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紅外吸收粉塵傳感器的設計

更新時間: 2019-07-09 10:42 來源: 網絡 編輯: 粉塵濃度傳感器 閱覽: ? 技術文檔
 

第 42 卷   第 9

激 光 與 紅 外

Vol. 42,No. 9

2012 年 9 月

 

LASER  &  INFRARED

September,2012

     
     

文章編號:1001-5078( 2012) 09-1007-04

 

·紅外技術及應用·

紅外吸收粉塵傳感器的設計

鄭德忠,趙樂平

( 燕山大學測試計量技術及儀器河北省重點實驗室,河北 秦皇島 066004)

摘 要:基于粉塵對紅外光的吸收原理提出了一種測量粉塵濃度的傳感器新方案。以朗伯 - 比爾定律為理論依據,傳感器采用空間雙光路結構,應用差分算法,建立數學模型,采用MSP430F149,ICL7605 和 AD620 等芯片進行數據處理,并用實驗結果驗證可靠性。提出的粉塵設計方案對于提高粉塵測量精度,特別是煙道、煤礦中高濃度的粉塵安全檢測均有重要意義。

關鍵詞:紅外吸收; 粉塵濃度; 空間雙光路; 差分

中圖分類號:TP212文獻標識碼:ADOI: 10. 3969 /j. issn. 1001-5078. 2012. 09. 010

Design of infrared absorption sensor for dust concentration

ZHENG De-zhong,ZHAO Le-ping

( Measurement Technology and Instrumentation Key Lab of Hebei Province,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,China)

Abstract: Based on the principle of infrared absorption,a novel design of infrared sensor measuring the dust concen-tration is proposed in the paper. The linear mathematical model of sensor is established based on Lambert-Beer,the structure of double light paths and applying difference algorithm. Msp430f149,ICL7605 and AD620 are applied in the signal processing section.Then,the reliability of the measurement is verified by experimental data. It seems that the proposed infrared absorption dust sensor can not only improve the measurement accuracy of the sensor but also offer an interesting and significant solution for the safety monitoring in the coal mine and flue.

Key words: infrared absorption; dust concentration; space double beams; difference

1引言

隨著工業的發展,在提高生產效率的同時,產塵量及作業場所的粉塵濃度也在不斷的增加。尤其是在煤礦廠和工業生產的煙道中都會產生大量的粉塵,粉塵散布到我們的周圍,對人體、產品質量、環境、生態平衡很都有影響。因此,粉塵濃度的在線監測對確保人身安全和提高環境質量具有極其重要的意義。

在多種粉塵測量的方法中,基于光學方法來測量粉塵濃度的測試儀具有靈敏度高、響應速度快、壽命長等特點。本文提出了基于紅外吸收原理測量粉塵濃度的傳感器,傳感器采用差分結構,能消除光源不穩定和光電器件零漂移等因素的影響,從而獲取準確的粉塵測量濃度。

 引言

Ø理論基礎

光通過介質時,會與介質發生相互作用,除了被介質散射外,還會被介質吸收,其中吸收關系符合Lambert-Beer 定律。當平行光通過均勻介質時,以Lambert-Beer 定律為基礎,通過測量入射光強和出射光強,經過計算得到粉塵濃度。所以透射光強和出射光強的關系為:

IOUT = IIN exp( - αCL)( 1)式中,IOUT ,IIN 分別為透射、入射光強; C 為介質濃度;

