专利名称：一种雾探测仪中雾散射能量的处理装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种雾探测仪中雾散射能量的处理装置，属于光信号采集与处 理领域。
背景技术：
雾是由近地面上漂浮在空中的极细小的水滴或冰晶所组成(通常直径为5 40 μ m)，是一种近地层的云。雾中常常含有大量半径小于Iym的微滴，其浓度可达到每立 方厘米几千个。这些微滴对雾的含水量虽然贡献不大，但对雾的光特性以及大气能见度的 影响都是十分显著的。雾滴是一个很好的球体，而且固粒子较大，一般满足公式a □ -~ t> 0.1
￡(r 球体半径，/頤射光的波长)可用Mie氏理论求解单个粒子的散射函数，然后对取样进行体积分，即得出单位 体积雾的散射函数，雾对光波的散射系数与能见度的关系可用简单的行式表示￡ □—
ν(Α为经验常数ν为雾的体积) 雾对光波的散射衰减是造成能见度减低的原因，并且与雾的浓度及谱有关系。 用关系式表示为 ￡/□(N为雾中水滴浓度，_力面积平均半径)
4 -τ‘ hH
3^为水的密度(106g/·3 )，因此，可得公式
3OD-^-
2r 一由以上分析可知，根据雾滴对光波的吸收及散射特性，用一束波长为0. 7 1 μ m的红外光照射一定体积的雾滴，依据雾滴对红外光的散射函数，测定该体积内雾滴的 散射光强度，估算其等效散射截面，反演雾的浓度，谱结构及含水量，根据计算的消光系数， 进而就可以获得实用大气能见度。在自然雾中，对于测量小体积空气对光的散射系数时，吸收通常可以忽略。大气 中光的衰减是由散射和吸收引起的。工业区附近的污染物的出现，冰晶(冻雾)或尘埃可使 吸收明显增强。然而，在一般情况下，吸收因子可以忽略，而经由水滴反射，折射或衍射产生 的散射现象便构成降低能见度的因子。[0019]测量通常把一束光(波长为0. 7 1 μ m)汇聚在小体积空气中，以光度测量的方 式确定在充分大的立体角和并非临界方向上的散射光线的比例，从而使散射系数的测量可 方便地进行。散射光信号检测是测量技术中的综合性技术科学分支，已成为众多领域非常重要 的研究手段，常规的光信号检测根据信号本身的特点，一般有以下特点 1降低光电器件与放大器的噪声，尽量提高信噪比。2采用光电敏感器件以及低宽频带噪声的运算放大器。但是这些电路在雾探测仪 的测量中存在以下不足之处(1)白天和晚上，晴天与阴天，在不同的太阳光的照射下或晚上在某些灯光的照 射下，电路存在不同的背景噪声。(2)在某些强反射下(如下雪天)，电路会出现饱和现象。(3)当出现轻雾时，由于散射能量较小，外界光的影响及外界电磁场对电路的影 响更为严重。(4)工频50Hz电流在微弱信号测量时，对雾能见度的影响也较大。
实用新型内容本实用新型提供了一种雾探测仪中雾散射能量的处理装置，能够有效地抑制各种 不同强度的太阳光或其他光源的光，并且可以有效地抑制外界电磁场干扰及工频电源50Hz 电压影响。本实用新型为解决其技术问题采用如下技术方案一种雾探测仪中雾散射能量的处理装置，包括滤光片、光电转换器件、电信号放大 器、直流光电信号反馈电路、同步积分电路、光电隔离电路，其中，滤光片、光电转换器件、电 信号放大器、同步积分电路顺序连接，光电隔离电路的输出与同步积分电路的输入连接，直 流光电信号反馈电路的输出与电信号放大器的输入连接，同时直流光电信号反馈电路的输 入也与同步积分电路的输出连接。所述的直流光电信号反馈电路包括反相放大电路Ul和运算放大器U2，反相放大 电路Ul的输出端与运算放大器U2的输入端连接，运算放大器U2的输出端与反相放大电路 Ul的反向输入端连接。本实用新型的有益效果如下1、抑制自然界的光对电路处理信号时产生的影响，防止外界光太强时引起电路的 饱和时导致设备工作不正常。2、电路工作稳定，测量的信号不受外界电磁干扰环境的影响。3、对测量雾能见度值的精度很高，这种电路适应于不同气体环境下，不同环境下 的光信号对电路不产生影响。4、发射部分与接收部分电隔离，减小对设备自身各电路间的相互影响。
