基于真有效值檢測的顆粒物濃度傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及大氣中顆粒物質(zhì)量濃度的測量技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于真有效值檢測的顆粒物濃度傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]大氣顆粒物的質(zhì)量濃度是評價空氣質(zhì)量好壞的重要因素之一，它不僅嚴(yán)重影響能見度，還對人類的生產(chǎn)生活和身體健康有著極為嚴(yán)重的影響。在現(xiàn)代生活中，隨著人們對于空氣質(zhì)量要求的提高，人們需要了解所處環(huán)境的空氣質(zhì)量好壞，以便更好地安排各項(xiàng)生產(chǎn)生活活動；同時，空氣凈化器已經(jīng)成為許多家庭的標(biāo)配，為了減少能源浪費(fèi)，人們需要實(shí)時檢測空氣質(zhì)量以決定是否開啟空氣凈化器。以上這些，都需要一種快速準(zhǔn)確的檢測空氣質(zhì)量的手段。
[0003]顆粒物質(zhì)量濃度的檢測方法有:手工稱重法、β射線法、微量振蕩天平法和光散射法。手工稱重法檢測精度高，但是需要有專業(yè)的設(shè)備和人員，測量周期長，不適合連續(xù)測量；β射線法和微量振蕩天平法檢測精度較高，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)測量，但是儀器精密，價格昂貴，而且維護(hù)成本極高，不適用于家庭和一般公共場合；光散射法能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)測量，結(jié)構(gòu)簡單，成本很低，但是這種檢測方法檢測精度不高，尤其是受外界因素如氣溫、濕度以及內(nèi)部因素如激光器長時間運(yùn)行時功率波動的影響很大，運(yùn)行一段時間后就需要用專業(yè)的設(shè)備去校準(zhǔn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于維護(hù)、可靠性高的基于真有效值檢測的顆粒物濃度傳感器。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:
基于真有效值檢測的顆粒物濃度傳感器包括:穩(wěn)壓供電電路、氣泵、激光器、檢測殼、硅光二極管、信號轉(zhuǎn)換與濾波電路、真有效值檢測電路；
所述穩(wěn)壓供電電路，用于減小電源噪聲以及地電位的波動，為激光器、氣泵、檢測電路提供低紋波的直流電壓；
所述氣泵，用于產(chǎn)生穩(wěn)定的抽氣氣流；
所述激光器，用于產(chǎn)生穩(wěn)定的激光信號；
所述檢測殼，用于組裝并固定氣泵、金屬管、激光器和硅光二極管；
所述硅光二極管，用于散射光信號的檢測；
所述信號轉(zhuǎn)換與濾波電路，用于實(shí)現(xiàn)光電流到電壓的轉(zhuǎn)換，低頻直流信號的濾除；
所述真有效值檢測電路，用于將信號轉(zhuǎn)換與濾波電路得到的信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以便于將產(chǎn)生的散射光信號波動以等效的直流電壓輸出，并作為整個傳感器的輸出信號。
[0006]所述穩(wěn)壓供電電路用于為激光器、氣泵、信號轉(zhuǎn)換與濾波電路及真有效值檢測電路進(jìn)行供電。
[0007]所述激光器的供電由穩(wěn)壓芯片L7805C和TPS78633提供，交流電或直流電經(jīng)過這兩個芯片得到穩(wěn)定的3.3V直流；所述氣泵的供電由穩(wěn)壓芯片L7805C和TPS7A4501提供，TPS7A4501通過接一個5K滑動變阻器調(diào)節(jié)輸出直流電壓，直流電壓在0~5V之間變化；信號轉(zhuǎn)換與濾波電路以及真有效值檢測電路的供電由芯片L7805C提供+5V直流，由芯片AMSl 17-2.5提供+2.5V直流，由兩片負(fù)電壓芯片ICL7660分別提供-5V和-2.5V直流。
[0008]所述氣泵為美國HARGRAVES高效氣泵1C34N2，在單泵頭、3V供電情況下氣體流量為1.0升/分；
所述激光器的輸出功率為100mW，波長為548nm的激光器；所述娃光二極管為日本濱松公司的S2386-44K硅光二極管。
[0009]所述檢測殼由高性能塑料通過3D打印形成，在檢測殼的左側(cè)開有一個圓孔以安裝激光器，在檢測殼的頂部和底部均安裝有一根長30mm，內(nèi)徑1mm，外徑2mm的金屬管并形成氣路，上部的金屬管通過PU氣管與氣泵相連，在檢測殼的右側(cè)裝有光陷阱，以減小檢測殼內(nèi)激光的反射強(qiáng)度，在檢測殼中激光器與光陷阱連線順時針旋轉(zhuǎn)40°方向上開有一直徑1mm的小孔，孔內(nèi)安裝有高性能娃光二極管。
[0010]所述檢測殼內(nèi)部涂有低反射率涂料以進(jìn)一步降低激光器在檢測殼內(nèi)的反射光。
[0011]所述信號轉(zhuǎn)換與濾波電路包括電流-電壓轉(zhuǎn)換電路和RC高通濾波電路。
[0012]所述電流-電壓轉(zhuǎn)換電路主要由芯片LMP7721實(shí)現(xiàn)，硅光二極管輸出電流信號引腳與LMP7721芯片的IN-引腳連接，硅光二極管另一個引腳接地并與LMP7721芯片的IN+引腳相連，LMP7721芯片的IN-引腳連接一個100ΜΩ的金屬膜電阻后與LMP7721芯片的Vout引腳相連，金屬膜電阻兩側(cè)并聯(lián)一個1PF的聚四氟乙烯電容，以提高整個傳感器的動態(tài)性會K。