基金項目: 河北省科學技術研究與發展計劃項目 ( No.05213503D) 資助。

作者簡介:鄭德忠( 1949 - ) ,男,教授,博士生導師,主要從事廣義預測控制,虛擬儀器,遙測遙控技術,網絡傳輸與信息技術,ARM嵌入式系統等方面的研究。

收稿日期:2012-01-10

1008激 光 與 紅 外第 42 卷

L 為光與介質相互作用的距離; α 為介質對光波的吸收系數。α 與光波的波長和介質的性質有關,如粉塵顆粒的粒徑、折射率等,與介質的濃度無關。

3系統的組成結構和工作原理

檢測系統的總體結構如圖 1 所示。

系統總體結構設計

圖 1系統總體結構設計

Fig. 1schematic diagram of the designed sensing system

3. 1數學模型的建立

紅外吸收粉塵傳感器采用空間雙光路結構,其中測量探測器所測量的信號與粉塵的濃度有關,而參考探測器所測量的信號沒有受到被測氣體濃度的影響。傳感器的紅外光源采用周期性的開關工作方式,即用單片機發出的脈沖來控制紅外光源的發光和熄滅,得到合適頻率的紅外光。測量探測器所測得的測量信號和參考探測器所測得的參考信號分別經過放大濾波電路并行進入單片機中,可在同一時刻得到兩路探測信號。這樣,光源熄滅得到兩路信號,包含了溫度和背景光信號造成的波動。光源打開時又得到兩路信號,這兩路信號中分別包含光源的波動、測量光路的擾動、探測器和電子器件擾動等干擾因素所造成的誤差。通過對這 4 路信號進行處理,就可以抵消上述各種干擾,得到更準確的測量結果。

[1 - 2]:

根據 Lambert-Beer 定律建立數學模型令紅外光源關閉,測量探測器兩端的電壓:

V1

= V11

+ V12

( 2)

參考探測器兩端的電壓為:

 

V2

= V21

+ V22

( 3)

式中,V11 ,V21 分別為背景光信號在測量探測器和參考探測器上所產生的電壓; V12 ,V22 分別為溫度信號在測量探測器和參考探測器上所產生的電壓。

再令紅外光源打開,則測量探測器兩端的電壓為:

V3 = I0 × e - αgasCL × Rgas × ηgas × Kgas × Jgas + V11

+ V12

 

( 4)

參考探測器兩端的電壓為:

 

V4 = I0 × Rref × ηref × Kref × Jref + V21 + V22

( 5)

式中,Rgas ,Rref 分別測量探測器和參考探測器的響應

 來源

度; ηgas ,ηref 分別為測量電路和參考電路的放大系數; Kgas ,Kref分別為紅外光通過測量氣室和參考氣室時的光損失系數; Jgas ,Jref分別為測量濾光片和參考濾光片的透過率; αgas 為被測粉塵氣體的吸收系數; L為氣室的長度; I0 為入射光的強。為了消除背景信號和溫度信號的干擾,將式( 4) 與式( 2) ,式( 5) 與式( 3) 分別相減,得:

Vgas = V3

- V1

( 6)

Vref =V4

- V3

( 7)

為消除紅外光源、氣室擾動、探測器以及電子器件所引起的誤差,將式( 6) 和是式( 7) 做以下處理,得到差分公式為:

F =

Vgas

- Vref

     

( 8)

Vgas

- Vref

     
       

將式( 2)

~ 式( 4) 和式( 5) 代入式( 8) 中得:

     

1

     

Rref ηref Kref Jref

1

+ F

 

C = -

 

ln(

   

·1

-F)

( 9)

αgas L

Rgas ηgas Kgas Jgas

 

整理得:

                   
     

1

       

Rref ηref Jref Kref

 

1

+ F

C = -

 

[ ln(

 

) + ln( 1

- F)]

αgas L

Rgas ηgas Jgas Kgas

( 10)

因為對于函數 y = ln ( 11 +- FF) = ln ( 1 + 12-FF),又

因為設計中兩路放大濾波電路的放大系數相同,由

式 ( 9 ) 可知 F ∈ (  - 1,0 ) ,而

   

2F

 

是增函數,且

1 - F

         
                                                 
 

2F

 

∈( - 1,0) ,則

   

2F

∈( 0,1) 。將函數 y 進行

                                     

1 - F

     

1 - F

                   

泰勒公式展開得:

                                       
   

y = ln( 11 -+ FF ) = ln( 1 +

2F

)

             
   

1 - F

           
                 

2F

   

2F

           
     

= ln[1 + (

   

)]≈ -

     

( 11)

     

1 - F

1 - F

                 
   

將式 ( 11 ) 代入式 ( 10 ) 中,得粉塵濃度計算

公式:

                                       
   

1

         

Rref ηref Jref Kref

   

12F

   

C = -

 

ln(

 

)

+

 

·

   
   

- αgas L

αgas L

F -1

   

Rgas ηgas Jgas Kgas

                                       

( 12)

3. 2

 

