一種PM 2.5檢測傳感器設(shè)計*

楊永杰， 張?jiān)伲?楊賽程， 張小美

(南通大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 南通 226019)

0 引 言

近些年，灰霾天氣已經(jīng)對人們的生活和身體健康造成了不利影響，對于顆粒物檢測技術(shù)的研究刻不容緩。檢測顆粒物濃度的核心技術(shù)就是設(shè)計準(zhǔn)確可靠的傳感器[1]，相比國內(nèi)來說，國外對光電傳感器的研究起步較早，技術(shù)也較成熟，光電傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事、航天航空、工業(yè)控制和檢測技術(shù)等領(lǐng)域。PM 2.5的檢測方法有重量法、微量振蕩天平法、β射線吸收法、光散射法等[2]，這些方法使用的傳感器比較復(fù)雜，而且比較昂貴、受外界因素的影響比較大。本文根據(jù)光電傳感器基本原理，采用技術(shù)成熟的對射式檢測模式，高亮度、靈敏度高、穩(wěn)定性好的激光源作為光源，使用具有內(nèi)增益、靈敏度好的雪崩光電二極管作為接收器[3]，由I/V轉(zhuǎn)換、電壓放大、電壓跟隨構(gòu)成調(diào)理電路加以優(yōu)化和創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)傳感器對顆粒物的準(zhǔn)確檢測[4，5]，并且通過實(shí)驗(yàn)得以證明，傳感器結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定可靠、測量準(zhǔn)確、靈敏度高。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 理論依據(jù)

光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，根據(jù)電信號的變化就可以間接得到被測量的大小。采用的雪崩光電二極管有著良好性能，光電流的大小與光照強(qiáng)度呈正比，能夠根據(jù)光照強(qiáng)度的變化而靈敏地產(chǎn)生相應(yīng)電流。本系統(tǒng)采用對射型檢測方式，把發(fā)射器與接收器相互對射安裝，使發(fā)射器發(fā)出的光能進(jìn)入接收器。當(dāng)有檢測物體進(jìn)入發(fā)射器和接收器之間時，被測物就會遮蔽光線而導(dǎo)致進(jìn)入接收器的光量減少，根據(jù)接收器光量的變化就可以檢測被測物的含量。此方法穩(wěn)定性高、響應(yīng)快、物體的顏色、光澤等因素對顆粒物檢測的影響比較小。

1.2 方案設(shè)計

以激光器作為光源[6]， Si雪崩光電二極管作為接收器設(shè)計光電傳感器，激光源發(fā)出的光經(jīng)過透鏡1和透鏡2后照射在光敏感區(qū)，當(dāng)有顆粒物通過光敏感區(qū)時，光的強(qiáng)度就會發(fā)生改變，光經(jīng)過透鏡3后被雪崩光電二極管接收，產(chǎn)生與顆粒物的大小呈比例的電脈沖信號。為了得到穩(wěn)定可靠的信號，設(shè)計調(diào)理電路進(jìn)行優(yōu)化處理，先利用I/V轉(zhuǎn)換電路把采集到的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，然后經(jīng)過一級電壓放大和電壓跟隨，得到穩(wěn)定的電壓值，方便后級采樣處理。傳感器光路原理圖如圖1所示。

圖1 光路原理圖

(1)

式中κ為小于1的光能損失系數(shù)，理想時為1；ω為透鏡對激光源的立體角，均為常數(shù)。

檢測通道處有顆粒經(jīng)過光敏感區(qū)后，再由透鏡3匯聚到雪崩光電二極管上，此時的光通量ΦP為

(2)

式中 參數(shù)a隨顆粒物濃度的增加而減小，從而使光通量ΦP相應(yīng)的減小。

光電二極管輸出電流IP函數(shù)為

IP=f(ΦP,VP).

