一种基于回波阈值比较的OPC计数校正方法与流程

本发明涉及矿井各类抽放钻孔封孔领域，具体涉及一种基于回波阈值比较的opc计数校正方法。

背景技术：

光学粒子计数器(opticalparticlecounter，opc)是一种用于测量气溶胶颗粒数浓度的单颗粒计数器，其工作时通常以稳定的流量抽取包含粒子的空气，当每个气溶胶粒子通过喷嘴输出经过激光束的焦点时会产生散射光，散射光会在探测器上产生光电信号，信号通过放大电路输出波形为具有一定幅值和脉宽的脉冲波形，通常粒子穿越激光产生的波形为高斯形状。当连续的脉冲产生后，进入累加器进行累加计数获得累加值，再根据测量时间和流量大小可获得单位体积内空气中粒子的数浓度。

任何计数器的基本目的是尽可能准确地测量在给定时间段内发生的离散事件的数量,对opc仪器来说，颗粒通过工作流体的冷凝成长为液滴，当液滴连续通过仪器的光学检测部分时产生离散事件，通过的液滴穿过空间限定的照明源，并散射足够的光能量以让光电检测器检测，产生离散事件。在这样的事件期间产生的电信号，通常是脉冲，并用适当的电路计数，如高速可编程数字器件fpga。通常厂家希望opc理想情况下，在任何给定的时间内，最多只有一个粒子将驻留在视体积内(由光源、包含液滴的流体流和光学映射到检测器的交集限定的三维区域，这三个区域的交点通常称为视体积、感测体积或测量体积)。然而在给定时刻，在观察体积中总是存在出现两个或更多个粒子的概率，由两个或多个以上的液滴产生的电信号根据大小和形状很难区分开来，而作为单个脉冲去计数，这种现象被称为巧合事件(coincidence)。coincidence现象在数浓度低于10⁴/cm³下影响可忽略，随着介质中颗粒浓度的增加，巧合事件的概率增加的尤为明显，在数浓度高于10⁵/cm³时，造成的数浓度误差可达40％以上。

国际仪器厂商，如tsi或grim公司对coincidence误差的校准，主要通过后期数据处理的方式，通过软件校准。如r.jaenicke(theopticalparticlecountercrosssensitivityandcoincidence,aerosolscience,1972,vol.30,pp.95to111)首先提出coincidence现象在给定流速的情况下，出现的概率符合泊松分布；aaronm.collins(anewcoincidencecorrectionmethodforcondensationparticlecounters,aerosolscienceandtechnology,47:177–182,2013)基于以上成果，并使用了lambert函数去计算从而达到精确校正的结果，该方法在tsi3760a一起中得以实现，在浓度3×10⁴/cm³～8×10⁴/cm³下，校正后误差小于4％；nobuyukitakegawa(modificationandlaboratoryevaluationofatsiultrafinecondensationparticlecounter(model3776)forairbornemeasurements，aerosolscienceandtechnology,2017,vol.51,no.2,235–245)通过实验的方法对coincidence现象进行校准，过程为通过使用标准的高浓度气溶胶发生器，同时使用ae3068b和ucpc3776获得测量数据，在数浓度10⁴/cm³～10⁶/cm³之间使用大量数据进行拟合，通过拟合得出coincidence的校准系数。tsi等公司在最新的仪器上通过在冷凝腔和碰嘴处增加鞘气结构，约束粒子从径向中间通过来减小coincidence现象。

综合以上所述，数据处理的方法无论对软件还是硬件来说都比较复杂，成本较高，实时性差，nobuyuki的方法更需要提前对仪器做好标定。鞘气结构的增加虽然可显著减小coincidence现象，但是成本和体积也显著上升，并且以前的老仪器不能进行更改。

技术实现要素：

本发明提出的一种基于回波阈值比较的opc计数校正方法，可解决传统校准coincidence现象的方法，复杂实时性差且成本较高的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于回波阈值比较的opc计数校正方法，包括：

