专利名称：一种粉尘浓度传感器及其测量粉尘浓度的方法
技术领域：
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种粉尘浓度传感器及其测量粉 尘浓度的方法。
背景技术：
粉尘釆集器可以用于测量粉尘浓度。测量过程包括粉尘采集器抽取一 定体积的含尘空气，将粉尘过滤在滤膜上，通过滤膜增重的值计算出粉尘的 浓度。这种测量方式不仅不便于操作，而且不能连续测量。采样器对采集到的含尘空气进行标定，直读式粉尘测试仪利用光散射或 者(3源吸收等原理对标定后的含尘空气进行检测，可即时得到当前的粉尘浓 度，但是测量次数有限，不能对粉尘浓度连续检测。连续检测直读式粉尘浓度传感器可以连续检测粉尘浓度。测量过程包括 连续检测直读式粉尘浓度传感器内部的电机带动叶片转动，进而将含尘空气 吸入其暗室，使用自身携带的光源照射含尘空气中的粉尘，粉尘产生的散射 光被转换为电信号输出，供安全检测系统使用。但是，连续检测直读式粉尘浓度传感器在进行光电转换时常常需要为其 提供100v以上的高压，这在粉尘作业场所构成了安全隐患。发明内容有鉴于此，本发明实施例提供了 一种粉尘浓度传感器及其测量粉尘浓度 的方法，在进行光电转换时无需高压，进而消除安全隐患。一种粉尘浓度传感器，所述粉尘浓度传感器包括风机、导流装置、气室、光源、光电二极管以及单片机；所述风机，使所述气室产生负压；所述导流装置，在所述气室产生负压时，将含尘空气吸入所述气室； 所述光源，为所述气室中含尘空气的粉尘提供光照，以产生散射光； 所述光电二极管，将所述散射光转化为电压信号，并输出所述电压信号；所述单片机，根据所述光电二极管输出的电压信号、以及预存的电压信 号与粉尘浓度比例关系计算粉尘浓度。可选地，其特征在于，所述^)^分尘浓度传感器还包括光电延长管，加高所述光电二极管，以避免所述光电二极管接触所述粉尘。可选地，所述粉尘浓度传感器还包括 光电底座，放置聚光透镜；所述聚光透镜，增大所述光电二极管的感光面积。优选地，所述导流装置包括尖嘴，吸入所述含尘空气；喇p八嘴，所述含尘空气送入所述气室；采集端盖，连接所述尖嘴与所述喇p八嘴；具有至少一个进气孔的阻光器，阻挡外界光线进入所述气室，并使所述 含尘空气通过。可选地，其特征在于，所述粉尘浓度传感器还包括光源灯罩，固定所述光源。优选地，所述气室采用直筒式结构，以降低所述气室中的负压压降。 优选地，所述气室内壁为黑色，以避免所述气室内壁产生反射光。 可选地，所述粉尘浓度传感器还包括报警单元，当所述粉尘浓度传感器测量出的粉尘浓度大于预置值时，发 出警报。可选地，所述粉尘浓度传感器还包括RS485输入输出接口 ，使所述粉尘浓度传感器接入各种煤矿监控系统。 可选地，所述粉尘浓度传感器还包括频率输出接口 ，使所述粉尘浓度传感器通过频率信号接入各种煤矿监控 系统。可选地，所述粉尘浓度传感器还包括红外遥控输入单元，接收遥控器的指令，使所述单片机根据所述指令执 行操作。可选地，所述粉尘浓度传感器还包括程控放大电路，放大所述光电二极管输出的电压信号，并将放大后的电 压信号输出给单片机；所述单片机，根据放大后的电压信号、以及预存的电压信号与粉尘浓度 比例关系计算粉尘浓度。一种粉尘浓度传感器测量粉尘浓度的方法，所述方法包括启动风机使气室产生负压；在所述负压的作用下，通过导流装置将含尘空气吸入所述气室；光源照射所述气室中的含尘空气，以产生散射光；光电二极管将所述散射光转化为电压信号并输出；单片机根据所述光电二极管输出的电压信号、以及预存的电压信号与粉 尘浓度比例关系计算粉尘浓度。优选地，所述光电二极管将所述散射光转化为电压信号并输出包括光电二极管将所述散射光转化为电压信号，并将所述电压信号输出给程 控放大电路，以使所述程控放大电路放大所述电压信号；所述单片机根据所述光电二极管输出的电压信号、以及预存的电压信号 与粉尘浓度比例关系计算粉尘浓度包括所述单片机根据放大了的电压信号、以及预存的电压信号与粉尘浓度比 例关系计算粉尘浓度。可以看出，粉尘浓度传感器在工作期间，由光电二极管进行光电转换， 由于光电二极管可以通过增大负反馈电阻获得较大的电压，进而获得倍增效 果，因此，本发明实施例提供的粉尘浓度传感器在光电转换期间，无需再为 其提供高压，从而消除了安全隐患。
