一种pm2.5传感器及其自动校准方法
【专利摘要】本发明公开了一种PM2.5传感器及其自动校准方法，通过洁净空气对传感器的检测结果进行自动校准，克服了由于颗粒物积累造成的误差，确保在使用周期内传感器的检测结果具有较高的准确度。其技术方案为：PM2.5传感器包括检测气体通道、校准气体通道、检测光源单元、光接收单元、信号处理单元、电磁阀、电磁阀控制单元和检测室。将检测室进气通道分为检测气体通道和校准气体通道，分别采用外界空气和过滤后的洁净空气，得到PM2.5的检测浓度和背景浓度，从而能够利用背景浓度对检测浓度进行校准。
【专利说明】
一种PM2.5传感器及其自动校准方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及空气中PM2.5颗粒物浓度检测领域，尤其涉及基于光散射法的PM2.5检测的传感器以及使用这一传感器的对PM2.5浓度的自动校准方法。
【背景技术】
[0002]PM2.5指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5微米的颗粒物，它粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有害物质(如重金属、微生物等)，且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响非常大。2012年2月，中国环境保护部发布了《环境空气质量标准》(GB3095-2012)，其中增设了 PM2.5的浓度限值。因此，对空气中PM2.5浓度进行准确测量具有重要意义。
[0003]目前，检测空气中悬浮颗粒物质量浓度的传感器主要是基于光散射原理。根据光散射原理，空气中的颗粒物在一定强度的光束照射下，会向周围空间发出散射光。光电探测器采集散射光脉冲信号并将其转化为电压脉冲信号，脉冲信号的大小对应于颗粒的粒径，脉冲的个数对应于颗粒的个数。当采样气体流量与采样时间固定后，便能测出某一特定体积内对应粒子的浓度。
[0004]基于光散射原理的PM2.5传感器，结构简单成本低，便于实时测量，适用于车载空气净化系统，对车内外PM2.5浓度进行检测。然而长时间的使用后，颗粒物会在传感器内部积聚，甚至粘附在光源、光路以及光电探测器上，使得散射光信号的采集出现误差，造成传感器的测量结果不准确。
【发明内容】
[0005]以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
[0006]本发明的目的在于解决上述问题，提供了一种PM2.5传感器及其自动校准方法，通过洁净空气对传感器的检测结果进行自动校准，克服了由于颗粒物积累造成的误差，确保在使用周期内传感器的检测结果具有较高的准确度。
[0007]本发明的技术方案为:本发明揭示了一种PM2.5传感器，包括检测气体通道、校准气体通道、检测光源单元、光接收单元、信号处理单元、电磁阀、电磁阀控制单元及检测室，其中所述电磁阀控制单元控制所述电磁阀在所述检测气体通道与所述校准气体通道之间切换，所述校准气体通道对空气进行过滤，产生洁净气体通入所述检测室，所述检测光源单元发出光束，所述光接收单元对产生的散射光进行采集并将其转换为电压脉冲信号，所述信号处理单元根据接收到的电压脉冲信号计算得到PM2.5的背景浓度值，所述检测气体通道直接将外部空气不经过滤通入检测室，计算得到PM2.5的检测浓度值，所述信号处理单元利用所述PM2.5的背景浓度值对所述PM2.5的检测浓度值进行校准，并输出校准后的PM2.5浓度值。
[0008]根据本发明的PM2.5传感器的一实施例，所述电磁阀具有一个与进气口相连的吸气口和两个分别与所述检测气体通道以及所述校准气体通道相连的出气口。
[0009]根据本发明的PM2.5传感器的一实施例，所述电磁阀控制单元包括计时子单元和电磁阀开关子单元，其中所述计时子单元设定一个确定时间，经过所述确定时间后发出切换信号，所述电磁阀开关子单元根据所述切换信号控制所述电磁阀的通断，用于切换所述检测气体通道和所述校准气体通道。
[0010]根据本发明的PM2.5传感器的一实施例，所述校准气体通道设有过滤器，所述过滤器捕捉空气中的细小颗粒，对空气进行过滤以产生洁净气体。
[0011 ]根据本发明的PM2.5传感器的一实施例，所述检测光源单元包括激光二极管和整形透镜，所述激光二极管发出激光光束，所述整形透镜将所述激光光束整形后投射到检测室内。
[0012]根据本发明的PM2.5传感器的一实施例，所述光接收单元包括光电二极管和汇聚透镜，所述汇聚透镜收集检测室内的散射光并将其汇聚到所述光电二极管，所述光电二极管接收光信号并将其转换成电压脉冲信号并发送至所述信号处理单元。