系統結構的設計

                   
   

紅外光源性能好壞直接關系到光路系統的穩定

性以及紅外探測器對光信號的接收與處理。選擇IRL715 光源,輸出譜線從可見光到紅外光 5 μm 處,輸出穩定,使用壽命長,尤其是在間歇狀態下。本文中光源采用 960 nm。驅動電路簡單,用 LM317 驅動,用低頻控制增強光源輻射,減緩老化。

 來源

 

激 光 與 紅 外  No. 9

2012

             

鄭德忠等

紅外吸收粉塵傳感器的設計

1009

 
       
 

采用封閉、內壁鍍防腐蝕紅外全反射膜的氣室,

S1337 - 1010BR 光敏去有良好的均勻性,極好的線

 

設有進氣泵、出氣泵。在進氣泵處放干燥劑,防止水

性和快的響應度,穩定性好等特點。

       
 

蒸氣對紅外光的影響。小型漸變折射率透鏡組成的

 

微弱信號的檢測系統有前置放大電路和主放大

 

氣體氣室使入射光經過透鏡后先聚焦,然后再傳輸

電路兩部分組成。由于前置放大電路主要起到了電

 

到另一面透鏡上,這樣,發散的反射光不能夠返回光

流轉換電壓的作用,經過其放大的信號還不能滿足

 

路,由此產生的相干噪聲就可以消除,信號的噪聲比

采樣電壓的要求,因此還需要設計主放大器電路,前

 

也因此提高了 5 倍。結構如圖 2所示。

                 

[4]

,該芯片采用

       

置放大電路選擇 ICL7650 芯片

         
                   

CMOS 工藝集成的斬波穩零高精度運算大器,輸入

                   

電阻 1012 Ω,偏置電流 25 ℃ 時為 1. 5 pA,失調電壓

                   

1 V,失調電壓溫度系數 0. 01,共模抑制比 130 dB,

                   

具有其他高阻運算放大器沒有的自動穩零優點,

                   

也能很好地解決抑制溫漂和放大微弱直流信號或

                   

緩慢變化的信號,所以適合作微電流放大器。主

                   

放大電路采用 AD620 芯片,AD620 具有精度高、低

 

圖 2  氣室結構設計

     

噪聲、低功耗,使用簡單等優點,只需外接一個可

       

變電阻便可構成一個高精度的運算放電路,應用

 

Fig. 2  schematic diagram of the gas cell

     
       

十分廣泛。

                 
 

濾光片選擇上海兆九光電技術有限公司的

                       
                   

[5]

,該

                                           

960 nm 的紅外濾光片,中心波長為 960 nm,帶寬

 

系統采用 MSP430F149 單片機進行控制

   

單片機 16 位數據寬度,數據處理更為有效,并且內

30 nm,峰值透過率T > 85 。

                                 
         

部集成了 12 位的 ADC 模塊,采樣速度快,最高可達

 

探測器是紅外檢測系統中的核心元件,它將通

                       
 

200 Ksps,同時也簡化了系統的設計,不必再選擇

 

過測量氣室被待測氣體吸收后剩余的光能轉換為某

                         
 

種形式的信號( 電壓或電流等) 測量使用。本設計

A /D 轉 換 器 進 行 連 接 設 計。顯 示 部 分 采 用

 

LCD1602 模塊。

             
 

中光電探測器選擇硅光電池 S1337 - 1010BR,有效

             
 

3  傳感器原理驗證試驗

             
 

面積為 10 mm × 10 mm,波長范圍 320 ~ 1100 nm,峰

             
                     

,

 

值 960 nm,響應時間 3 μs[3]。它是一種大光敏面的

                   
   

在建好的粉塵濃度實驗室進行了一些實驗 實

 

高靈敏度、高效率的光電探測器件,適合于微光功率

驗用的粉塵是氣煤煤粉,測量的數據如表 1 所示,將

 

其進行線性擬合,如圖 3 所示。

         
 

及照度計的探頭,在零偏電壓下工作,在該條件下

         
                         
             

表 1

測量氣煤煤粉數據

                 
         

Tab. 1

measured date of gas pulverized coal

             
                                           
     

1

 

2

 

3

 

4

 

5

 

6

 

7

   

