专利名称：一种粉尘浓度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种空气洁净度检测设备，具体涉及一种粉尘浓度传感器。
背景技术：
目前对于粉尘浓度的测量，主要有以下几种方式一种采用粉尘采样器，利用滤膜 计重法原理抽取一定体积的含尘空气，粉尘被捕集在滤膜上，根据滤膜上增加的粉尘质 量，再利用公式计算出单位体积空气中粉尘质量浓度。这种方式不仅不便于操作，而且不能 连续测量。一种是直读式测尘仪，主要利用间接方法如光散射、β源吸收等原理，利用采样 器进行标定，可即时显示测量出的粉尘浓度值来，但工作时间短，测量次数有限，不能够对 粉尘连续监测，只能作为常规便携式测尘仪使用。现在开发出一种可连续检测直读式粉尘浓度传感器可连续检测粉尘浓度。专利号为“CN200620125097.X”，专利名称为“粉尘浓度传感器”的中国专利公开 了 “一种对粉尘浓度进行长时间连续监测并即时显示粉尘浓度值，同时转换成频率信号输 出的传感器。结构由外壳、粉尘采样头、粉尘室、风机、光电接收装置组成；” “光电接收装 置包括光源座、光源架、光源密封套、光电倍增管”。该专利公开的粉尘浓度传感器能够实现 在粉尘环境下的连续工作，但是因其使用光电倍增管，使用时需要提供较高的电压，这在粉 尘作业场所构成了安全隐患。

发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术中的缺点，提供一种无需光电倍增管，稳定灵 敏度高，且结构合理小巧的粉末浓度传感器。本发明的一种粉末浓度传感器，包括采样单元、光电转换单元、信号放大单元，处 理单元，所述采样单元，将外界含尘空气抽入所述传感器内部，并经过光电转换单元；光电转换单元，提供一光源，照射经过的含尘空气，并产生散射光，将所述散射光 转换为电压输出信号，并输出所述电压信号到信号放大单元；所述光电转换单元包括一个 发出激光光束的半导体激光光源，在该激光光源发出光束的前进方向上，依次设有入射光 通道、光照区、出射光通道、光陷阱；经过光照区且与光路垂直方向上设有球面反射镜、半导 体光探测器，球面反射镜和光探测器分别在光照区的两边；所述进气接管和出气接管对称 分布在光照区的两侧，进气接管在光照区的上端，出气接管在光照区的下端，所述进气接管 的管径小于出气接管的管径；所述进气接管的管孔呈偏平状；信号放大单元，与光电转换单元中的半导体光探测器相连，将接收到的电信号进 行处理放大并输出。处理单元，与信号放大单元连接，基于信号放大单元输出的电压信号、以及预存的 电压信号与粉末浓度的比例关系计算粉末浓度。在本发明一个优选实施例中，所述采样系统包括采样口、进气管、排气管、排气口，所述采样口连接进气管，进气管穿过所述光电转换单元连接采样泵入口，采样泵出口连接 排气管，排气管连接排气口。在本发明一个优选实施例中，所述光电转换单元设有一与外界相通的腔体，该腔 体用于容纳球面反光镜，便于球面反射镜的拆卸。在本发明一个优选实施例中，所述激光光源的功率为2-3. 5毫瓦。在本发明一个优选实施例中，所述光陷阱内壁为黑色。 在本发明一个优选实施例中，所述半导体光电探测器为高敏感度的光电二极管。在本发明一个优选实施例中，所述信号放大单元包括微分放大电路、信号检出电 路、积分与输出电路；所述微分放大电路，与光电转换单元中的半导体光探测器电性连接，该微分放大 电路对输入的电信号进行微分、放大；所述信号检出电路，与该微分放大电路电性连接，该信号检出电路对经微分放大 电路微分、放大后的电信号进行取样检出；所述积分与输出电路，与该信号检出电路电性连接，该积分与输出电路从信号检 出电路接收取样检出的结果，并对该结果进行积分，并转换为随粉尘浓度大小变化的直流 信号，再将该直流信号传输至该处理器。