(3)

小信號電流為

(4)

式中S為雪崩二極管靈敏度，h為分光參數(shù)，rP為接收管的輸出電阻，VP為與i對應(yīng)的電壓值。

2 硬件設(shè)計

光電傳感器主要由光源、光收集部分、光電檢測三部分組成。

2.1 光源部分

針對本傳感器設(shè)計的目的是供測量顆粒物濃度，對細(xì)小顆粒物的檢測要求比較高，靈敏穩(wěn)定地把光信號轉(zhuǎn)換為電流信號是十分重要的。因此，本文采用工作電壓4.5～5 V，波長650 nm，功率10 mW的半導(dǎo)體激光器作為光源。與普通光源相比，激光源具有高亮度、靈敏度高、穩(wěn)定性好特點(diǎn)，作為光源是十分理想的。

2.2 光收集部分

當(dāng)光敏區(qū)有顆粒物通過時，光強(qiáng)就會發(fā)生改變，同時接收管會根據(jù)光量的變化而產(chǎn)生相應(yīng)的電流信號。本文使用透鏡1和透鏡2把光源發(fā)出的光照射到光敏感區(qū)，避免了光的浪費(fèi)，透鏡3把光收集起來發(fā)送到雪崩光電二極管，就得到與顆粒物有關(guān)的電信號。為了避免光敏感區(qū)以外的雜光進(jìn)入光敏感區(qū)，整個傳感器用黑色鋁管密封起來，使收集到的光脈沖信號穩(wěn)定可靠，傳感器的性能得到提高，增大了輸出信噪比，提高了傳感器靈敏度。

2.3 光電檢測

光電檢測部分用雪崩二級管進(jìn)行接收光信號[7]，把光信號轉(zhuǎn)換為電信號，調(diào)理電路進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換，電壓放大和電壓跟隨，并對電源部分進(jìn)行合理的優(yōu)化，提高傳感器穩(wěn)定可靠性。接收管采用AD500—8—TO52—S1的Si雪崩光電二極管，這種雪崩二極管的結(jié)電容小、靈敏度高、響應(yīng)快，能快速反映顆粒物濃度的變化，當(dāng)雪崩光電二極管的PN結(jié)反向偏置時就會出現(xiàn)雪崩現(xiàn)象，在結(jié)區(qū)電場的作用下產(chǎn)生大量載流子，反向電流的大小比無雪崩時要大得多。由雪崩光電二極管的光譜響應(yīng)特性可知，在650 nm波長上有較高的響應(yīng)度，對顆粒物檢測的靈敏度較好。而且該類光電二極管有自增益的特性，且最佳增益是60，這樣在設(shè)計后面的放大電路時，可以不用高增益的放大電路就可以得到理想結(jié)果，減少了噪聲干擾和降低了電路不穩(wěn)定性。

2.4 調(diào)理電路的實(shí)現(xiàn)

電源的穩(wěn)定性和正負(fù)電源的電壓平衡性直接影響傳感器的性能和靈敏度。本系統(tǒng)需用雙電源供電，利用ICL7660芯片實(shí)現(xiàn)+5～-5 V電源轉(zhuǎn)換，電路如圖2所示，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)±5 V的電壓平衡性較好，運(yùn)放效果理想，同時對系統(tǒng)的零點(diǎn)漂移起到抑制作用。實(shí)際應(yīng)用中，模擬電源和數(shù)字電源一定要隔離，減小數(shù)字電平的突變對模擬電路的影響，提高了傳感器的穩(wěn)定性。

圖2 電源+5 V轉(zhuǎn)-5 V模塊

由于測量的信號比較微弱，檢測到的電流信號只有幾十到幾百微安，比較容易被本底噪聲所干擾，為了能夠檢測到此信號就需要調(diào)理電路進(jìn)行處理[8]。本調(diào)理電路分為兩部分：一部分是I/V轉(zhuǎn)換、電壓放大；另一部分是電壓跟隨，電路如圖3所示。前一部分放大電路的核心元件是AD8610，具有頻帶寬、噪聲低、低輸入偏置電流、反應(yīng)快速、失真小、單位增益穩(wěn)定等特性，適合作為弱輸入信號的放大元件。雪崩光電二極管具有內(nèi)增益，并不需要對信號多級放大，在設(shè)計I/V轉(zhuǎn)換時，采用雪崩光電二極管并聯(lián)一只電阻器R1和電容器C7，整體構(gòu)成弱信號發(fā)生器，把二極管產(chǎn)生的電流信號通過R1轉(zhuǎn)換為電壓VIN

VIN=VP=i·R1.

