專利名稱：一種粉塵濃度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種空氣潔凈度檢測(cè)設(shè)備，具體涉及一種粉塵濃度傳感器。
背景技術(shù)：
目前對(duì)于粉塵濃度的測(cè)量，主要有以下幾種方式一種采用粉塵采樣器，利用濾膜 計(jì)重法原理抽取一定體積的含塵空氣，粉塵被捕集在濾膜上，根據(jù)濾膜上增加的粉塵質(zhì) 量，再利用公式計(jì)算出單位體積空氣中粉塵質(zhì)量濃度。這種方式不僅不便于操作，而且不能 連續(xù)測(cè)量。一種是直讀式測(cè)塵儀，主要利用間接方法如光散射、β源吸收等原理，利用采樣 器進(jìn)行標(biāo)定，可即時(shí)顯示測(cè)量出的粉塵濃度值來，但工作時(shí)間短，測(cè)量次數(shù)有限，不能夠?qū)?粉塵連續(xù)監(jiān)測(cè)，只能作為常規(guī)便攜式測(cè)塵儀使用?，F(xiàn)在開發(fā)出一種可連續(xù)檢測(cè)直讀式粉塵濃度傳感器可連續(xù)檢測(cè)粉塵濃度。專利號(hào)為“CN200620125097.X”，專利名稱為“粉塵濃度傳感器”的中國(guó)專利公開 了 “一種對(duì)粉塵濃度進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)并即時(shí)顯示粉塵濃度值，同時(shí)轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)輸 出的傳感器。結(jié)構(gòu)由外殼、粉塵采樣頭、粉塵室、風(fēng)機(jī)、光電接收裝置組成；” “光電接收裝 置包括光源座、光源架、光源密封套、光電倍增管”。該專利公開的粉塵濃度傳感器能夠?qū)崿F(xiàn) 在粉塵環(huán)境下的連續(xù)工作，但是因其使用光電倍增管，使用時(shí)需要提供較高的電壓，這在粉 塵作業(yè)場(chǎng)所構(gòu)成了安全隱患。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)，提供一種無需光電倍增管，穩(wěn)定靈 敏度高，且結(jié)構(gòu)合理小巧的粉末濃度傳感器。本發(fā)明的一種粉末濃度傳感器，包括采樣單元、光電轉(zhuǎn)換單元、信號(hào)放大單元，處 理單元，所述采樣單元，將外界含塵空氣抽入所述傳感器內(nèi)部，并經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換單元；光電轉(zhuǎn)換單元，提供一光源，照射經(jīng)過的含塵空氣，并產(chǎn)生散射光，將所述散射光 轉(zhuǎn)換為電壓輸出信號(hào)，并輸出所述電壓信號(hào)到信號(hào)放大單元；所述光電轉(zhuǎn)換單元包括一個(gè) 發(fā)出激光光束的半導(dǎo)體激光光源，在該激光光源發(fā)出光束的前進(jìn)方向上，依次設(shè)有入射光 通道、光照區(qū)、出射光通道、光陷阱；經(jīng)過光照區(qū)且與光路垂直方向上設(shè)有球面反射鏡、半導(dǎo) 體光探測(cè)器，球面反射鏡和光探測(cè)器分別在光照區(qū)的兩邊；所述進(jìn)氣接管和出氣接管對(duì)稱 分布在光照區(qū)的兩側(cè)，進(jìn)氣接管在光照區(qū)的上端，出氣接管在光照區(qū)的下端，所述進(jìn)氣接管 的管徑小于出氣接管的管徑；所述進(jìn)氣接管的管孔呈偏平狀；信號(hào)放大單元，與光電轉(zhuǎn)換單元中的半導(dǎo)體光探測(cè)器相連，將接收到的電信號(hào)進(jìn) 行處理放大并輸出。處理單元，與信號(hào)放大單元連接，基于信號(hào)放大單元輸出的電壓信號(hào)、以及預(yù)存的 電壓信號(hào)與粉末濃度的比例關(guān)系計(jì)算粉末濃度。在本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述采樣系統(tǒng)包括采樣口、進(jìn)氣管、排氣管、排氣口，所述采樣口連接進(jìn)氣管，進(jìn)氣管穿過所述光電轉(zhuǎn)換單元連接采樣泵入口，采樣泵出口連接 排氣管，排氣管連接排氣口。在本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述光電轉(zhuǎn)換單元設(shè)有一與外界相通的腔體，該腔 體用于容納球面反光鏡，便于球面反射鏡的拆卸。在本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述激光光源的功率為2-3. 5毫瓦。