在本发明一个优选实施例中，所述微分放大电路包括运算放大器、电容及电阻，该 微分放大电路对从光电转换单元接收的由粉尘光信号转换而来的电信号进行微分、放大， 将该粉尘光信号按大小和形状的不同转换为幅度、宽度不同的电信号。 在本发明一个优选实施例中，该信号检出电路包括一高频二极管。在本发明一个优选实施例中，该积分与输出电路包括放大器、电阻、电容，其中，该 电阻及电容构成一时间常数电路。本发明与现有技术方案相比其优点是结构合理，测量稳定性好，灵敏度精度高， 易维护。


图1为本发明的一种实施例内部结构示意图；图2为图1的右视示意图；图3为图1的左视示意图；图4为光电转化单元的一种结构示意图；图5为图4俯视剖视图；图6为现有技术中进气接管的截面图；图7为本实施例中进气接管的截面图；图8为本发明信号放大单元的功能方框图。其中，1为机壳；2为信号处理单元；3为绝缘固定板；4为进气管；5为采样口；6为 光电转换单元；7为信号放大单元；8为排气口 ；9为悬挂把手；10为接口 ；11为采样泵；12 为排气管；61为激光光源；62为光电转化单元总安装座；63为进气接管；64为出气接管；65 为光电探测器；66为光源安装座；68为球面反射镜；621为出射光路；622为入射光路；623 为光陷阱；631为管孔；632为管壁；71为微分放大电路；72为信号检出电路；73为积分与输出电路；74为电路板；75为电路安装座。
具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能 更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。如图1结合图2、图3所示，本实施例的传感器包括机壳1、信号处理单元2、绝缘固 定板3、进气管4、采样口 5、光电转换单元6、信号放大单元7，排气口 8、悬挂把手10、采样泵 11、排气管12。采样口 5在机壳1的左侧上端，连接进气管4，进气管4穿过光电转化单元 6连接采样泵入口，采样泵出口再连接排气管12，排气口 8在机壳1的底部，光电转换单元 6连接信号放大单元7，信号放大单元7再连接信号处理单元2。采样口 5、进气管4、采样 泵11、排气管12、排气口 8组成采样系统单元。绝缘固定板3将机壳内空间分成前后两个 空间，采样系统单元和光电转换单元6排布固定在绝缘固定板上，位于机壳的后面的空间， 信号处理单元2固定在绝缘固定板的另一面，位于机壳的前面的空间。机壳上端装有悬挂 把手9，可将本实施例的传感器悬挂在高处使用。如图4结合图5所示，总安装座62为一长方体结构，中间有一圆形空间作为光照 区，激光光源61安装在总安装座62的左端安装孔中，通过安装座67固定在总安装座上，可 通过螺钉连接。总安装座62右端安装孔中有一黑色物体将安装孔的开口封闭，形成光陷 阱。总安装座62上端孔中接有进气接管63，下端孔中接有出气接管64，所述进气接管63、 出气接管64都向内延伸入光照区域。总安装座62前端安装孔中安装有球面反射镜68，后 端安装孔中安装有光电探测器65，光电探测器65和信号放大单元7连接。电路板74通过 电路安装座75固定连接在总安装座62的后面。如图6所示，含尘空气在采样泵11的作用下，旋转着进入进气管道，现有技术中的 进气接管63的管孔631呈圆形，因而使得尘埃颗粒在管腔中心分布比较密，外围分布比较 稀松，这样分布不均勻，会影响测量精度，同时当粉尘浓度达到一定程度时，因管腔中心粉 尘密度过密，使得无法继续测量，因而量程范围小。如图7所示，本实施例的进气接管63的管孔631呈扁平状，可使尘埃颗粒在管壁 中撞击，对其进行强制整形，改变其分布规律，使尘埃颗粒分布均勻，从而提高测量精度，同 时提高量程范围。