘传感器，包括外壳，设置在外壳内的激光发射器、激光接收器、以及灰尘检测通道，其特征在于，所述激光接收器设置在灰尘检测通道内，所述灰尘检测通道上设置检测缺口，所述检测缺口外围具有光陷阱区域，在所述光陷阱区域内设置光陷阱阀门，在光陷阱阀门关闭状态时，所述光陷阱阀门用于将通过检测缺口进入的激光反射回所述激光接收器上。

2.根据权利要求1所述激光粉尘传感器，其特征在于，所述外壳设置激光发射腔，所述灰尘检测通道呈U形包围所述激光发射腔，所述灰尘检测通道的进口区、出口区截面积比中间区的大。

3.根据权利要求2所述激光粉尘传感器，其特征在于，所述灰尘检测通道的出口区设有吸风口，所述吸风口上设置风扇，所述灰尘检测通道的进口区在所述外壳上设有负压进风口。

4.根据权利要求3所述激光粉尘传感器，其特征在于，所述检测缺口位于灰尘检测通道的U底部，所述光陷阱区域与灰尘检测通道的U底部相邻。

5.根据权利要求4所述激光粉尘传感器，其特征在于，所述光陷阱区域包括第一光陷阱通道、第二光陷阱区，在第一光陷阱通道、第二光陷阱区之间设置挡板，所述光陷阱阀门安装在第一光陷阱通道、第二光陷阱区的分隔处。

6.根据权利要求5所述激光粉尘传感器，其特征在于，所述第一光陷阱通道与灰尘检测通道的U底部的夹角在30゜—70゜范围内。

7.根据权利要求1所述激光粉尘传感器的自动补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1）出厂前，关闭光陷阱阀门，激光接收器记录激光强度初始值，记录为U0(V)；

S2）在传感器运行预设时间T1(h)后，关闭光陷阱阀门，激光接收器再次检测激光强度值，记录为U1(V)；若U0*0.95>U1，执行S3），进入激光功率校准模式；若U0*1.05<U1，执行S5），进入激光功率校准模式；若U0*0.95≤U1≤U0*1.05，返回；

S3）关闭风扇，逐步加大激光发射器的驱动电流使激光发射器的光功率增加，激光接收器持续检测激光强度值的变化直至激光强度值U0=U1；

S4）锁定U0=U1时的激光驱动电流值，将其设置为激光发射器的光功率强度，光陷阱阀门，退出激光功率校准模式；

S5）关闭风扇，逐步减小激光发射器的驱动电流使激光发射器的光功率降低，激光接收器持续检测激光强度值的变化直至激光强度值U0=U1；

S6）锁定U0=U1时的激光驱动电流值，将其设置为激光发射器的光功率强度，光陷阱阀门，退出激光功率校准模式。

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