在本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述光陷阱內(nèi)壁為黑色。 在本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述半導(dǎo)體光電探測(cè)器為高敏感度的光電二極管。在本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述信號(hào)放大單元包括微分放大電路、信號(hào)檢出電 路、積分與輸出電路；所述微分放大電路，與光電轉(zhuǎn)換單元中的半導(dǎo)體光探測(cè)器電性連接，該微分放大 電路對(duì)輸入的電信號(hào)進(jìn)行微分、放大；所述信號(hào)檢出電路，與該微分放大電路電性連接，該信號(hào)檢出電路對(duì)經(jīng)微分放大 電路微分、放大后的電信號(hào)進(jìn)行取樣檢出；所述積分與輸出電路，與該信號(hào)檢出電路電性連接，該積分與輸出電路從信號(hào)檢 出電路接收取樣檢出的結(jié)果，并對(duì)該結(jié)果進(jìn)行積分，并轉(zhuǎn)換為隨粉塵濃度大小變化的直流 信號(hào)，再將該直流信號(hào)傳輸至該處理器。在本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述微分放大電路包括運(yùn)算放大器、電容及電阻，該 微分放大電路對(duì)從光電轉(zhuǎn)換單元接收的由粉塵光信號(hào)轉(zhuǎn)換而來的電信號(hào)進(jìn)行微分、放大， 將該粉塵光信號(hào)按大小和形狀的不同轉(zhuǎn)換為幅度、寬度不同的電信號(hào)。 在本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該信號(hào)檢出電路包括一高頻二極管。在本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該積分與輸出電路包括放大器、電阻、電容，其中，該 電阻及電容構(gòu)成一時(shí)間常數(shù)電路。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)方案相比其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)合理，測(cè)量穩(wěn)定性好，靈敏度精度高， 易維護(hù)。


圖1為本發(fā)明的一種實(shí)施例內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1的右視示意圖；圖3為圖1的左視示意圖；圖4為光電轉(zhuǎn)化單元的一種結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為圖4俯視剖視圖；圖6為現(xiàn)有技術(shù)中進(jìn)氣接管的截面圖；圖7為本實(shí)施例中進(jìn)氣接管的截面圖；圖8為本發(fā)明信號(hào)放大單元的功能方框圖。其中，1為機(jī)殼；2為信號(hào)處理單元；3為絕緣固定板；4為進(jìn)氣管；5為采樣口；6為 光電轉(zhuǎn)換單元；7為信號(hào)放大單元；8為排氣口 ；9為懸掛把手；10為接口 ；11為采樣泵；12 為排氣管；61為激光光源；62為光電轉(zhuǎn)化單元總安裝座；63為進(jìn)氣接管；64為出氣接管；65 為光電探測(cè)器；66為光源安裝座；68為球面反射鏡；621為出射光路；622為入射光路；623 為光陷阱；631為管孔；632為管壁；71為微分放大電路；72為信號(hào)檢出電路；73為積分與輸出電路；74為電路板；75為電路安裝座。
具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征能 更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍做出更為清楚明確的界定。如圖1結(jié)合圖2、圖3所示，本實(shí)施例的傳感器包括機(jī)殼1、信號(hào)處理單元2、絕緣固 定板3、進(jìn)氣管4、采樣口 5、光電轉(zhuǎn)換單元6、信號(hào)放大單元7，排氣口 8、懸掛把手10、采樣泵 11、排氣管12。采樣口 5在機(jī)殼1的左側(cè)上端，連接進(jìn)氣管4，進(jìn)氣管4穿過光電轉(zhuǎn)化單元 6連接采樣泵入口，采樣泵出口再連接排氣管12，排氣口 8在機(jī)殼1的底部，光電轉(zhuǎn)換單元 6連接信號(hào)放大單元7，信號(hào)放大單元7再連接信號(hào)處理單元2。