8

9

   
                                       
 

2F / (F -1)

 

0.2013

 

0.1857

 

0.1609

 

0.1134

 

0.0754

 

0.0599

 

0.367

 

0. 0046

0. 0012

                                       
 

粉塵濃度 / ( mg·m - 3 )

 

395. 18

 

355.69

 

310.12

 

240.46

 

185.42

 

145.98

 

100.72

 

65. 05

23. 05

 

氣煤煤粉濃度擬合圖

圖 3氣煤煤粉濃度擬合圖

氣煤煤粉濃

Fig. 3fitting diagram of concentration

for pulverized coal

 來源

從以上數據的擬合直線可以看出,其線性相關系數為 0. 9926,說明粉塵濃度與F2-F1非常符合線性關系,驗證了以 Lambert-Beer 定律為原理的吸收式雙光路粉塵濃度測量方法的可靠性。同時也可以看出,當粉塵濃度很低時,該種方法測得的粉塵濃度值誤差很大,因此說明吸收式方法不宜測量低濃度的粉塵。

4結論

本文提出了基于紅外吸收原理測量粉塵的新算法,根據算法建立的數學模型結構簡單,層次清楚,

來源

1010

激 光 與 紅 外

第 42 卷

         
 

適合于粉塵傳感器濃度的測量。結構上采用單光

[3]  Hao Xiaojian,Li Yangjun.

Technology and application of

 

源、雙光路、雙氣室結構,消除了同性干擾的影響干

photoelectric detection[M]. Beijing: National Defence In-

 

擾的影響,提高了檢測精度。未來的工作將集中在

dustry Press,2009: 66 - 69. ( in Chinese)

 

全面實現設計功能、提高傳感器的性能上。

 

郝曉劍,李仰軍. 光電檢測技術及應用[M]. 北京: 國

   

防工業出版社,2009: 66 - 69.

     
 

參考文獻:

 

[4]  He Jin,Liu Tiegen,Meng Zhuo,et al. Design of pre-am-

[1]  Li Yaping,Zhang Guangjiun,Li Qingbo. Infrared CO2  gas

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1904 - 1906. ( in Chinese)

   
 

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何瑾,劉鐵根,孟卓,等. 弱光強信號檢測系統前級放

 

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李亞萍,張廣軍,李慶波. 空間雙光路紅外 CO2  氣體傳

     
 

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劉泉,林海燕. 光纖乙炔氣體檢測系統的研究[J]. 傳

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感器技術,2003,22( 4) : 16 - 17.

3 - 7.

第 42 卷   第 9

激 光 與 紅 外

Vol. 42,No. 9

2012 年 9 月

 

LASER  &  INFRARED

September,2012

     
     

文章編號:1001-5078( 2012) 09-1007-04

 

·紅外技術及應用·


紅外吸收粉塵傳感器的設計

鄭德忠,趙樂平

( 燕山大學測試計量技術及儀器河北省重點實驗室,河北 秦皇島 066004)

摘 要:基于粉塵對紅外光的吸收原理提出了一種測量粉塵濃度的傳感器新方案。以朗伯 - 比爾定律為理論依據,傳感器采用空間雙光路結構,應用差分算法,建立數學模型,采用MSP430F149,ICL7605 和 AD620 等芯片進行數據處理,并用實驗結果驗證可靠性。提出的粉塵設計方案對于提高粉塵測量精度,特別是煙道、煤礦中高濃度的粉塵安全檢測均有重要意義。

關鍵詞:紅外吸收; 粉塵濃度; 空間雙光路; 差分

中圖分類號:TP212文獻標識碼:ADOI: 10. 3969 /j. issn. 1001-5078. 2012. 09. 010

Design of infrared absorption sensor for dust concentration

ZHENG De-zhong,ZHAO Le-ping

( Measurement Technology and Instrumentation Key Lab of Hebei Province,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,China)

Abstract: Based on the principle of infrared absorption,a novel design of infrared sensor measuring the dust concen-tration is proposed in the paper. The linear mathematical model of sensor is established based on Lambert-Beer,the structure of double light paths and applying difference algorithm. Msp430f149,ICL7605 and AD620 are applied in the signal processing section.Then,the reliability of the measurement is verified by experimental data. It seems that the proposed infrared absorption dust sensor can not only improve the measurement accuracy of the sensor but also offer an interesting and significant solution for the safety monitoring in the coal mine and flue.

