CN204789251U - 基于Mie散射的颗粒物在线监测仪的信号前置处理电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于Mie散射的颗粒物在线监测仪的信号前置处理电路，包括光路系统、信号采集系统和上位机，所述光路系统包括激光器和光电探测器；所述信号采集系统包括信号转换、滤波、放大电路，AD采集电路和单片机控制电路。本实用新型设计简单、成本低，通过硬件电路结合下位机的软件算法，最大程度减小了环境因素对测量结果的影响，不需要制作暗室和对外界气体样本进行抽取，减小了对机械结构、光路设计和实际安装的要求，系统具有很高的精确度和稳定性，有较高的信噪比，不易受到外界因素的干扰。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种在线监测仪的信号前置处理电路，具体涉及一种基于Mie散射的颗粒物在线监测仪的信号前置处理电路。
背景技术
近年来，随着工业发展和城市化进程的不断加快，空气中可吸入颗粒物对人们生成和生活的影响越来越大。
基于光散射法测量颗粒物参数的技术是一项对空间中颗粒物进行在线监控、实时评价空气质量、指导除尘和降尘措施的实用技术。在生产生活过程中，如何测量和监控空间中颗粒物的粒径分布及浓度的方法和测量仪器一直备受业内人士的关注。在过去的几十年间，随着光散射法测量颗粒物浓度技术的逐渐成熟，与其相关的产品日趋完善，越来越多的工程师和生产企业开始将该项技术应用到不同的工业生产领域中。由于该项技术有着广泛的优点，目前已成为测量空间中颗粒物浓度的重要方法。
下面对基于光散射消光法测量颗粒物浓度的基本原理进行简单介绍：光线通过颗粒物质时，对于数量级与使用光波长相等或较大的颗粒，光散射是光能衰减的主要形式。如果微粒在其空间上均匀分布，在一定方向某立体角内的散射光能量与颗粒物粒径、浓度成一定比例关系，运用理论模型，通过光线发射和接收能量的变化即可得出一定空间内颗粒物浓度。
信号前置处理电路面临的问题有：其一，空间中一定浓度颗粒物对光的散射造成光能量的衰减很小，这个微弱信号很容易被各种杂散光信号淹没，需要信号前置处理电路有较高的信噪比；其二，外界环境因素的变化会造成光源发光强度的变化和电路部分的漂移，造成测量数据的不准确。
针对外界光的干扰，现有的一些基于光散射法测量颗粒物浓度的仪器采用抽取式结构，在仪器内部构造暗室，将空气样本抽取到暗室内，最大程度上隔绝外界光对测量的干扰，但抽取过程破坏原来环境的气体空间，很难对测量结果进行评价；针对光源发光强度的变化，在结构上采取分光镜的双光路结构，用参考光束跟踪光源强度变化，并对测量光束进行定时校正及温度补偿，但对光路的安装精度比较高，实际操作时难度较大。
在电路上采用差分放大电路，将包含测量结果的正向输入信号和包含所处环境的反向输入信号，进行差值计算消除外部环境的影响，再进行主放大，一方面可以补偿背景自然光、温度、电源、电磁干扰等的影响，一方面消除环境的变化如镜头污染、烟道灰尘积累等影响，但需要针对正向和反向输入信号前端处理电路的性能、参数要相互匹配。另外，在电路上，还有采用调制解调的方法，可以较好地滤除调制频率以外的噪声信号，提高系统的信噪比。
实用新型内容
为解决上述问题，本实用新型提供了一种基于Mie散射的颗粒物在线监测仪的信号前置处理电路，具有较高的精确度和稳定性。
为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为：
基于Mie散射的颗粒物在线监测仪的信号前置处理电路，包括光路系统、信号采集系统和上位机。
所述光路系统包括：
激光器，用于接收到来自电路的方波调制信号，输出经过调制的光信号，同时通过内部的光敏二极管输出PD反馈信号；
光电探测器，用于将光信号转换为光电流信号；
所述信号采集系统包括：
信号转换、滤波、放大电路，用于接收光电流信号，将其转换为电压信号，并对信号进行滤波、放大；
AD采集电路，用于对模拟电压信号进行采样，输出数字信号到单片机；
单片机控制电路，用于接收信号，将测量信号(或PD信号)进行存储，对信号进行滤波处理，差值运算；并将测量结果通过RS485通讯接口输出到上位机。
作为优选，采用主从结构的通信模式，包括光电池信号处理电路板和PD反馈信号处理电路板。
作为优选，所述信号转换、滤波、放大模块包括运算放大器、电容及电阻，输入信号为光电流信号和PD信号，输出信号为电压信号。
作为优选，所述AD采集电路包括16位的AD转换芯片、电阻和电容。
本实用新型具有以下有益效果：
设计简单、成本低，通过硬件电路结合下位机的软件算法，最大程度减小了环境因素对测量结果的影响，不需要制作暗室和对外界气体样本进行抽取，减小了对机械结构、光路设计和实际安装的要求，系统具有很高的精确度和稳定性，有较高的信噪比，不易受到外界因素的干扰。