(5)

同相放大電路通過調(diào)節(jié)R3來改變增益，電路具有很好的穩(wěn)定性且滿足公式

Vout1=(1+R3/R2)VIN.

(6)

后一部分電路是設(shè)計的具有低偏壓差、低溫度漂移、高性能電壓跟隨器[9]。此電路利用2個運(yùn)算放大器和電阻器R4，R5組成，2個運(yùn)算放大器是TL072內(nèi)部的同一封裝、參數(shù)一致的運(yùn)放，輸入電壓偏差和電流偏差都相等，當(dāng)R4與R5相等時：VOUT1=VOUT。由于2個運(yùn)放的特性一致，2個運(yùn)放的相互制約使其特性幾乎不隨溫度變化，加入電容器C8是為了避免高頻自激振蕩。此電壓跟隨器不僅能夠起到緩存和隔離作用，而且還可以實(shí)現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換，提高帶負(fù)載能力，穩(wěn)定輸出電壓，為后級處理提供可靠保證。

圖3 調(diào)理電路

3 系統(tǒng)測試與分析

本設(shè)計在進(jìn)行測試時，為了防止雜光進(jìn)入傳感器，用發(fā)黑過的鋁管密封起來，測量通道一端加上PM 2.5切割頭[10]，在流量計的控制下用抽氣泵進(jìn)行1.7 L/min定量抽氣，在實(shí)驗(yàn)室里通過蚊香煙做實(shí)驗(yàn)。由于顆粒物濃度不易觀察，利用Cortex—M3系列LM3S8962內(nèi)部的10位ADC采集來觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。1)將1 s采集的數(shù)據(jù)求平均作為實(shí)際采樣值，從而減小系統(tǒng)測量誤差。2)測量通道在裝有PM 2.5切割頭的一端外加過濾嘴來保證沒有顆粒物通過，信號的A/D轉(zhuǎn)換值穩(wěn)定在700左右，綜合溫濕度等因素的影響，此時，可以設(shè)置閾值705作為清零采樣值。與顆粒物濃度相對應(yīng)的采樣電壓值

V=(705采樣值)×(3 000/1 024)mV.

(7)

將每1 s對應(yīng)的采樣電壓值放入Excel生成圖像。圖4是有過濾嘴時的圖像，采樣電壓值可以穩(wěn)定顯示0 mV，表明檢測環(huán)境是干凈的、采樣是穩(wěn)定可靠的；拿掉過濾嘴，把傳感器放入有一定濃度蚊香煙的盒子里，圖像如圖5所示，采樣電壓值在50 mV上下微小波動，穩(wěn)定性較好；向放有傳感器的盒子里不斷增加蚊香煙，可以發(fā)現(xiàn)，采樣電壓值也不斷增大，并且呈線性變化。

圖4 沒有顆粒物采樣圖

可以發(fā)現(xiàn)，只要有顆粒物通過傳感器，就會馬上有相應(yīng)電壓值的變化，靈敏度比較高，并且傳感器檢測的采樣電壓值與顆粒物濃度呈正比。加工好的傳感器實(shí)物如圖6所示，該傳感器在PM 2.5檢測上得到驗(yàn)證，測量準(zhǔn)確、響應(yīng)快、誤差小，有廣闊的應(yīng)用前景。

圖6 傳感器實(shí)物

4 結(jié) 論

本文設(shè)計的傳感器用激光源作為光源，具有內(nèi)增益、靈敏度高的雪崩二極管作為接收管，使用低偏壓差、低溫度漂移、高性能的電壓跟隨，通過實(shí)驗(yàn)證明：此傳感器與傳統(tǒng)光電傳感器相比，具有靈敏度高、響應(yīng)快、誤差小、穩(wěn)定性好

的特點(diǎn)，并且此傳感器的結(jié)構(gòu)簡單、造價低、適用于顆粒物檢測。

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