[0013]根据本发明的PM2.5传感器的一实施例，所述信号处理单元包括信号放大单元、浓度计算单元、数据存储单元以及浓度校准单元，所述电压脉冲信号经所述信号放大单元放大后传输至所述浓度计算单元，所述浓度计算单元根据电信号计算获得相应的PM2.5浓度信号，所述数据存储单元用以存储所述PM2.5的背景浓度值和所述PM2.5的检测浓度值，所述浓度校准单元根据所存储的PM2.5的背景浓度值对所述PM2.5的检测浓度值进行校准。
[0014]根据本发明的PM2.5传感器的一实施例，所述传感器还包括传感器壳体，所述传感器壳体上设置有进气口和风扇，开启所述风扇，空气从所述进气口进入所述传感器并经由所述风扇排出。
[0015]根据本发明的PM2.5传感器的一实施例，所述检测光源单元和所述光接收单元均位于所述检测室内，所述检测室的两端分别连接进气通道和排气通道，所述排气通道与所述风扇相连。
[0016]本发明还揭示了一种基于PM2.5传感器实现的PM2.5浓度自动校准方法，所述方法包括:
[0017]进气口与校准气体通道相连通的同时开始计时；
[0018]进入的空气经过滤后成为洁净空气，再进入检测室；
[0019]在检测室中对洁净空气进行照射形成第一散射光，接收到第一散射光并将其转换为第一电信号；
[0020]根据第一电信号计算得到PM2.5背景浓度值并加以存储；
[0021]判断PM2.5的背景浓度值是否小于设定阈值，若超过设定阈值则说明传感器内部灰尘积累过多；
[0022]判断计时是否达到设定时间，若达到设定时间则将进气口切换至与检测气体通道相连通；
[0023]检测室中对空气进行照射形成第二散射光，接收到第二散射光并将其转换为第二电信号；
[0024]根据第二电信号计算得到PM2.5的检测浓度值并加以存储；
[0025]根据PM2.5的背景浓度值对PM2.5的检测浓度值进行校准，从而得到校准后的PM2.5浓度值。
[0026]本发明对比现有技术有如下的有益效果:本发明的PM2.5传感器的设计合理，结构简单，应用简便。PM2.5传感器包括检测气体通道、校准气体通道、检测光源单元、光接收单元、信号处理单元、电磁阀、电磁阀控制单元和检测室。将检测室进气通道分为检测气体通道和校准气体通道，分别采用外界空气和过滤后的洁净空气，得到PM2.5的检测浓度和背景浓度，从而能够利用背景浓度对检测浓度进行校准，有效排除了颗粒物积累对传感器输出结果的影响，提高了PM2.5浓度的检测精度，且过滤后的洁净空气作为一种保护气，对传感器有一定清洁作用，延长了传感器的使用寿命。
【附图说明】
[0027]图1示出了本发明的PM2.5传感器的较佳实施例的结构示意图。
[0028]图2示出了基于PM2.5传感器实现的PM2.5浓度自动校准方法的较佳实施例的流程图。
[0029]图3示出了电磁阀控制单元的较佳实施例的原理图。
[0030]图4示出了信号处理单元的较佳实施例的原理图。
【具体实施方式】
[0031]在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。
[0032]请参见图1，图1示出了本发明的PM2.5传感器的较佳实施例的结构。PM2.5传感器包括检测气体通道4、校准气体通道5、检测光源单元7、光接收单元9、信号处理单元、电磁阀
3、电子阀控制单元、检测室8 ο电磁阀控制单元控制电磁阀3在检测气体通道4与校准气体通道5之间切换。校准气体通道5对空气进行过滤，产生洁净气体通入检测室8。检测光源单元7发出光束，光接收单元9对产生的散射光进行采集并将其转换为电压脉冲信号。信号处理单元根据接收到的电压脉冲信号计算得到PM2.5的背景浓度值。检测气体通道4直接将外部空气不经过滤通入检测室8，计算得到PM2.5的检测浓度值。信号处理单元利用PM2.5的背景浓度值对PM2.5的检测浓度值进行校准，并输出校准后的PM2.5浓度值。
[0033]此外，传感器还包括矩形的传感器壳体I，进气口2位于传感器壳体I的左端，风扇11位于传感器壳体I的一侧，开启风扇11，空气就从进气口 2进入传感器并经由风扇11排出。
[0034]传感器壳体I内设有电磁阀3、检测气体通道4、校准气体通道5、检测室8、排气通道10。电磁阀3具有一个与进气口 2相连的吸气口和两个分别与检测气体通道4以及校准气体通道5相连的出气口，电磁阀3可在进气口 2与检测气体通道5相连通或进气口 2与校准气体通道5相连通之间切换。具体而言，如图3所示，在电磁阀控制单元中包括计时子单元31和电磁阀开关子单元32，计时子单元31设定一个确定时间，经过这一确定时间后发出切换信号，电磁阀开关子单元32根据切换信号控制电磁阀3的通断，用于切换检测气体通道4和校准气体通道5。