图1为本发明实施例一冲是供的一种粉尘浓度传感器结构示意图；图2为本发明实施例二提供的另一种粉尘浓度传感器结构示意图； 图3为本发明实施例二中粉尘浓度传感器的电路结构示意图； 图4为本发明实施例三提供的另一种粉尘浓度传感器结构示意图； 图5为本发明实施例四提供的一种测量方法流程图； 图6为本发明实施例五^是供的另 一种测量方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明实施例的上述特征、优点更加明显易懂，下面结合具体实 施方式以及说明书附图进行详细说明。首先，需要指出的是，本发明实施例的发明人对当前的连续检测直读式 粉尘浓度传感器进行了研究，发现其在光电转换时需要高压的原因在于利 用了光电倍增管实现光电转换。光电倍增管利用二次电子发射使逸出的光电 子倍增，获得较高的灵敏度，能测量微弱的光信号。光电倍增管在光电转换 时可以获得微弱的电流，因此，在光电倍增管进行光电转换时，需要为其提 供高压以使二次电子发射反复进行，进而达到倍增效果，获得较大的电流。本发明实施例的发明人经过反复试验，最终确定可以以光电二极管代替 光电倍增管进行光电转换，且可以获得所需的光电转换倍率。光电二极管输 出的是电压信号，将光信号转化为电流后，通过增大负反馈电阻可以获得较 大的电压，因此，无需给光电二极管高压即可获得倍增效果。下面对本发明实施例提供的粉尘浓度传感器进行详细说明。请参考图1，为本发明实施例一提供的一种粉尘浓度传感器结构示意图，可以包括风机101、导流装置102、气室103、光源104、光电二极管105以及单 片才几106;风机101用于使气室103产生负压；导流装置102用于在气室103产生负压时，将含尘空气吸入气室103; 光源104用于为气室103中含尘空气的粉尘提供光照，以产生散射光； 光电二极管105用于将接收的散射光转化为电压信号，并将电压信号输出；单片机106,用于根据光电二极管105输出的电压信号、以及预存的电压 信号与粉尘浓度比例关系计算粉尘浓度。可以看出，粉尘浓度传感器在工作期间，由光电二极管105进行光电转 换，由于光电二极管105可以通过增大负反^t电阻获得较大的电压，进而获 得倍增效果，因此，本发明实施例提供的粉尘浓度传感器在光电转换期间， 无需再为其提供高压，从而消除了安全隐患。下面结合更加具体的实施例对本发明实施例提供的粉尘浓度传感器进行 说明。请参考图2，为本发明实施例二提供的另一种粉尘浓度传感器结构示意 图，可以包括风机201、导流装置202、气室203、光源204以及光电釆集装置205;风机201与导流装置202分别位于气室203的两端，光源204位于气室 203内且与导流装置202位于一侧，光电采集装置205在气室203外侧与气室 203相通，且位于风才几201与导流装置202之间。风机201启动后，气室203中产生负压，含尘空气经导流装置202被吸 入气室203，光源204发出垂直于风机的出射光，由于含尘空气中4分尘的存在， 光源204的出射光在气室203内产生散射光，光电采集装置205采集散射光， 并利用其中包含的光电二极管将光信号转化为电压信号，电压信号通过程控 放大电路进入单片机，单片机利用预存的电压信号与粉尘浓度比例关系计算出当前的粉尘浓度。单片机中预存的电信号与粉尘浓度比例关系是通过实验得到的。例如假设预存的电压信号与粉尘浓度比例关系是100mg/m3/v，单 片机接收到的电压信号是lv，则粉尘浓度通过下式计算lv x 100mg/m3/v= 1 OOmg/m3 。可选地，还可以包括光源灯罩，用于固定光源204。本发明实施例提供的粉尘浓度传感器可以应用于煤矿等含尘作业场景， 下面仅以应用于煤矿场景为例进行说明。应用于煤矿场景时，本发明实施例 提供的粉尘浓度传感器的电源是本安电源。