[0013]所述RC高通濾波電路中，電容的容量為0.01-0.1uF,串聯(lián)在真有效值檢測電路的輸入端與電流電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出端之間；電阻為1~10ΜΩ，連接在電容與地線之間。
[0014]所述真有效值檢測電路采用了 AD637J真有效值轉(zhuǎn)換芯片，其輸出真有效值最大總誤差為lmV，所述AD637J芯片的VIN引腳與RC高通濾波器輸出引腳相連，所述AD637J芯片的+VS引腳連接+5V電壓并通過一個0.1uF的電容接地以減小+5V電壓的紋波，所述AD637J芯片的-VS引腳連接-5V電壓并通過一個0.1uF的電容接地以減小-5V電壓的紋波，所述AD637J芯片的CS引腳連接一個4.7ΚΩ的電阻后連接+5V電壓，所述AD637J芯片的BUFF IN引腳分別與COMMON引腳和OUTPUT OFFSET引腳連接后接地，所述AD637J芯片的CAV引腳接一個33uF的鉭電容后分別與RMS OUT引腳和DEN INPUT引腳相連。
[0015]本發(fā)明的主要優(yōu)勢:結(jié)構(gòu)簡單，成本低，體積小，傳感器輸出信號對激光器輸出功率變化不敏感，傳感器輸出信號對溫度、濕度變化不敏感，可靠性高，傳感器對低濃度顆粒物(尤其當(dāng)顆粒物質(zhì)量濃度小于200ug/nT3)變化十分敏感，有效提高了低濃度時顆粒物質(zhì)量濃度的檢測精度。
【附圖說明】
[0016]利用附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但附圖中的實(shí)施例不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限制。
[0017]圖1是基于真有效值檢測的顆粒物濃度傳感器示意圖； 圖2是本發(fā)明的穩(wěn)壓供電電路圖；
圖3是本發(fā)明的檢測殼和氣泵、激光器、硅光二極管安裝示意圖；
圖4是本發(fā)明的信號轉(zhuǎn)換與濾波電路圖；
圖5是本發(fā)明的真有效值檢測電路圖；
圖6是本發(fā)明的信號處理過程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]實(shí)施例:
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例來對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用以說明本發(fā)明，但不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限制。
[0019]如圖1所示，基于真有效值檢測的顆粒物濃度傳感器主要由穩(wěn)壓供電電路、氣泵、激光器、檢測殼、硅光二極管、信號轉(zhuǎn)換與濾波電路、真有效值檢測電路組成。激光器、檢測殼、硅光二極管、信號轉(zhuǎn)換與濾波電路、真有效值檢測電路順次相連，穩(wěn)壓供電電路分別與激光器、氣泵、信號轉(zhuǎn)換與濾波電路、真有效值檢測電路相連，氣泵與檢測殼相連；
所述穩(wěn)壓供電電路，用于減小電源噪聲以及地電位的波動，為激光器、氣泵、檢測電路提供低紋波的直流電壓；所述氣泵，用于產(chǎn)生穩(wěn)定的抽氣氣流；所述激光器，用于產(chǎn)生穩(wěn)定的激光信號；所述檢測殼，用于組裝并固定氣泵、金屬管、激光器和硅光二極管；所述硅光二極管，用于散射光信號的檢測；所述信號轉(zhuǎn)換與濾波電路，用于實(shí)現(xiàn)光電流到電壓的轉(zhuǎn)換，低頻直流信號的濾除；所述真有效值檢測電路，用于將信號轉(zhuǎn)換與濾波電路得到的信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以便于將顆粒物通過檢測中心時產(chǎn)生的散射光信號波動以等效的直流電壓輸出，并作為整個傳感器的輸出信號；所述的檢測中心為激光器形成的激光束與金屬管所形成的氣路的交匯區(qū)域。
[0020]如圖2所示，所述穩(wěn)壓供電電路用于為激光器、氣泵、信號轉(zhuǎn)換與濾波電路及真有效值檢測電路進(jìn)行供電
所述激光器的供電由穩(wěn)壓芯片L7805C和TPS78633提供，交流電或直流電經(jīng)過這兩個芯片得到穩(wěn)定的3.3V直流；所述氣泵的供電由穩(wěn)壓芯片L7805C和TPS7A4501提供，TPS7A4501通過接一個5K滑動變阻器調(diào)節(jié)輸出直流電壓，直流電壓在0~5V之間變化；信號轉(zhuǎn)換與濾波電路以及真有效值檢測電路的供電由芯片L 7 8 O 5 C提供+ 5 V直流，由芯片AMSl 17-2.5提供+2.5V直流，由兩片負(fù)電壓芯片ICL7660分別提供-5V和-2.5V直流。
[0021]如圖3所示，為檢測殼和氣泵、激光器、硅光二極管安裝示意圖，所述氣泵為美國HARGRAVES高效氣泵1C34N2，在單泵頭、3V供電情況下氣體流量為1.0升/分。所述激光器是輸出功率為100mW，波長為548nm的激光器，該型號激光器可長時間連續(xù)工作，壽命超過10000小時。所述檢測殼由高性能塑料通過3D打印形成，在檢測殼的左側(cè)開有一個圓孔以安裝激光器，在檢測殼的頂部和底部均安裝有一根長30mm，內(nèi)徑1mm，外徑2mm的金屬管并形成氣路，上部的金屬管通過PU氣管與氣泵相連，在檢測殼的右側(cè)裝有光陷阱，以減小檢測殼內(nèi)激光的反射強(qiáng)度，在檢測殼中激光器與光陷阱連線順時針旋轉(zhuǎn)40°方向上開有一直徑1mm的小孔，孔內(nèi)安裝有高性能硅光二極管。所述檢測殼內(nèi)部涂有低反射率涂料以進(jìn)一步降低激光器在檢測殼內(nèi)的反射光。所述硅光二