Key words: infrared absorption; dust concentration; space double beams; difference

1引言

隨著工業的發展,在提高生產效率的同時,產塵量及作業場所的粉塵濃度也在不斷的增加。尤其是在煤礦廠和工業生產的煙道中都會產生大量的粉塵,粉塵散布到我們的周圍,對人體、產品質量、環境、生態平衡很都有影響。因此,粉塵濃度的在線監測對確保人身安全和提高環境質量具有極其重要的意義。

在多種粉塵測量的方法中,基于光學方法來測量粉塵濃度的測試儀具有靈敏度高、響應速度快、壽命長等特點。本文提出了基于紅外吸收原理測量粉塵濃度的傳感器,傳感器采用差分結構,能消除光源不穩定和光電器件零漂移等因素的影響,從而獲取

準確的粉塵測量濃度。

來源

Ø理論基礎

光通過介質時,會與介質發生相互作用,除了被介質散射外,還會被介質吸收,其中吸收關系符合Lambert-Beer 定律。當平行光通過均勻介質時,以Lambert-Beer 定律為基礎,通過測量入射光強和出射光強,經過計算得到粉塵濃度。所以透射光強和出射光強的關系為:IOUT = IIN exp( - αCL)( 1)式中,IOUT ,IIN 分別為透射、入射光強; C 為介質濃度;

基金項目: 河北省科學技術研究與發展計劃項目 ( No.05213503D) 資助。

作者簡介:鄭德忠( 1949 - ) ,男,教授,博士生導師,主要從事廣義預測控制,虛擬儀器,遙測遙控技術,網絡傳輸與信息技術,ARM嵌入式系統等方面的研究。

收稿日期:2012-01-10

來源

 

1008激 光 與 紅 外第 42 卷

L 為光與介質相互作用的距離; α 為介質對光波的吸收系數。α 與光波的波長和介質的性質有關,如粉塵顆粒的粒徑、折射率等,與介質的濃度無關。

3系統的組成結構和工作原理

檢測系統的總體結構如圖 1 所示。

檢測系統的總體結構

 

圖 1系統總體結構設計

Fig. 1schematic diagram of the designed sensing system

3. 1數學模型的建立

紅外吸收粉塵傳感器采用空間雙光路結構,其中測量探測器所測量的信號與粉塵的濃度有關,而參考探測器所測量的信號沒有受到被測氣體濃度的

影響。傳感器的紅外光源采用周期性的開關工作方式,即用單片機發出的脈沖來控制紅外光源的發光和熄滅,得到合適頻率的紅外光。測量探測器所測得的測量信號和參考探測器所測得的參考信號分別經過放大濾波電路并行進入單片機中,可在同一時刻得到兩路探測信號。這樣,光源熄滅得到兩路信號,包含了溫度和背景光信號造成的波動。光源打開時又得到兩路信號,這兩路信號中分別包含光源

的波動、測量光路的擾動、探測器和電子器件擾動等干擾因素所造成的誤差。通過對這 4 路信號進行處理,就可以抵消上述各種干擾,得到更準確的測量結果。

[1 - 2]:

根據 Lambert-Beer 定律建立數學模型令紅外光源關閉,測量探測器兩端的電壓:

V1

= V11

+ V12

( 2)

參考探測器兩端的電壓為:

 

V2

= V21

+ V22

( 3)

式中,V11 ,V21 分別為背景光信號在測量探測器和參考探測器上所產生的電壓; V12 ,V22 分別為溫度信號在測量探測器和參考探測器上所產生的電壓。

再令紅外光源打開,則測量探測器兩端的電壓為:

V3 = I0 × e - αgasCL × Rgas × ηgas × Kgas × Jgas + V11

+ V12

 

( 4)

參考探測器兩端的電壓為:

 

V4 = I0 × Rref × ηref × Kref × Jref + V21 + V22

( 5)