请参考图3，为本发明实施例二中粉尘浓度传感器的电路结构示意图，可 以包括本安电源301，用于为本发明实施例提供的粉尘浓度传感器供电，包括 为单片机电源302供电，为光电二极管电源303供电，为电机电源304供电；单片机电源302,用于为单片机供电；光电二极管电源303,用于为光电二极管供电；电才几电源304:用于为电才几供电；单片机305,用于预存电压信号与粉尘浓度比例关系，并利用该比例关系 计算当前的粉尘浓度；LED显示器306,用于显示粉尘浓度以及其它功能模块；RS485输入输出接口 307,用于使本发明实施例提供的粉尘浓度传感器接 入各种煤矿监控系统；频率输出接口 308,用于使本发明实施例提供的粉尘浓度传感器通过频率 信号接入各种煤矿监控系统；报警单元309，用于当本发明实施例提供的粉尘浓度传感器测量出的粉尘 浓度大于预置值时，发出警报，该警报可以是鸣音，并显示在LED显示器306 上；红外遥控器输入单元310,用于接收遥控器的指令，使单片机305根据指令执行操作；光电釆集装置311，用于采集气室中的散射光并进行光电转换，将电压信号输出给程控放大电路；程控放大电路312，用于将接收到的电压信号放大，并输出给单片机305。 请参考图4,为本发明实施例三提供的另一种粉尘浓度传感器结构示意图，在图4中，使用激光灯l作为光源。图4所示的部件可以包括外壳18、粉尘气室16、光电采集装置401、微型风扇17、导流装置402、 以及激光灯1;其中，粉尘气室16、光电采集装置401、微型风扇17、导流装置402的 一部分以及激光灯1位于外壳18内，导流装置402与纟鼓型风扇17分别位于 粉尘气室16的两端，激光灯1与导流装置402位于一侧，可以发出垂直于微 型风扇17的出射光，光电采集装置401位于粉尘气室16的外侧与粉尘气室 16相通，且位于粉尘气室16的中前部。微型风扇17启动后，含尘空气通过导流装置402被吸进粉尘气室16,激 光灯1发出垂直于微型风扇17的出射光，由于粉尘气室16内的含尘空气具 有粉尘，激光灯l发出的出射光在粉尘气室16内发生散射，光电采集装置401 釆集散射光，并将散射光转化为电压信号输出。在图4中，光电采集装置401可以包括以下部件光电片座8、光电底座 9、光电延长管10、聚光透镜7以及光电二极管电路板6。光电延长管10安 装在粉尘气室16的一侧，用于加高光电采集装置401的其它部件，以避免其 它部件接触粉尘。光电底座9安装在光电延长管IO上面，用于放置聚光透镜 7。光电片座8位于光电底座9上，用于安装光电二极管电路板6。光电二极 管电路板6安装在光电片座8上，用于将散射光转换为电信号。聚光透镜7 位于光电片座8与光电底座9之间，用于增大光电二极管电路板6上光电二 极管的感光面积。需要指出的是，本发明实施例采用的光电二^L管所需的工 作电压《叉为3v至5v。图4中的导流装置402可以包括以下部件尖嘴ll、采 端盖12、阻光 器13、喇p八嘴14。尖嘴11位于粉尘浓度传感器的最前端，安装在采集端盖12上，用于吸入含尘空气。采集端盖12安装在喇叭嘴14上，用于连接尖嘴11与喇叭嘴14。喇叭嘴14安装在^^分尘气室16的一端，宽口部分,人外壳18 伸出，用于将含尘空气送入粉尘气室16。阻光器13安装在喇叭嘴14内部， 且平行于采集端盖12，用于阻挡外界光线进入粉尘气室16,且阻光器13还 用于作为激光灯l的底座。阻光器13上有至少一个进气孔，这些进气孔用于 使喇叭嘴14内的含尘空气进入气室，需要指出的是，进气孔在阻光器13上 的位置要避免外界光线进入粉尘气室16。激光灯1安装在阻光器13上，用于当粉尘气室16进入含尘空气时，发 出射向微型风扇17的出射光。可选地，激光灯罩15包裹在激光灯的外围， 用于固定激光灯15。优选地，粉尘气室16釆用直筒式结构，最大限度地降低了气流的负压压 降，进而降低了对微型风扇17的要求。且粉尘气室16内壁为黑色，黑色的 内壁可以吸收激光灯1发出的光，避免反射光，使光电采集装置401采集的 光均为粉尘的散射光，提高测量精确度。此外，图4中还包括o型圏2，用于密封采集端盖12和喇叭嘴14;橡胶垫圈3,用于密封喇叭嘴14和外壳18;螺母4以及螺栓5 ，用于配合使用以固定喇叭嘴14和外壳18 。本发明实施例提供的粉尘浓度传感器具有以下有益效果(1 )工作电压为3v至5v的光电二极管消除了安全隐患，而且不易石皮碎， 价格低廉，降低了粉尘浓度传感器的成本；(2 )通过改变程控放大电路的放大倍数可以为本发明实施例提供的粉尘 浓度传感器配置合适的量程，且本发明实施例提供的粉尘浓度传感器具有较 大的测量范围，具体可以是0mg/m3 1000mg/m3;(3)兼容性强，通过RS485输入输出接口可以利用各种煤矿监控系统通统；施例提供的粉尘浓度传感器的电流以及电压，使其可以应用于含有瓦斯或者煤尘爆炸危险的矿井下；(5) 由于应用了直筒式结构粉尘气室，本发明实施例提供的粉尘浓度传 感器内部不易积尘；(6) 用户可以自行拆卸微型风扇17,使用方便；(7) 本发明实施例提供的粉尘浓度传感器所有部件经过精确计算，结构紧凑。