采樣口 5、進(jìn)氣管4、采樣 泵11、排氣管12、排氣口 8組成采樣系統(tǒng)單元。絕緣固定板3將機(jī)殼內(nèi)空間分成前后兩個(gè) 空間，采樣系統(tǒng)單元和光電轉(zhuǎn)換單元6排布固定在絕緣固定板上，位于機(jī)殼的后面的空間， 信號(hào)處理單元2固定在絕緣固定板的另一面，位于機(jī)殼的前面的空間。機(jī)殼上端裝有懸掛 把手9，可將本實(shí)施例的傳感器懸掛在高處使用。如圖4結(jié)合圖5所示，總安裝座62為一長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，中間有一圓形空間作為光照 區(qū)，激光光源61安裝在總安裝座62的左端安裝孔中，通過安裝座67固定在總安裝座上，可 通過螺釘連接?？偘惭b座62右端安裝孔中有一黑色物體將安裝孔的開口封閉，形成光陷 阱?？偘惭b座62上端孔中接有進(jìn)氣接管63，下端孔中接有出氣接管64，所述進(jìn)氣接管63、 出氣接管64都向內(nèi)延伸入光照區(qū)域?？偘惭b座62前端安裝孔中安裝有球面反射鏡68，后 端安裝孔中安裝有光電探測(cè)器65，光電探測(cè)器65和信號(hào)放大單元7連接。電路板74通過 電路安裝座75固定連接在總安裝座62的后面。如圖6所示，含塵空氣在采樣泵11的作用下，旋轉(zhuǎn)著進(jìn)入進(jìn)氣管道，現(xiàn)有技術(shù)中的 進(jìn)氣接管63的管孔631呈圓形，因而使得塵埃顆粒在管腔中心分布比較密，外圍分布比較 稀松，這樣分布不均勻，會(huì)影響測(cè)量精度，同時(shí)當(dāng)粉塵濃度達(dá)到一定程度時(shí)，因管腔中心粉 塵密度過密，使得無法繼續(xù)測(cè)量，因而量程范圍小。如圖7所示，本實(shí)施例的進(jìn)氣接管63的管孔631呈扁平狀，可使塵埃顆粒在管壁 中撞擊，對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)制整形，改變其分布規(guī)律，使塵埃顆粒分布均勻，從而提高測(cè)量精度，同 時(shí)提高量程范圍。光陷阱623的內(nèi)壁都為黑色，可吸收光，無反射，不會(huì)產(chǎn)生干擾。出氣接管64的管徑大于進(jìn)氣接管63的管徑，形成近似漏斗形，從而減少含塵空氣 中的塵埃顆粒在光照區(qū)中推積，進(jìn)而可減少維護(hù)次數(shù)。球面反射鏡68為可拆卸安裝，這樣方便將球面反射鏡拆下清潔，本實(shí)施例是用黑 色膠布將其固定在總安裝座的安裝孔中，也可使用其它可拆卸得安裝方式。光電探測(cè)器65可選用高敏感度的光電二極管。激光光源61可選用功率為2-3. 5毫瓦的。本實(shí)施例的傳感器的工作分成兩個(gè)部分一是采樣部分啟動(dòng)采樣泵11，將外界含塵空氣從采氣口抽入進(jìn)氣管，進(jìn)氣管連 接進(jìn)氣接管63，進(jìn)入光電轉(zhuǎn)化單元6，在從出氣接管64排出光電轉(zhuǎn)化單元6進(jìn)入采樣泵11， 采樣泵11的出口連接排氣管12將空氣從排氣口 8排出傳感器。
二是檢測(cè)部分含塵空氣從進(jìn)氣接管63進(jìn)入，經(jīng)過光照區(qū)，在出氣接管64排出。激 光光源61從入射光路622進(jìn)入，經(jīng)過光照區(qū)，從出射光路621進(jìn)入光陷阱623。當(dāng)光在光照 區(qū)照射到含塵空氣中的塵埃顆粒時(shí)，會(huì)發(fā)生折射，一部分折射光會(huì)直接折射進(jìn)入光探測(cè)器 65的光敏區(qū)，另一部分會(huì)折射到球面反射鏡68上，再由鏡面反射鏡68將折射光折射進(jìn)入光 探測(cè)器65的 光敏區(qū)，光探測(cè)器將接收的光信號(hào)裝換為電壓信號(hào)傳輸?shù)叫盘?hào)放大單元7。信 號(hào)放大單元7將放大后的電壓信號(hào)輸入到信號(hào)處理單元2進(jìn)行處理。如圖8所示，所述信號(hào)放大單元7包括微分放大電路71、信號(hào)檢出電路72、積分與 輸出電路73，所述信號(hào)放大單元其一端連接光電轉(zhuǎn)換單元6，另一端連接至信號(hào)處理單元 2。其中，微分放大電路71包括運(yùn)算放大器、電容、電阻等元件，微分放大電路71穩(wěn)定性高， 其放大倍數(shù)高達(dá)十萬倍，而不會(huì)自激。微分放大電路71從光電轉(zhuǎn)換單元6接收到從空氣中 粉塵感測(cè)到的粉塵電信號(hào)，并對(duì)此電信號(hào)進(jìn)行微分、放大，進(jìn)而將檢測(cè)到的粉塵光信號(hào)按大 小和形狀的不同，轉(zhuǎn)換為幅度、寬度不同的電信號(hào)。