一种基于光电传感阵列的可吸入颗粒物检测方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及可吸入颗粒物检测领域，特别是一种基于光电传感阵列的可吸入颗粒物检测方法及装置，利用光电信号的转换和FPGA的高速运算能力完成检测。
【背景技术】
[0002]可吸入颗粒物作为空气质量指标之一已经危害到人们的生活安全，尤其是近年来中国空气质量日益变差，全国范围内的雾霾程度也日益严重。可吸入颗粒物是指可以被人体吸入，沉积在呼吸道、肺泡等部位从而引发疾病。颗粒物直径越小，进入呼吸道的部位越深。10微米直径的颗粒物通常沉积在上呼吸道，5微米直径的可以进入呼吸道的深部，2微米以下的可100%深入到细支气管和肺泡。因此需要检测这些可吸入颗粒物以保障人们的生命安全。
[0003]光电检测方法具有精确度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数广泛。光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它能把光信号(红外、可见及紫外镭射光)转变成为电信号。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙程度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。
[0004]FPGA (Field Programmable Gate Array)即现场可编程门阵列，它是在 PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA最大的特点内部资源丰富，编程简单，可并行处理大数据，同时拥有高速的运算能力，因此可以轻松地实现复杂的算法。
[0005]现有对于可吸入颗粒物浓度的检测通常基于测量一定空间内可吸入颗粒物质量以及一定空间内空气总质量的方式得到的。这种测量方式比较复杂繁琐，而且精确度也存在局限。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是针对现有检测技术的不足而提出了一种基于光电传感阵列的可吸入颗粒物检测方法及装置，其装置能够实现光信号测量转换为电信号处理，简化了检测方式，并且利用了现场可编程逻辑门阵列(FPGA)强大的运算处理能力，提高了检测精度。
[0007]本发明的目的是这样实现的:
一种基于光电传感阵列的可吸入颗粒物检测装置，其特征在于该装置包括:
激光发射模块，用于产生照射点光源；
光学透镜组，与激光发射模块连接，用于将激光发射模块发出的点光源变成平行光源，并入射到空气贮存腔体中； 空气贮存腔体，用于贮存空气，此空气为需要检测的空气；
光电传感阵列，其感光像素将经过空气贮存腔体之后的平行光源信号进行光电转换，恢复出电信号送往信号接收处理模块；
信号接收处理模块，与光电传感阵列连接，用于接收来自光电传感阵列的电信号，并且对此电信号进行数据运算处理，得到检测结果；
空气过滤装置，与空气贮存腔体连接，用于过滤空气中的可吸入颗粒物以进行分级，实现对不同尺寸可吸入颗粒物的检测；
显示屏输出模块，与信号接收处理模块连接，用于显示可吸入颗粒物的检测数据；电源供电模块，与激光发射模块、光电传感阵列、信号接收处理模块和显示屏输出模块连接，并为它们提供电源。
[0008]所述光电传感阵列采用CMOS器件，在一个光电传感阵列上有多达百万个的感光像素。
[0009]所述信号接收处理模块包括信号幅值处理电路、ADC、FPGA、微控制器，光电传感阵列恢复的电信号由信号幅值处理电路处理之后，由ADC进行高速采样后将数据送入FPGA中，并通过FPGA进行数据运算处理，微控制器将FPGA运算处理后的数据转换成可吸入颗粒物检测结果并输出；所述信号幅值处理电路依次连接ADC、FPGA及微控制器。
[0010]一种基于光电传感阵列的可吸入颗粒物检测方法，该方法包括如下步骤:
1)激光发射模块发出点光源，经过光学透镜组转换成平行光源；
2)平行光源入射到空气贮存腔体中的待检测空气；
3)采用光电传感阵列作为光源接收端，将光信号转换成电信号；
4)接收来自光电传感阵列的电信号，对其进行幅值处理，再经由ADC采样后通过FPGA进行数据运算处理，得到检测结果。
[0011]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
⑴、本发明采用激光光路结合光电传感阵列的检测方式，将光信号转换为电信号处理，简化了检测方式。
[0012]⑵、本发明利用了 FPGA强大的运算能力与高速的运算速度，提升了检测的精度。
【附图说明】
[0013]图1为本发明装置结构框图；
图2为本发明信号接收处理模块的信号处理分析过程框图；
图3为本发明信号接收处理模块的FPGA内数据处理流程图；
图4为本发明光电传感阵列示意图；
图5为本发明检测原理示意图；
图6为本发明显示屏输出模块显示信息示意图。
【具体实施方式】