式中,Rgas ,Rref 分別測量探測器和參考探測器的響應

來源

度; ηgas ,ηref 分別為測量電路和參考電路的放大系數; Kgas ,Kref分別為紅外光通過測量氣室和參考氣室時的光損失系數; Jgas ,Jref分別為測量濾光片和參考濾光片的透過率; αgas 為被測粉塵氣體的吸收系數; L為氣室的長度; I0 為入射光的強。

為了消除背景信號和溫度信號的干擾,將式( 4) 與式( 2) ,式( 5) 與式( 3) 分別相減,得:

Vgas = V3

- V1

( 6)

Vref =V4

- V3

( 7)

為消除紅外光源、氣室擾動、探測器以及電子器件所引起的誤差,將式( 6) 和是式( 7) 做以下處理,得到差分公式為:

F =

Vgas

- Vref

     

( 8)

Vgas

- Vref

     
       

將式( 2)

~ 式( 4) 和式( 5) 代入式( 8) 中得:

     

1

     

Rref ηref Kref Jref

1

+ F

 

C = -

 

ln(

   

·1

-F)

( 9)

αgas L

Rgas ηgas Kgas Jgas

 

整理得:

                   
     

1

       

Rref ηref Jref Kref

 

1

+ F

C = -

 

[ ln(

 

) + ln( 1

- F)]

αgas L

Rgas ηgas Jgas Kgas

( 10)

因為對于函數 y = ln ( 11 +- FF) = ln ( 1 + 12-FF),又因為設計中兩路放大濾波電路的放大系數相同,由

式 ( 9 ) 可知 F ∈ (  - 1,0 ) ,而

   

2F

 

是增函數,且

1 - F

         
                                                 
 

2F

 

∈( - 1,0) ,則

   

2F

∈( 0,1) 。將函數 y 進行

                                     

1 - F

     

1 - F

                   

泰勒公式展開得:

                                       
   

y = ln( 11 -+ FF ) = ln( 1 +

2F

)

             
   

1 - F

           
                 

2F

   

2F

           
     

= ln[1 + (

   

)]≈ -

     

( 11)

     

1 - F

1 - F

                 
   

將式 ( 11 ) 代入式 ( 10 ) 中,得粉塵濃度計算

公式:

                                       
   

1

         

Rref ηref Jref Kref

   

12F

   

C = -

 

ln(

 

)

+

 

·

   
   

- αgas L

αgas L

F -1

   

Rgas ηgas Jgas Kgas

                                       

( 12)

3. 2

 

系統結構的設計

                   
   

紅外光源性能好壞直接關系到光路系統的穩定


性以及紅外探測器對光信號的接收與處理。選擇IRL715 光源,輸出譜線從可見光到紅外光 5 μm 處,輸出穩定,使用壽命長,尤其是在間歇狀態下。本文中光源采用 960 nm。驅動電路簡單,用 LM317 驅動,用低頻控制增強光源輻射,減緩老化。

來源

 

 

激 光 與 紅 外  No. 9

2012

             

鄭德忠等

紅外吸收粉塵傳感器的設計

1009

 
       
 

采用封閉、內壁鍍防腐蝕紅外全反射膜的氣室,

S1337 - 1010BR 光敏去有良好的均勻性,極好的線

 

設有進氣泵、出氣泵。在進氣泵處放干燥劑,防止水

性和快的響應度,穩定性好等特點。

       
 

蒸氣對紅外光的影響。小型漸變折射率透鏡組成的

 

微弱信號的檢測系統有前置放大電路和主放大

 

氣體氣室使入射光經過透鏡后先聚焦,然后再傳輸

電路兩部分組成。由于前置放大電路主要起到了電

 

到另一面透鏡上,這樣,發散的反射光不能夠返回光

流轉換電壓的作用,經過其放大的信號還不能滿足

 

路,由此產生的相干噪聲就可以消除,信號的噪聲比

采樣電壓的要求,因此還需要設計主放大器電路,前

 

也因此提高了 5 倍。結構如圖 2所示。

                 

[4]

,該芯片采用

       

置放大電路選擇 ICL7650 芯片

         
                   

CMOS 工藝集成的斬波穩零高精度運算大器,輸入

                   

電阻 1012 Ω,偏置電流 25 ℃ 時為 1. 5 pA,失調電壓

                   

1 V,失調電壓溫度系數 0. 01,共模抑制比 130 dB,

                   