光陷阱623的内壁都为黑色，可吸收光，无反射，不会产生干扰。出气接管64的管径大于进气接管63的管径，形成近似漏斗形，从而减少含尘空气 中的尘埃颗粒在光照区中推积，进而可减少维护次数。球面反射镜68为可拆卸安装，这样方便将球面反射镜拆下清洁，本实施例是用黑 色胶布将其固定在总安装座的安装孔中，也可使用其它可拆卸得安装方式。光电探测器65可选用高敏感度的光电二极管。激光光源61可选用功率为2-3. 5毫瓦的。本实施例的传感器的工作分成两个部分一是采样部分启动采样泵11，将外界含尘空气从采气口抽入进气管，进气管连 接进气接管63，进入光电转化单元6，在从出气接管64排出光电转化单元6进入采样泵11， 采样泵11的出口连接排气管12将空气从排气口 8排出传感器。
二是检测部分含尘空气从进气接管63进入，经过光照区，在出气接管64排出。激 光光源61从入射光路622进入，经过光照区，从出射光路621进入光陷阱623。当光在光照 区照射到含尘空气中的尘埃颗粒时，会发生折射，一部分折射光会直接折射进入光探测器 65的光敏区，另一部分会折射到球面反射镜68上，再由镜面反射镜68将折射光折射进入光 探测器65的 光敏区，光探测器将接收的光信号装换为电压信号传输到信号放大单元7。信 号放大单元7将放大后的电压信号输入到信号处理单元2进行处理。如图8所示，所述信号放大单元7包括微分放大电路71、信号检出电路72、积分与 输出电路73，所述信号放大单元其一端连接光电转换单元6，另一端连接至信号处理单元 2。其中，微分放大电路71包括运算放大器、电容、电阻等元件，微分放大电路71稳定性高， 其放大倍数高达十万倍，而不会自激。微分放大电路71从光电转换单元6接收到从空气中 粉尘感测到的粉尘电信号，并对此电信号进行微分、放大，进而将检测到的粉尘光信号按大 小和形状的不同，转换为幅度、宽度不同的电信号。信号检出电路72包括一个高频二极管D，该高频二极管D的敏感度可达0. 2V，即 检测到0.2V及以上的电压信号即可导，可采集到微小的粉尘信号。该信号检出电路72对 经微分放大电路71处理后的电信号进行取样检出，并输出到积分与输出电路73。积分与输出电路73包括放大器、电阻、电容等元件，其中，电阻及电容用于构成积 分电路的时间常数电路。该积分与输出电路73对从信号检出电路72输出的电信号进行积 分以还原探测到的粉尘光信号，并转换为随粉尘浓度大小变化的直流信号。之后，该积分与 输出电路73将此直流信号输出至信号处理单元2进行处理，以统计空气中粉尘含量。其中， 信号处理单元2包括中央处理器(center processing unit, CPU)或是计算机。本发明的信号放大单元7采用了稳定性高的微分放大电路71，该微分放大电路71 能做到把信号放大数十万倍，而不会自激，减少了电路放大级数，从而克服了直流放大器的 零点漂移问题，提高了设备的稳定性。同时，可方便地采集到微小的粉尘信号，大大提高了 探测的精确度和灵敏度。根据微分放大的原理，该粉尘探测系统能把检测到的粉尘光信号 按大小和形状的不同转变为幅度、宽度不同的电信号，经过检出电路、积分电路，直接转为 随粉尘浓度大小变化的直流信号，以供处理器统计使用。本发明稳定性强、测量精度高，可 广泛应用于水泥厂、煤厂等含有粉尘的工业部门。以上所述，仅为本发明的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何 熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或 替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限 定的保护范围为准。
权利要求
