一種激光粉塵儀的設計

作者 / 李泓

　　無錫商業(yè)職業(yè)技術學院(江蘇 無錫 214153)

　　李泓(1970-)，男，碩士，高級工程師，研究方向：醫(yī)療電子設備、環(huán)保監(jiān)測設備和安全監(jiān)測設備的研發(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計，介紹了其基本的光學結構，并對其中的關鍵技術：暗電流自動消除和恒光功率控制做了詳細介紹。據(jù)此設計制作的粉塵儀在實際使用中檢測準確度高、重復性好，具有較高的實用價值。

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。粉塵會導致肺部疾病、皮膚感染、癌癥等多種疾病，嚴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。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，測量結果最為準確，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出的電荷來測量粉塵濃度。在速度一定的情況下，感應電荷和粉塵濃度成線性關系。

　　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，與煙塵的組織結構、濃度相關)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，可以認為是一個常數(shù);K1受積塵的影響會變小，在結構設計的時候，可設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，在檢測特定粉塵的時候可以認為是一個常數(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定來確定) (2)

　　通過標定常數(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，在實際應用中，通常通過設計使發(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)結構圖。

　　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轉換電路轉換成電壓信號，經(jīng)放大后進行AD轉換送入單片機進行計算和處理。

　　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二極管放大電路。

　　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，可以獲得不同的轉換靈敏度。U10B組成的反相放大電路實現(xiàn)對轉換電壓的進一步放大。

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，稱為暗電流。在檢測的時候需要去除暗電流的影響才能得到正確的檢測結果，但PIN二極管的暗電流和其兩端的反向電壓、溫度等相關，不是一個固定的值，無法在檢測結果中直接去除，所以在測量過程中需要采取適當?shù)拇胧┤コ惦娏鞯挠绊憽?/p>

　　如圖4所示為設計的一種暗電流自動去除檢測電路。

　　振蕩電路產(chǎn)生50%占空比的方波，在低電平時關閉恒光功率驅動電路，激光管不發(fā)射激光，同時模擬開關接通到上端，此時PIN二極管未接收光，放大電路輸出PIN二極管暗電流信號，暗電流信號反向接入RC積分電路;在高電平時打開恒光功率驅動電流，激光管發(fā)射激光，同時模擬開關接通到下端，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。通過來回切換暗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)部結構圖，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。

　　基準電壓用于設定光輸出量的目標值，當基準電壓大于監(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，當監(jiān)測電壓增加到大于基準電壓時，正向電流減小，如此通過對光輸出量的負反饋控制實現(xiàn)恒定的光輸出。

5 結論

　　本設計通過暗電流自動消除技術和恒光功率控制技術實現(xiàn)的激光粉塵儀經(jīng)過安裝調(diào)試，在實際使用中檢測結果準確度高、重復性好、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。

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