[0035]校准气体通道5内设有过滤器6，可以捕捉空气中的细小颗粒，对空气进行过滤以产生洁净气体。
[0036]检测室8内设有检测光源单元7、光接收单元9，检测室8—侧与检测气体通道4相连，另一侧与排气通道10相连，排气通道10连通风扇11。
[0037]检测光源单元7中包括激光二极管和整形透镜。激光二极管发出激光光束，整形透镜将所述激光光束整形后投射到检测室内。光接收单元9中包括光电二极管和汇聚透镜。汇聚透镜收集检测室8内的散射光并将其汇聚到光电二极管，光电二极管接收光信号并将其转换成电压脉冲信号并发送至信号处理单元。
[0038]如图4所示，信号处理单元包括信号放大单元121、浓度计算单元122、数据存储单元123以及浓度校准单元124。电压脉冲信号经信号放大单元121放大后传输至浓度计算单元122，浓度计算单元122根据电信号计算获得相应的PM2.5浓度信号，数据存储单元123用以存储PM2.5的背景浓度值和PM2.5的检测浓度值，浓度校准单元124根据所存储的PM2.5的背景浓度值对PM2.5的检测浓度值进行校准。
[0039]图2进一步示出了PM2.5传感器的工作流程，亦即使用图1所示的PM2.5传感器进行PM2.5浓度的自动校准的方法的流程。请参考图2，本实施例的自动校准方法的详细步骤如下。
[0040]步骤SI:控制电磁阀，进气口与校准气体通道连通，同时计时单元开启计时。
[0041]在本步骤中，是通过电子阀控制单元控制电磁阀使得进气口与校准气体通道相连通。随后空气从校准气体通道经过滤后成为洁净空气进入检测室。
[0042]步骤S2:开启激光二极管，采集散射光强，计算PM2.5的背景浓度值。
[0043]在检测室中，检测光源单元对洁净空气进行照射形成散射光，光接收单元接收到散射光并将其转换为电信号。信号处理单元根据光接收单元产生的电信号计算得到PM2.5的背景浓度值，并储存这一背景浓度值。
[0044]步骤S3:判断PM2.5的背景浓度值是否小于设定阈值，若小于则进入步骤S4，否则进入步骤S5。
[0045]步骤S4:判断计时是否达到设定值，若是则进入步骤S6，如否则转到步骤SI。
[0046]由电磁阀控制单元中的计时子单元判断计时是否达到设定时间。
[0047]步骤S5:提醒用户清洁传感器，然后转入步骤S4。
[0048]当PM2.5的背景浓度值小于设定阈值时，说明传感器内部灰尘积累过多，需要清洁传感器。
[0049]步骤S6:控制电磁阀，进气口与检测气体通道相连。
[0050]说明计时已经到达设定时间，则由计时子单元发出电磁阀开关切换信号，电子阀开关子单元根据开关切换信号控制电磁阀使进气口与检测气体通道相连通。
[0051 ]步骤S7:采集散射光强，计算PM2.5的检测浓度值。
[0052]检测室中的检测光源单元对空气进行照射形成散射光，光接收单元接收到散射光并将其转换为电信号。信号处理单元根据光接收单元产生的电信号计算得到PM2.5检测浓度值，并储存该浓度值。
[0053]步骤S8:根据PM2.5的背景浓度值对PM2.5的检测浓度值进行校准。
[0054]信号处理单元中的校准子单元根据PM2.5背景浓度值对PM2.5检测浓度值进行校准，从而得到校准后的PM2.5浓度值。
[0055 ]步骤S9:输出校准后的PM2.5的浓度值。
[0056]尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。
[0057]本领域技术人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。
[0058]结合本文所公开的实施例描述的各种解说性逻辑板块、模块、和电路可用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。
[0059]结合本文中公开的实施例描述的方法或算法的步骤可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中体现。软件模块可驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、⑶-ROM、或本领域中所知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读取和写入信息。在替换方案中，存储介质可以被整合到处理器。处理器和存储介质可驻留在ASIC中。ASIC可驻留在用户终端中。在替换方案中，处理器和存储介质可作为分立组件驻留在用户终端中。