基于opc，所述opc包括光电探测器；

包括阈值电路，所述阈值电路包括放大电路、阈值比较电路、fpga计数电路和单片机控制模块；

所述放大电路与opc的光电探测器电连接；

所述放大电路、阈值比较电路及fpga计数电路依次电连接；

所述阈值比较电路和fpga计数电路分别与单片机控制模块连接；

所述fpga计数电路内设置粒子浓度计数值算法；

通过单片机控制模块控制，由阈值比较电路作为粒子通道产生脉冲个数和脉宽，所述脉冲数和脉宽进入fpga计数电路进行计算输出，实时校正opc计数的粒子浓度值。

进一步的，所述阈值比较电路包括相互并联连接的阈值比较电路一、阈值比较电路二及阈值比较电路三；

所述粒子浓度计数值算法如下：

假设流量为q，测量时间间隔为δt，1个标准冷凝粒子产生的脉冲宽度为cnt_width，则

经阈值比较电路一(1)产生的浓度计数值为：

经阈值比较电路二(2)产生的浓度计数值为：

经阈值比较电路三(3)产生的浓度计数值为：

则粒子总浓度值为：

其中，针对阈值比较电路一、阈值比较电路二及阈值比较电路三的阈值通道，进入fpga后分别产生计数值cnt1、cnt2、cnt3及脉冲宽度值cnt1_width1、cnt2_width2、cnt3_width3。

进一步的，所述计数值cnt1、cnt2、cnt3采用累加器计算。

进一步的，所述脉冲宽度值cnt1_width1、cnt2_width2、cnt3_width3采用高速时钟来计算。

进一步的，所述测量时间间隔为δt≤0.5秒。

进一步的，所述阈值比较电路一的阈值为放大器输出最大值的1/4。

进一步的，所述阈值比较电路二的阈值为放大器输出最大值的2/4。

进一步的，所述阈值比较电路三的阈值为放大器输出最大值的3/4。

由上述技术方案可知，本发明在测量硬件上增加了阈值电路，由小到大设定多个阈值，阈值的多少依据测量环境选择。当不同的粒子回波脉冲和阈值进行比较时，每个阈值通道都会产生脉冲个数和脉宽，这些脉冲数和脉宽进入fpga进行计算输出，可实时校正opc计数的数浓度值。该方法校准精度高，在fpga计数电路内可简单实现，具有较高的商业应用价值。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2(a)是本发明实施例1个粒子产生的脉冲经过三路阈值电路比较后产生方波信号；

图2(b)是本发明实施例2个和3个粒子经过三路阈值电路比较后产生方波信号。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

市面上比较新的商业opc，为减小coincidence现象，均减小了喷嘴直径，并在喷嘴处增加了鞘气，该方法较为有效，但在测量高浓度粒子时，还是不能完全消除coincidence现象。基于统计的方法可修正测量数据，但是实时性较差，不适合在线测量常场合。因此本发明实施例提出在放大器输出信号后，增加阈值比较电路，不同阈值电路比较后输出计数脉冲信号和脉冲宽度。根据通过不同阈值触发和产生的脉宽，可推导出粒子的数量，从而对coincidence现象进行校准。

如图1所示，本实施例所述的基于回波阈值比较的opc计数校正方法，包括基于opc，所述opc包括光电探测器；

还包括阈值电路，所述阈值电路包括放大电路、阈值比较电路、fpga计数电路和单片机控制模块；

所述放大电路与光电探测器电连接；

所述放大电路、阈值比较电路及fpga计数电路依次电连接；

所述阈值比较电路和fpga计数电路分别与单片机控制模块连接；

所述fpga计数电路内设置粒子浓度计数值算法；

通过单片机控制模块控制，由阈值比较电路作为粒子通道产生脉冲个数和脉宽，所述脉冲数和脉宽进入fpga计数电路进行计算输出，实时校正opc计数的数浓度值。

图1中左边方框内为opc检测粒子的原理框图，当粒子穿越测量区域后，激光照射在粒子上，产生的光散射信号被汇聚在光电探测器上，产生脉冲电信号进入右边框图内的放大电路。放大电路输出放大信号，也就是脉冲信号，进入多路阈值比较电路，每路阈值比较器产生不同宽度的方波信号，触发fpga数字电路累加脉冲数和记录脉冲宽度。