[0014]参阅图1，本发明由激光发射模块1、光学透镜组2、空气贮存腔体3、光电传感阵列4、信号接收处理模块5、空气过滤装置6、显示屏输出模块7及电源供电模块8组成。激光发射模块中通过驱动激光二极管发出点光源，激光二极管的位置需要放置在光学透镜组的焦点处，以此利用光学透镜组的特性将点光源转换成平行光源入射到空气贮存腔体中。为了检测空气中可吸入颗粒物的精确度，要求激光二极管与光学透镜组之间为真空。当光源经过空气贮存腔体之后到达光电传感阵列的每一个感光像素上，由此将光信号转换成电信号送到后续的信号接收处理模块中。在信号接收处理模块中经过信号的运算处理完成检测，最终将检测结果送到显示屏上显示。电源供电模块为激光发射模块、光电传感阵列、信号接收处理模块、显示屏输出模块提供电源。
[0015]参阅图2，该图为信号接收处理模块信号处理分析工作流程框图。光电传感阵列恢复的电信号由信号幅值处理电路处理之后，由高速ADC进行高速采样，并通过FPGA进行数据运算处理，微控制器将FPGA运算处理后的数据转换成可吸入颗粒物检测结果并送往显示屏显示。
[0016]参阅图3，本发明的信号接收处理模块的FPGA内数据处理的过程是FPGA接收来自高速ADC中的采样数据，然后对数据进行译码处理转换成其认识的格式，再对数据统计计算，将运算的结果进行数据匹配，最后将检测的结果数据输出。注:FPGA中事先存有可吸入颗粒物浓度的数据，相当于存有一个数据库。
[0017]参阅图4，为光电传感阵列示意图，其中单个子块为感光像素。
[0018]参阅图5，该图为本发明检测可吸入颗粒物的原理示意图。图中带箭头实线表示平行光源，它是由激光发射模块I所发出的点光源经光学透镜组后得到的。不规则物体为空气中的可吸入颗粒物。检测原理如下:当空气比较纯净，即空气中颗粒物较少时，如图(a)所示，在光电传感阵列中几乎所有的感光像素都感应到光，由此转换成电信号传送到后续信号接受处理模块5进行分析处理；当空气比较污浊，即空气中颗粒物较多时，如图(b)所示，在光电传感阵列中就会有相当一部分感光像素没有感应到光，它会将相应的电信号送到后续信号接收处理模块5进行分析处理。
[0019]参阅图6，该图为显示屏显示的可吸入颗粒物数据信息。
【主权项】
1.一种基于光电传感阵列的可吸入颗粒物检测装置，其特征在于该装置包括: 激光发射模块(1)，用于产生照射点光源；光学透镜组(2)，与激光发射模块(I)连接，用于将激光发射模块发出的点光源变成平行光源，并入射到空气贮存腔体(3)中；空气贮存腔体(3)，用于贮存空气，此空气为需要检测的空气；光电传感阵列(4)，其感光像素将经过空气贮存腔体(3)之后的平行光源信号进行光电转换，恢复出电信号送往信号接收处理模块(5);信号接收处理模块(5)，与光电传感阵列(4)连接，用于接收来自光电传感阵列(4)的电信号，并且对此电信号进行数据运算处理，得到检测结果；空气过滤装置(6)，与空气贮存腔体(3)连接，用于过滤空气中的可吸入颗粒物以进行分级，实现对不同尺寸可吸入颗粒物的检测；显示屏输出模块(7)，与信号接收处理模块(5)连接，用于显示可吸入颗粒物的检测数据；电源供电模块(8)，与激光发射模块(1)、光电传感阵列(4)、信号接收处理模块(5)和显示屏输出模块(7)连接，并为其提供电源。
2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于所述光电传感阵列(4)采用CMOS器件，在一个光电传感阵列上有多达百万个的感光像素。
3.根据权利I要求所述的检测装置，其特征在于信号接收处理模块(5)包括信号幅值处理电路、ADC、FPGA、微控制器，光电传感阵列恢复的电信号由信号幅值处理电路处理之后，由ADC进行高速采样后将数据送入FPGA中，并通过FPGA进行数据运算处理，微控制器将FPGA运算处理后的数据转换成可吸入颗粒物检测结果并输出；所述信号幅值处理电路依次连接ADC、FPGA及微控制器。
4.一种基于光电传感阵列的可吸入颗粒物检测方法，其特征在于该方法包括如下步骤: 1)激光发射模块发出点光源，经过光学透镜组转换成平行光源； 2)平行光源入射到空气贮存腔体中的待检测空气； 3)采用光电传感阵列作为光源接收端，将光信号转换成电信号； 4)接收来自光电传感阵列的电信号，对其进行幅值处理，再经由ADC采样后通过FPGA进行数据运算处理，得到检测结果。
【专利摘要】本发明公开了一种基于光电传感阵列的可吸入颗粒物检测方法及装置，其装置包括激光发射模块、光学透镜组、空气贮存腔体、空气过滤装置、光电传感阵列、信号接收处理模块、显示屏输出模块、电源供电模块；检测方法是利用激光照向待检测空气，由于部分激光会被空气中的颗粒物遮挡，采用光电传感阵列作为激光接收端以此将光信号转换成电信号送至后续信号接收处理模块，利用FPGA对信号进行处理运算，由此得到检测结果值。本发明提出了一种采用激光光路结合光电传感阵列的可吸入颗粒物检测方式，利用光电信号的转换完成检测，并且采用了FPGA强大的运算能力，提高了运算速度与检测精度。
【IPC分类】G01N21-39
【公开号】CN104807778
【申请号】CN201510153637
【发明人】刘一清, 胡玉琛
【申请人】华东师范大学
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2015年4月2日