信號(hào)檢出電路72包括一個(gè)高頻二極管D，該高頻二極管D的敏感度可達(dá)0. 2V，即 檢測(cè)到0.2V及以上的電壓信號(hào)即可導(dǎo)，可采集到微小的粉塵信號(hào)。該信號(hào)檢出電路72對(duì) 經(jīng)微分放大電路71處理后的電信號(hào)進(jìn)行取樣檢出，并輸出到積分與輸出電路73。積分與輸出電路73包括放大器、電阻、電容等元件，其中，電阻及電容用于構(gòu)成積 分電路的時(shí)間常數(shù)電路。該積分與輸出電路73對(duì)從信號(hào)檢出電路72輸出的電信號(hào)進(jìn)行積 分以還原探測(cè)到的粉塵光信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為隨粉塵濃度大小變化的直流信號(hào)。之后，該積分與 輸出電路73將此直流信號(hào)輸出至信號(hào)處理單元2進(jìn)行處理，以統(tǒng)計(jì)空氣中粉塵含量。其中， 信號(hào)處理單元2包括中央處理器(center processing unit, CPU)或是計(jì)算機(jī)。本發(fā)明的信號(hào)放大單元7采用了穩(wěn)定性高的微分放大電路71，該微分放大電路71 能做到把信號(hào)放大數(shù)十萬倍，而不會(huì)自激，減少了電路放大級(jí)數(shù)，從而克服了直流放大器的 零點(diǎn)漂移問題，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性。同時(shí)，可方便地采集到微小的粉塵信號(hào)，大大提高了 探測(cè)的精確度和靈敏度。根據(jù)微分放大的原理，該粉塵探測(cè)系統(tǒng)能把檢測(cè)到的粉塵光信號(hào) 按大小和形狀的不同轉(zhuǎn)變?yōu)榉?、寬度不同的電信?hào)，經(jīng)過檢出電路、積分電路，直接轉(zhuǎn)為 隨粉塵濃度大小變化的直流信號(hào)，以供處理器統(tǒng)計(jì)使用。本發(fā)明穩(wěn)定性強(qiáng)、測(cè)量精度高，可 廣泛應(yīng)用于水泥廠、煤廠等含有粉塵的工業(yè)部門。以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何 熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可不經(jīng)過創(chuàng)造性勞動(dòng)想到的變化或 替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書所限 定的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種粉末濃度傳感器，包括采樣單元、光電轉(zhuǎn)換單元、信號(hào)放大單元，處理單元，其特征在于所述采樣單元，將外界含塵空氣抽入所述傳感器內(nèi)部，并經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換單元；光電轉(zhuǎn)換單元，提供一光源，照射經(jīng)過的含塵空氣，并產(chǎn)生散射光，將所述散射光轉(zhuǎn)換為電壓輸出信號(hào)，并輸出所述電壓信號(hào)到信號(hào)放大單元；所述光電轉(zhuǎn)換單元包括一個(gè)發(fā)出激光光束的半導(dǎo)體激光光源，在該激光光源發(fā)出光束的前進(jìn)方向上，依次設(shè)有入射光通道、光照區(qū)、出射光通道、光陷阱；經(jīng)過光照區(qū)且與光路垂直方向上設(shè)有球面反射鏡、半導(dǎo)體光探測(cè)器，球面反射鏡和光探測(cè)器分別在光照區(qū)的兩邊；所述進(jìn)氣接管和出氣接管對(duì)稱分布在光照區(qū)的兩側(cè)，進(jìn)氣接管在光照區(qū)的上端，出氣接管在光照區(qū)的下端，所述進(jìn)氣接管的管徑小于出氣接管的管徑；所述進(jìn)氣接管的管孔呈偏平狀；信號(hào)放大單元，與光電轉(zhuǎn)化單元中的半導(dǎo)體光探測(cè)器相連，將接收到的電信號(hào)進(jìn)行處理放大并輸出；處理單元，與信號(hào)放大單元連接，基于信號(hào)放大單元輸出的電壓信號(hào)、以及預(yù)存的電壓信號(hào)與粉末濃度的比例關(guān)系計(jì)算粉末濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種粉末濃度傳感器，其特征在于所述采樣系統(tǒng)包括采樣 口、進(jìn)氣管、排氣管、排氣口，所述采樣口連接進(jìn)氣管，進(jìn)氣管穿過所述光電轉(zhuǎn)換單元連接采 樣泵入口，采樣泵出口連接排氣管，排氣管連接排氣口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種粉末濃度傳感器，其特征在于所述光電轉(zhuǎn)換單元設(shè)有 一與外界相通的腔體，該腔體用于容納球面反光鏡，便于球面反射鏡的拆卸。