本发明实施例取三路阈值比较电路是，是考虑到：(1)电路设计简化度较高，调试简便；(2)超过三路阈值，获得的校准数值经过计算后，改善权重已经较低。因此阈值路数的选取，可根据仪器测量精度需求和成本考虑，通常选取三路即可满足大部分需求。当然本发明实施例不局限于只取三路阈值的情况。

下面就本发明实施例工作原理和过程做具体描述。本发明主要工作存在于图1右框图内，主要包括阈值比较电路和fpga数字电路。假设每次只有一个粒子穿越视体积测量区，那么产生的脉冲都是等幅度、等宽度的离散高斯波形，fpga只需累加数量，就可精确得到粒子数浓度。但因为coincidence现象的存在，存在同时多个粒子穿越视体积测量区，可能则存在以下波形，如图2即图2(a)和图2(b)所示(图2只给到三个粒子簇通过的情况，由于opc喷嘴尺寸的约束，一半口径在1厘米左右，且粒子冷凝后的尺寸在10um左右，不会有太大的粒子簇通过，图2仅为示例，不限于4个以上粒子通过情况)。

图2中列出了从1个粒子到3个粒子经过不同的排列，产生不同的脉冲宽度和脉冲高度的波形，经过三路阈值比较后产生方波信号。针对不同的阈值通道，进入fpga后分别产生计数值cnt1、cnt2、cnt3及脉冲宽度值cnt1_width1、cnt2_width2、cnt3_width3。假设流量为q，测量时间间隔为δt，1个标准冷凝粒子(直径约10um)产生的脉冲宽度为cnt_width，则阈值1产生的浓度计数值为：

阈值2产生的浓度计数值为：

阈值3产生的浓度计数值为：

粒子总浓度值为：

以上计算程序及粒子浓度计数值算法在fpga内实现，cnt1、cnt2、cnt3采用累加器实现，cnt1_width1、cnt2_width2、cnt3_width3采用高速时钟来计脉冲宽度，标准冷凝粒子脉冲宽度cnt_width为固定数值，存储在fpga内，流量q由气路泵和压力孔等结构控制，通常也为固定值，同样也存储在fpga内。考虑到仪器响应时间和fpga计数电路内部的累加器容量大小，测量时间间隔δt不超过0.5秒。

图2中阈值电路可通过比较器实现，阈值大小根据放大器输出最大幅度设置，阈值1主要用于鉴别单粒子脉冲，通常设置为放大器输出最大值的1/4处，阈值2和阈值3主要用于鉴别多粒子脉冲，通常设置为放大器输出最大值的2/4处和3/4处。这里只是给出大部分仪器阈值的经验值，严谨的来说，这里的阈值设置需要根据仪器探测器和放大电路的响应，单粒子脉冲和多粒子脉冲的形状来调整，以达到最佳的鉴别效率。为方便阈值调整，本发明使用单片机控制d/a(数模转换器)产生阈值。

综上，本发明实施例认为coincidence现象出现时，虽然计数值仅仅加1，但是脉宽和脉冲幅度均产生了变化，该脉冲幅度和脉宽与穿越视体积测量粒子的数量有直接关系。于是在探测器放大电路后，增加一个多阈值比较电路，和产生的回波脉冲进行比较，产生不同脉宽的离散方波，该方波进入fpga数字电路，进行计数和脉宽计时。通过不同阈值触发和产生的脉宽，可推导出粒子的数量，从而对coincidence现象进行校准。

本发明实施例基于回波阈值比较的opc计数校正方法无需对商业化opc结构进行更改，仅需增加部分比较电路和fpga内部代码，方案实现简便，成本低，具有较高的商业应用价值。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。