一種激光粉塵儀的設(shè)計

李泓

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，介紹了其基本的光學(xué)結(jié)構(gòu)，并對其中的關(guān)鍵技術(shù)：暗電流自動消除和恒光功率控制做了詳細(xì)介紹。據(jù)此設(shè)計制作的粉塵儀在實際使用中檢測準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好，具有較高的實用價值。

關(guān)鍵詞：粉塵儀；激光后散射；暗電流自動去除；APC

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2018.1.011

引言

粉塵是一種能長時間地以浮游方式存在于空氣中的固體顆粒。粉塵會導(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對污染廠區(qū)外的環(huán)境，對廠區(qū)周圍的居民健康造成影響，對農(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很重要的因素。隨著人們對生產(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。

稱重法通過單位時間內(nèi)對粉塵取樣，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，常用于對其他測量方法的檢驗和校正。但是，稱重法是一種非實時檢測方法，所以不適用于對粉塵濃度的連續(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（會聚增益為K3）到光學(xué)傳感器。

傳感器接收到的光功率為：

Pr= P0*K1*K2*D*K1*K3

（1）

K3是透鏡匯聚增益，可以認(rèn)為是一個常數(shù)；K1受積塵的影響會變小，在結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候，可設(shè)計增加潔凈空氣反吹裝置，避免粉塵的短時間快速積聚，同時通過定時的維護(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候可以認(rèn)為是一個常數(shù)。

所以可以簡化為：

Pr=A*P0*D（A=K1*K2*K1*K3，在使用時可以通過標(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的比值就可以計算得到煙塵濃度的值，在實際應(yīng)用中，通常通過設(shè)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(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，經(jīng)放大后進(jìn)行AD轉(zhuǎn)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_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現(xiàn)對轉(zhuǎn)換電壓的進(jìn)一步放大。

3 暗電流自動去除檢測電路

理論上，光電傳感器在沒有光照的時候就沒有光電流，但實際上PIN二極管在沒有光照的時候也存在著微弱的電流，稱為喑電流。在檢測的時候需要去除喑電流的影響才能得到正確的檢測結(jié)果，但PIN二極管的喑電流和其兩端的反向電壓、溫度等相關(guān)，不是一個固定的值，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畴娏鞯挠绊憽?/p>

如圖4所示為設(shè)計的一種喑電流自動去除檢測電路。

振蕩電路產(chǎn)生50%占空比的方波，在低電平時關(guān)閉恒光功率驅(qū)動電路，激光管不發(fā)射激光，同時模擬開關(guān)接通到上端，此時PIN二極管未接收光，放大電路輸出PIN二極管喑電流信號，喑電流信號反向接入RC積分電路；在高電平時打開恒光功率驅(qū)動電流，激光管發(fā)射激光，同時模擬開關(guān)接通到下端，此時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。通過來回切換喑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(dāng)激光二極管流過閾值以上的電流時，激光二極管就會發(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，只要給定一個恒定的電流，激光二極管就可以有一個恒定的光輸出量。但是，溫度的變化會嚴(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)射效率隨著工作時間的增加而降低。所以，在實際應(yīng)用中通常使用一種稱為APC（自動功率控制）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lOmW。

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(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，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，正向電流減小，如此通過對光輸出量的負(fù)反饋控制實現(xiàn)恒定的光輸出，

5 結(jié)論

本設(shè)計通過唁電流自動消除技術(shù)和恒光功率控制技術(shù)實現(xiàn)的激光粉塵儀經(jīng)過安裝調(diào)試，在實際使用中檢測結(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，2007.

[2]張武坤.單片機控制的粉塵檢測儀設(shè)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(shè)計及應(yīng)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(tǒng)的設(shè)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(shè)計[J].機械管理開發(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處理研究[J].機電工程，2011，12.