一种粉末浓度传感器，包括采样单元、光电转换单元、信号放大单元，处理单元，其特征在于所述采样单元，将外界含尘空气抽入所述传感器内部，并经过光电转换单元；光电转换单元，提供一光源，照射经过的含尘空气，并产生散射光，将所述散射光转换为电压输出信号，并输出所述电压信号到信号放大单元；所述光电转换单元包括一个发出激光光束的半导体激光光源，在该激光光源发出光束的前进方向上，依次设有入射光通道、光照区、出射光通道、光陷阱；经过光照区且与光路垂直方向上设有球面反射镜、半导体光探测器，球面反射镜和光探测器分别在光照区的两边；所述进气接管和出气接管对称分布在光照区的两侧，进气接管在光照区的上端，出气接管在光照区的下端，所述进气接管的管径小于出气接管的管径；所述进气接管的管孔呈偏平状；信号放大单元，与光电转化单元中的半导体光探测器相连，将接收到的电信号进行处理放大并输出；处理单元，与信号放大单元连接，基于信号放大单元输出的电压信号、以及预存的电压信号与粉末浓度的比例关系计算粉末浓度。
2.根据权利要求1所述的一种粉末浓度传感器，其特征在于所述采样系统包括采样 口、进气管、排气管、排气口，所述采样口连接进气管，进气管穿过所述光电转换单元连接采 样泵入口，采样泵出口连接排气管，排气管连接排气口。
3.根据权利要求1所述的一种粉末浓度传感器，其特征在于所述光电转换单元设有 一与外界相通的腔体，该腔体用于容纳球面反光镜，便于球面反射镜的拆卸。
4.根据权利要求3所述的一种粉末浓度传感器，其特征在于所述激光光源的功率为 2-3. 5毫瓦。
5.根据权利要求4所述的一种粉末浓度传感器，其特征在于所述光陷阱内壁为黑色。
6.根据权利要求3至5之一所述的一种光粉末浓度传感器，其特征在于所述半导体 光电探测器为高敏感度的光电二极管。
7.根据权利要求1所述的一种粉末浓度传感器，其特征在于所述信号放大单元包括 微分放大电路、信号检出电路、积分与输出电路；所述微分放大电路，与光电转换单元中的半导体光探测器电性连接，该微分放大电路 对输入的电信号进行微分、放大；所述信号检出电路，与该微分放大电路电性连接，该信号检出电路对经微分放大电路 微分、放大后的电信号进行取样检出；所述积分与输出电路，与该信号检出电路电性连接，该积分与输出电路从信号检出电 路接收取样检出的结果，并对该结果进行积分，并转换为随粉尘浓度大小变化的直流信号， 再将该直流信号传输至该处理器。
8.根据权利要求7所述的一种粉末浓度传感器，其特征在于所述微分放大电路包括 运算放大器、电容及电阻，该微分放大电路对从光电转换单元接收的由粉尘光信号转换而 来的电信号进行微分、放大，将该粉尘光信号按大小和形状的不同转换为幅度、宽度不同的 电信号。
9.根据权利要求7所述的粉尘探测系统，其特征在于，该信号检出电路包括一高频二极管。
10.根据权利要求7所述的粉尘探测系统，其特征在于，该积分与输出电路包括放大 器、电阻、电容，其中，该电阻及电容构成一时间常数电路。
全文摘要
本发明公开了一种粉末浓度传感器，采样单元，将外界含尘空气抽入所述传感器内部，并经过光电转换单元；光电转换单元，提供一光源，照射经过的含尘空气，并产生散射光，将所述散射光转换为电压输出信号，并输出所述电压信号到信号放大单元；信号放大单元，与半导体光探测器相连，将接收到的信号进行处理放大并输出；处理单元，与信号放大单元连接，基于信号放大单元输出的电压信号、以及预存的电压信号与粉末浓度的比例关系计算粉末浓度。本发明结构合理，测量稳定性好，灵敏度精度高，易维护。
文档编号G01N21/53GK101968426SQ20101029409
公开日2011年2月9日 申请日期2010年9月27日 优先权日2010年9月27日
发明者范人杰 申请人:常熟市矿山机电器材有限公司