请参考图5，为本发明实施例四提供的一种测量方法流程图，可以包括以 下步骤步骤501:启动风机使气室产生负压；步骤502:在负压的作用下，通过导流装置将含尘空气吸入气室；步骤503:光源照射气室中的含尘空气，以产生散射光；步骤504:光电二极管将散射光转化为电压信号并输出；步骤505:单片机根据光电二极管输出的电压信号、以及预存的电压信号 与粉尘浓度比例关系计算粉尘浓度。可以看出，粉尘浓度传感器在工作期间，由光电二极管进行光电转换， 由于光电二极管可以通过增大负反馈电阻获得较大的电压，进而获得倍增效 果，因此，本发明实施例提供的粉尘浓度传感器在光电转换期间，无需再为 其提供高压，从而消除了安全隐患。请参考图6，为本发明实施例五提供的另一种测量方法流程图，与图5所 示步骤的不同之处在于由程控放大电路接收光电二极管输出的电压信号， 对电压信号进行放大，再输出给单片机。图6可以包括以下步骤步骤601:启动风机使气室产生负压；步骤602:在负压的作用下，通过导流装置将含尘空气吸入气室； 步骤603:光源照射气室中的含尘空气，以产生散射光； 步骤604:光电二极管将散射光转化为电压信号并输出；步骤605:程控放大电路接收光电二极管输出的电压信号，并将该电压信 号进行放大；步骤606:程控放大电路将放大的电压信号输出给单片机；步骤607:单片机根据接收到的放大的电压信号、以及预存的电压信号与 粉尘浓度比例关系计算粉尘浓度。优选地，气室可以采用直筒式结构，且气室内壁可以是黑色。 最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术 语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定 要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而 且，术语"包括"、"包含"或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含， 从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素， 而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、 物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句"包括一 个......"限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本 发明可借助软件加必需的硬件平台的方式来实现，当然也可以全部通过硬 件来实施，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发 明的技术方案对背景技术做出贡献的全部或者部分可以以软件产品的形式 体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、 i兹 碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机， 服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分 所述的方法。以上对本发明进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原 理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的 方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思 想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书 内容不应理解为对本发明的限制。
权利要求