图1雾探测仪中雾散射能量的处理装置的组成方框图。图2雾探测仪中雾散射能量的处理装置的电路原理图。图3光电转换器件、电信号放大器及直流光电信号反馈电路的组合原理图。图4同步积分电路和光电隔离电路的组合原理图。[0042]图5同步积分电路和光电隔离电路的等效电路图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明创造做进一步详细说明。如图1所示，雾探测仪中的发射机部分和接收机部分的光学系统构成一定体积的 空间，发射机发射已调制的波长为930nm的红外光。调制脉冲也是接收机处理电路的同步 脉冲信号，频率为2. 3kHz。雾探测仪中雾散射能量的处理装置包括以下几个部分组成滤 光片、光电转换器件、电信号放大器、直流光电信号反馈电路、同步积分电路、光电隔离电 路，其中，滤光片、光电转换器件、电信号放大器、同步积分电路顺序连接，光电隔离电路的 输出与同步积分电路的输入连接，直流光电信号反馈电路的输出与电信号放大器的输入连 接，同时直流光电信号反馈电路的输入也与同步积分电路的输出连接。雾探测仪中雾散射能量的处理装置的工作原理及各部分的功能雾的散射光信 号，通过滤波片只让930nm的红外光信号通过，将雾的散射能量经光电转换电路，转换为电 信号，其中含有自然界的直流的背景光。自然界光背景是连续的，而雾散射能量的光是脉冲 的，经直流光电信号反馈电路将直流背景光消除掉，输出为雾散射能量的光信号，转换为电 信号，然后将该电信号送到同步积分电路，将外界的干扰信号及电路自身的噪声电压信号 进行滤波，输出信噪比较高的电压信号。雾散射能量的大小取决于雾的浓度，雾越浓，其散 射能量越大，输出信号电压幅值越大，反之则相反。同步积分信号来自发射机，与发射机发 射信号同步，光电隔离电路的目的是防止发射机中的脉冲干扰信号对接收部分的影响。一种雾探测仪中雾散射能量的处理装置电路原理图如图2所示，其工作过程为 J2为光电转换器件，输出的信号送到Ul的输入端使其对信号进行放大，输出的一路经背景 光直流反馈电路U2的输入端，一路送到U3构成的同步积分电路。经积分后输出的脉冲信 号幅值的大小反映了雾散射能量的大小。同步积分控制脉冲信号来自于发射机，该信号经 光电隔离器件U4后输出同步脉冲信号控制U3以构成模拟开关。(2)各单元电路的具体分析如图3所示，Ul构成反相放大电路，J2为光电转换元件，光电转换器件输出的电信 号包括雾散射能量及背景光信号，经过Ul进行放大输出。输出的信号经过由U2运算放大器 构成的直流反馈电路后输出的直流信号加到Ul的反相输入端，形成直流反馈的闭合环路， 最后使Ul输出的信号为交流电压信号，也就是雾的散射能量信号，清除了外界的背景光直 流信号，提高了电路的动态范围。如图4所示，U3、U4构成同步积分电路，R5、Cl、C2构成两路积分电路，U3构成 了模拟开关电路。IN+、IN-的输入信号来自于发射机的同步脉冲信号，经过光电隔离器件 6N137，在OUT端口输出的脉冲信号送到模拟开关U3的A端口以控制两路积分电路，其等效 电路原理如图5所示当同步信号为高电平时，Kl闭合，K2断开，信号的“ + ”部分由R5、Cl组成的积分 电路进行积分。同步信号为低电平时，Kl断开、K2闭合，信号的“_”部分由R5、C2构成的 积分电路进行积分。该电路消除了雾的散射能量中的杂散光的干扰，提高了电路的信噪比。 U4构成的光电隔离电路，主要作用是将发射电路与接收处理装置电路的直流供电电源进行 隔离，防止发射电路大电流发射时对接收处理装置产生干扰。
权利要求1.一种雾探测仪中雾散射能量的处理装置，其特征在于包括滤光片、光电转换器件、电 信号放大器、直流光电信号反馈电路、同步积分电路、光电隔离电路，其中，滤光片、光电转 换器件、电信号放大器、同步积分电路顺序连接，光电隔离电路的输出与同步积分电路的输 入连接，直流光电信号反馈电路的输出与电信号放大器的输入连接，同时直流光电信号反 馈电路的输入也与同步积分电路的输出连接。
2.根据权利要求1所述的一种雾探测仪中雾散射能量的处理装置，其特征在于所述的 直流光电信号反馈电路包括反相放大电路Ul和运算放大器U2，反相放大电路Ul的输出端 与运算放大器U2的输入端连接，运算放大器U2的输出端与反相放大电路Ul的反向输入端 连接。
专利摘要本实用新型涉及一种雾探测仪中雾散射能量的处理装置，属于光信号采集与处理领域。该装置包括滤光片、光电转换器件、电信号放大器、直流光电信号反馈电路、同步积分电路、光电隔离电路，其中，滤光片、光电转换器件、电信号放大器、同步积分电路顺序连接，光电隔离电路的输出与同步积分电路的输入连接，直流光电信号反馈电路的输出与电信号放大器的输入连接，同时直流光电信号反馈电路的输入也与同步积分电路的输出连接。该装置的电路工作稳定，对测量雾能见度值的精度很高。
文档编号G01J1/04GK201852786SQ20102062886
公开日2011年6月1日 申请日期2010年11月29日 优先权日2010年11月29日
发明者唐宏科, 李祥超, 王金虎, 陈钟荣, 顾松山 申请人:南京信息工程大学