[0060]在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现为计算机程序产品，则各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括ram、rom、EEPR0M、CD_R0M或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。
[0061]提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。
【主权项】
1.一种PM2.5传感器，其特征在于，包括检测气体通道、校准气体通道、检测光源单元、光接收单元、信号处理单元、电磁阀、电磁阀控制单元及检测室，其中所述电磁阀控制单元控制所述电磁阀在所述检测气体通道与所述校准气体通道之间切换，所述校准气体通道对空气进行过滤，产生洁净气体后通入所述检测室，所述检测光源单元发出光束，所述光接收单元对产生的散射光进行采集并将其转换为电压脉冲信号，所述信号处理单元根据接收到的电压脉冲信号计算得到PM2.5的背景浓度值，所述检测气体通道直接将外部空气不经过滤通入检测室，计算得到PM2.5的检测浓度值，所述信号处理单元利用所述PM2.5的背景浓度值对所述PM2.5的检测浓度值进行校准，并输出校准后的PM2.5浓度值。2.根据权利要求1所述的PM2.5传感器，其特征在于，所述电磁阀具有一个与进气口相连的吸气口和两个分别与所述检测气体通道以及所述校准气体通道相连的出气口。3.根据权利要求2所述的PM2.5传感器，其特征在于，所述电磁阀控制单元包括计时子单元和电磁阀开关子单元，其中所述计时子单元设定一个确定时间，经过所述确定时间后发出切换信号，所述电磁阀开关子单元根据所述切换信号控制所述电磁阀的通断，用于切换所述检测气体通道和所述校准气体通道。4.根据权利要求3所述的PM2.5传感器，其特征在于，所述校准气体通道设有过滤器，所述过滤器捕捉空气中的细小颗粒，对空气进行过滤以产生洁净气体。5.根据权利要求4所述的PM2.5传感器，其特征在于，所述检测光源单元包括激光二极管和整形透镜，所述激光二极管发出激光光束，所述整形透镜将所述激光光束整形后投射到检测室内。6.根据权利要求5所述的PM2.5传感器，其特征在于，所述光接收单元包括光电二极管和汇聚透镜，所述汇聚透镜收集检测室内的散射光并将其汇聚到所述光电二极管，所述光电二极管接收光信号并将其转换成电压脉冲信号并发送至所述信号处理单元。7.根据权利要求6所述的PM2.5传感器，其特征在于，所述信号处理单元包括信号放大单元、浓度计算单元、数据存储单元以及浓度校准单元，所述电压脉冲信号经所述信号放大单元放大后传输至所述浓度计算单元，所述浓度计算单元根据电信号计算获得相应的PM2.5浓度信号，所述数据存储单元用以存储所述PM2.5的背景浓度值和所述PM2.5的检测浓度值，所述浓度校准单元根据所存储的PM2.5的背景浓度值对所述PM2.5的检测浓度值进行校准。8.根据权利要求7所述的PM2.5传感器，其特征在于，所述传感器还包括传感器壳体，所述传感器壳体上设置有进气口和风扇，开启所述风扇，空气从所述进气口进入所述传感器并经由所述风扇排出。9.根据权利要求8所述的PM2.5传感器，其特征在于，所述检测光源单元和所述光接收单元均位于所述检测室内，所述检测室的两端分别连接进气通道和排气通道，所述排气通道与所述风扇相连。10.一种基于权利要求1至9中任一项所述的PM2.5传感器实现的PM2.5浓度自动校准方法，所述方法包括: 进气口与校准气体通道相连通的同时开始计时； 进入的空气经过滤后成为洁净空气，再进入检测室； 在检测室中对洁净空气进行照射形成第一散射光，接收到第一散射光并将其转换为第一电信号； 根据第一电信号计算得到PM2.5背景浓度值并加以存储； 判断PM2.5的背景浓度值是否小于设定阈值，若超过设定阈值则说明传感器内部灰尘积累过多； 判断计时是否达到设定时间，若达到设定时间则将进气口切换至与检测气体通道相连通； 检测室中对空气进行照射形成第二散射光，接收到第二散射光并将其转换为第二电信号； 根据第二电信号计算得到PM2.5的检测浓度值并加以存储； 根据PM2.5的背景浓度值对PM2.5的检测浓度值进行校准，从而得到校准后的PM2.5浓度值。
【文档编号】G01N15/06GK106053309SQ201610536378
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月8日
【发明人】丁雪临, 余召锋
【申请人】上汽大众汽车有限公司