1、一种粉尘浓度传感器，其特征在于，所述粉尘浓度传感器包括风机、导流装置、气室、光源、光电二极管以及单片机；所述风机，使所述气室产生负压；所述导流装置，在所述气室产生负压时，将含尘空气吸入所述气室；所述光源，为所述气室中含尘空气的粉尘提供光照，以产生散射光；所述光电二极管，将所述散射光转化为电压信号，并输出所述电压信号；所述单片机，根据所述光电二极管输出的电压信号、以及预存的电压信号与粉尘浓度比例关系计算粉尘浓度。
2、 根据权利要求1所述的粉尘浓度传感器，其特征在于，所述粉尘浓度 传感器还包括光电延长管，加高所述光电二极管，以避免所述光电二极管接触所述粉尘。
3、 根据权利要求1所述的粉尘浓度传感器，其特征在于，所述粉尘浓度 传感器还包括光电底座，放置聚光透镜；所述聚光透镜，增大所述光电二极管的感光面积。
4、 根据权利要求1所述的粉尘浓度传感器，其特征在于，所述导流装置 包括尖嘴，吸入所述含尘空气；喇叭嘴，所述含尘空气送入所述气室；采集端盖，连接所述尖嘴与所述喇叭嘴；具有至少一个进气孔的阻光器，阻挡外界光线进入所述气室，并使所述 含尘空气通过。
5、 根据权利要求1所述的粉尘浓度传感器，其特征在于，所述粉尘浓度传感器还包括光源灯罩，固定所述光源。
6、 根据权利要求1所述的粉尘浓度传感器，其特征在于，所述气室采用直筒式结构，以降低所述气室中的负压压降。
7、 根据权利要求1所述的粉尘浓度传感器，其特征在于，所述气室内壁 为黑色，以避免所述气室内壁产生反射光。
8、 根据权利要求1所述的粉尘浓度传感器，其特征在于，所述粉尘浓度 传感器还包括报警单元，当所述粉尘浓度传感器测量出的粉尘浓度大于预置值时，发 出警报。
9、 根据权利要求1所述的粉尘浓度传感器，其特征在于，所述粉尘浓度 传感器还包括RS485输入输出接口 ，使所述粉尘浓度传感器接入各种煤矿监控系统。
10、 根据权利要求1所述的粉尘浓度传感器，其特征在于，所述粉尘浓 度传感器还包括频率输出接口 ，使所述粉尘浓度传感器通过频率信号接入各种煤矿监控 系统。
11、 根据权利要求1所述的粉尘浓度传感器，其特征在于，所述粉尘浓 度传感器还包括红外遥控输入单元，接收遥控器的指令，使所述单片机根据所述指令执 行操作。
12、 根据权利要求1所述的粉尘浓度传感器，其特征在于，所述粉尘浓 度传感器还包括程控放大电路，放大所述光电二极管输出的电压信号，并将放大后的电 压信号输出给单片机；所述单片机，根据放大后的电压信号、以及预存的电压信号与粉尘浓度 比例关系计算粉尘浓度。
13、 一种粉尘浓度传感器测量粉尘浓度的方法，其特征在于，所述方法包括启动风才;M吏气室产生负压；在所述负压的作用下，通过导流装置将含尘空气吸入所述气室；光源照射所述气室中的含尘空气，以产生散射光；光电二极管将所述散射光转化为电压信号并输出；单片机根据所述光电二极管输出的电压信号、以及预存的电压信号与粉 尘浓度比例关系计算粉尘浓度。
14、 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述光电二极管将所述 散射光转化为电压信号并输出包括光电二极管将所述散射光转化为电压信号，并将所述电压信号输出给程 控放大电路，以使所述程控放大电路放大所述电压信号；所述单片机根据所述光电二极管输出的电压信号、以及预存的电压信号 与粉尘浓度比例关系计算粉尘浓度包括所述单片机根据放大了的电压信号、以及预存的电压信号与粉尘浓度比 例关系计算粉尘浓度。
全文摘要
本发明公开了一种粉尘浓度传感器及其测量粉尘浓度的方法。所述粉尘浓度传感器包括风机、导流装置、气室、光源、光电二极管以及单片机；所述风机，使所述气室产生负压；所述导流装置，在所述气室产生负压时，将含尘空气吸入所述气室；所述光源，为所述气室中含尘空气的粉尘提供光照，以产生散射光；所述光电二极管，将所述散射光转化为电压信号，并输出所述电压信号；所述单片机，根据所述光电二极管输出的电压信号、以及预存的电压信号与粉尘浓度比例关系计算粉尘浓度。通过本发明，粉尘浓度传感器在进行光电转换时无需高压，进而消除了安全隐患。
文档编号G01D5/26GK101598657SQ20091014954
公开日2009年12月9日 申请日期2009年7月2日 优先权日2009年7月2日
发明者吕鹏飞, 朱承建, 李东晓, 邓国华 申请人:煤炭科学研究总院常州自动化研究院;天地(常州)自动化股份有限公司