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種粉末濃度傳感器，其特征在于所述激光光源的功率為 2-3. 5毫瓦。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種粉末濃度傳感器，其特征在于所述光陷阱內(nèi)壁為黑色。
6.根據(jù)權(quán)利要求3至5之一所述的一種光粉末濃度傳感器，其特征在于所述半導(dǎo)體 光電探測(cè)器為高敏感度的光電二極管。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種粉末濃度傳感器，其特征在于所述信號(hào)放大單元包括 微分放大電路、信號(hào)檢出電路、積分與輸出電路；所述微分放大電路，與光電轉(zhuǎn)換單元中的半導(dǎo)體光探測(cè)器電性連接，該微分放大電路 對(duì)輸入的電信號(hào)進(jìn)行微分、放大；所述信號(hào)檢出電路，與該微分放大電路電性連接，該信號(hào)檢出電路對(duì)經(jīng)微分放大電路 微分、放大后的電信號(hào)進(jìn)行取樣檢出；所述積分與輸出電路，與該信號(hào)檢出電路電性連接，該積分與輸出電路從信號(hào)檢出電 路接收取樣檢出的結(jié)果，并對(duì)該結(jié)果進(jìn)行積分，并轉(zhuǎn)換為隨粉塵濃度大小變化的直流信號(hào)， 再將該直流信號(hào)傳輸至該處理器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種粉末濃度傳感器，其特征在于所述微分放大電路包括 運(yùn)算放大器、電容及電阻，該微分放大電路對(duì)從光電轉(zhuǎn)換單元接收的由粉塵光信號(hào)轉(zhuǎn)換而 來的電信號(hào)進(jìn)行微分、放大，將該粉塵光信號(hào)按大小和形狀的不同轉(zhuǎn)換為幅度、寬度不同的 電信號(hào)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的粉塵探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，該信號(hào)檢出電路包括一高頻二極管。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的粉塵探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，該積分與輸出電路包括放大 器、電阻、電容，其中，該電阻及電容構(gòu)成一時(shí)間常數(shù)電路。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種粉末濃度傳感器，采樣單元，將外界含塵空氣抽入所述傳感器內(nèi)部，并經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換單元；光電轉(zhuǎn)換單元，提供一光源，照射經(jīng)過的含塵空氣，并產(chǎn)生散射光，將所述散射光轉(zhuǎn)換為電壓輸出信號(hào)，并輸出所述電壓信號(hào)到信號(hào)放大單元；信號(hào)放大單元，與半導(dǎo)體光探測(cè)器相連，將接收到的信號(hào)進(jìn)行處理放大并輸出；處理單元，與信號(hào)放大單元連接，基于信號(hào)放大單元輸出的電壓信號(hào)、以及預(yù)存的電壓信號(hào)與粉末濃度的比例關(guān)系計(jì)算粉末濃度。本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理，測(cè)量穩(wěn)定性好，靈敏度精度高，易維護(hù)。
文檔編號(hào)G01N21/53GK101968426SQ20101029409
公開日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2010年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月27日
發(fā)明者范人杰 申請(qǐng)人:常熟市礦山機(jī)電器材有限公司