附图说明
图1为本实用新型实施例中信号前置处理电路的原理框图；
图2为本实用新型实施例中信号前置处理电路的下位机信号处理框图；
图3为本实用新型实施例中信号前置处理电路的通信结构主从结构示意图；
图4为本实用新型实施例中信号前置处理电路的数据格式图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
如图1-4所示，本实用新型实施例提供了基于Mie散射的颗粒物在线监测仪的信号前置处理电路，包括光路系统5、信号采集系统4和上位机。
所述光路系统包括：
激光器，用于接收到来自电路的方波调制信号，输出经过调制的光信号，同时通过内部的光敏二极管输出PD反馈信号；
光电探测器，用于将光信号转换为光电流信号；
所述信号采集系统包括：
信号转换、滤波、放大电路3，用于接收光电流信号，将其转换为电压信号，并对信号进行滤波、放大；
AD采集电路2，用于对模拟电压信号进行采样，输出数字信号到单片机；
单片机控制电路1，用于接收信号，将测量信号(或PD信号)进行存储，再对信号进行奇异值滤波，滤除粗大值，分别对高低电平进行平均值滤波，滤除高频干扰；然后进行差值运算；在一小段时间内，信号低电平代表所处环境不包含测量结果的信号，用信号高电平的平均值减去低电平的平均值，实现了差动输出的效果；最后通过PD反馈信号跟踪激光器发光强度的变化，运用补偿算法，通过一定比例关系对测量光束进行定时校正及温度补偿，并将测量结果通过RS485通讯接口输出到上位机。
采用主从结构的通信模式，包括光电池信号处理电路板和PD反馈信号处理电路板。
所述RS485通讯接口输出的通讯格式包含命令格式和数据格式。
所述命令格式包含字头、地址、功能和字尾，数据格式包含字头、地址、功能、数据、校验和字尾。
所述信号转换、滤波、放大模块包括运算放大器、电容及电阻，输入信号为光电流信号和PD信号，输出信号为电压信号。
所述AD采集电路包括16位的AD转换芯片、电阻和电容。
本具体实施一端连接至检测具有颗粒物的被测区域，另一端连接至上位机，在被测区域，发射端激光器接收到来自电路的方波调制信号，频率为几赫兹，输出经过调制的光信号，通过接收端的光电池转换为光电流信号。同时，发射端的激光器经过内部的光敏二极管输出PD反馈信号，光电流信号和PD反馈信号分别输入发射和接收端电路进行处理。在激光器关断期间，采集到的即为所处环境不包含测量结果的信号，从而提供了一个背景参考值。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (4)
1.基于Mie散射的颗粒物在线监测仪的信号前置处理电路，其特征在于，包括光路系统、信号采集系统和上位机；
所述光路系统包括：
激光器，用于接收到来自电路的方波调制信号，输出经过调制的光信号，同时通过内部的光敏二极管输出PD反馈信号；
光电探测器，用于将光信号转换为光电流信号；
所述信号采集系统包括：
信号转换、滤波、放大电路，用于接收光电流信号，将其转换为电压信号，并对信号进行滤波、放大；
AD采集电路，用于对模拟电压信号进行采样，输出数字信号到单片机；
单片机控制电路，用于接收信号，将测量信号进行存储，对信号进行滤波处理，差值运算；并将测量结果通过RS485通讯接口输出到上位机。
2.根据权利要求1所述的基于Mie散射的颗粒物在线监测仪的信号前置处理电路，其特征在于，采用主从结构的通信模式，包括光电池信号处理电路板和PD反馈信号处理电路板。
3.根据权利要求1所述的基于Mie散射的颗粒物在线监测仪的信号前置处理电路，其特征在于，所述信号转换、滤波、放大模块包括运算放大器、电容及电阻，输入信号为光电流信号和PD信号，输出信号为电压信号。
4.根据权利要求1所述的基于Mie散射的颗粒物在线监测仪的信号前置处理电路，其特征在于，所述AD采集电路包括16位的AD转换芯片、电阻和电容。
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|---|---|---|---|---|
| CN109187357A (zh) * | 2018-09-04 | 2019-01-11 | 南京大学 | 一种大气能见度与湍流同步测量系统及测量方法 |
| CN109342281A (zh) * | 2018-09-13 | 2019-02-15 | 北京雪迪龙科技股份有限公司 | 数字调制解调的激光粉尘监测仪及监测方法 |
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