具有其他高阻運算放大器沒有的自動穩零優點,

                   

也能很好地解決抑制溫漂和放大微弱直流信號或

                   

緩慢變化的信號,所以適合作微電流放大器。主

                   

放大電路采用 AD620 芯片,AD620 具有精度高、低

 

圖 2  氣室結構設計

     

噪聲、低功耗,使用簡單等優點,只需外接一個可

       

變電阻便可構成一個高精度的運算放電路,應用

 

Fig. 2  schematic diagram of the gas cell

     
       

十分廣泛。

                 
 

濾光片選擇上海兆九光電技術有限公司的

                       
                   

[5]

,該

                                           

960 nm 的紅外濾光片,中心波長為 960 nm,帶寬

 

系統采用 MSP430F149 單片機進行控制

   

單片機 16 位數據寬度,數據處理更為有效,并且內

30 nm,峰值透過率T > 85 。

                                 
         

部集成了 12 位的 ADC 模塊,采樣速度快,最高可達

 

探測器是紅外檢測系統中的核心元件,它將通

                       
 

200 Ksps,同時也簡化了系統的設計,不必再選擇

 

過測量氣室被待測氣體吸收后剩余的光能轉換為某

                         
 

種形式的信號( 電壓或電流等) 測量使用。本設計

A /D 轉 換 器 進 行 連 接 設 計。顯 示 部 分 采 用

 

LCD1602 模塊。

             
 

中光電探測器選擇硅光電池 S1337 - 1010BR,有效

             
 

3  傳感器原理驗證試驗

             
 

面積為 10 mm × 10 mm,波長范圍 320 ~ 1100 nm,峰

             
                     

,

 

值 960 nm,響應時間 3 μs[3]。它是一種大光敏面的

                   
   

在建好的粉塵濃度實驗室進行了一些實驗 實

 

高靈敏度、高效率的光電探測器件,適合于微光功率

驗用的粉塵是氣煤煤粉,測量的數據如表 1 所示,將

 

其進行線性擬合,如圖 3 所示。

         
 

及照度計的探頭,在零偏電壓下工作,在該條件下

         
                         
             

表 1

測量氣煤煤粉數據

                 
         

Tab. 1

measured date of gas pulverized coal

             
                                           
     

1

 

2

 

3

 

4

 

5

 

6

 

7

   

8

9

   
                                       
 

2F / (F -1)

 

0.2013

 

0.1857

 

0.1609

 

0.1134

 

0.0754

 

0.0599

 

0.367

 

0. 0046

0. 0012

                                       
 

粉塵濃度 / ( mg·m - 3 )

 

395. 18

 

355.69

 

310.12

 

240.46

 

185.42

 

145.98

 

100.72

 

65. 05

23. 05

 

粉塵濃度

圖 3氣煤煤粉濃度擬合圖

氣煤煤粉濃度

Fig. 3fitting diagram of concentration

for pulverized coal

來源

 

從以上數據的擬合直線可以看出,其線性相關系數為 0. 9926,說明粉塵濃度與F2-F1非常符合線性關系,驗證了以 Lambert-Beer 定律為原理的吸收式雙光路粉塵濃度測量方法的可靠性。同時也可以看出,當粉塵濃度很低時,該種方法測得的粉塵濃度值誤差很大,因此說明吸收式方法不宜測量低濃度的粉塵。

4結論

本文提出了基于紅外吸收原理測量粉塵的新算法,根據算法建立的數學模型結構簡單,層次清楚,

來源

1010

激 光 與 紅 外

第 42 卷

         
 

適合于粉塵傳感器濃度的測量。結構上采用單光

[3]  Hao Xiaojian,Li Yangjun.

Technology and application of

 

源、雙光路、雙氣室結構,消除了同性干擾的影響干

photoelectric detection[M]. Beijing: National Defence In-

 

擾的影響,提高了檢測精度。未來的工作將集中在

dustry Press,2009: 66 - 69. ( in Chinese)

 

全面實現設計功能、提高傳感器的性能上。

 

郝曉劍,李仰軍. 光電檢測技術及應用[M]. 北京: 國

   

防工業出版社,2009: 66 - 69.

     
 

參考文獻:

 

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