一种激光粉尘仪的设计

作者 / 李泓

　　无锡商业职业技术学院(江苏 无锡 214153)

　　李泓(1970-)，男，硕士，高级工程师，研究方向：医疗电子设备、环保监测设备和安全监测设备的研发。

摘要：本文介绍了一种激光后散射检测方式的粉尘仪的设计，介绍了其基本的光学结构，并对其中的关键技术：暗电流自动消除和恒光功率控制做了详细介绍。据此设计制作的粉尘仪在实际使用中检测准确度高、重复性好，具有较高的实用价值。

引言

　　粉尘是一种能长时间地以浮游方式存在于空气中的固体颗粒。粉尘会导致肺部疾病、皮肤感染、癌症等多种疾病，严重影响人们的身体健康。排出厂房外的粉尘还会对污染厂区外的环境，对厂区周围的居民健康造成影响，对农、林、牧业的生产造成影响。这几年雾霾现象越来越严重，粉尘的污染也是一个很重要的因素。随着人们对生产、生活环境的要求越来越高，人们也越来越重视环境保护。粉尘的监测和控制也越来越被重视。

　　粉尘检测仪就是用来检测空气中粉尘浓度的专用仪器。在实际应用中，常用的粉尘检测方法通常有三种：称重法、激光法和感应法。

　　称重法通过单位时间内对粉尘取样，然后称重来测量空气中粉尘的浓度，测量结果最为准确，常用于对其他测量方法的检验和校正。但是，称重法是一种非实时检测方法，所以不适用于对粉尘浓度的连续检测。

　　激光法通过测量激光经过包含粉尘的被测空气后的衰减或散射来测量粉尘浓度。粉尘浓度越高，衰减和散射越强烈。

　　感应法是通过测量带静电的粉尘以一定速度通过金属探头时感应出的电荷来测量粉尘浓度。在速度一定的情况下，感应电荷和粉尘浓度成线性关系。

　　本文主要介绍了一种基于激光后散射法的粉尘测量仪。

1 激光后散射法粉尘测量仪原理

　　如图1所示为激光后散射法粉尘测量仪的测量原理示意图。

　　图1中，激光管发射的激光(输出功率为P0)，经挡尘片衰减K1后照射到烟道中，经过烟尘的散射(等效散射系数为K2，与烟尘的组织结构、浓度相关)后穿过挡尘片(衰减系数为K1)，经透镜聚焦(会聚增益为K3)到光学传感器。

　　传感器接收到的光功率为：

　　Pr= Po*K1*K2*D*K1*K3 (1)

　　K3是透镜汇聚增益，可以认为是一个常数;K1受积尘的影响会变小，在结构设计的时候，可设计增加洁净空气反吹装置，避免粉尘的短时间快速积聚，同时通过定时的维护和校正来避免K1参数的变化，所以也可以看作是一个常数;烟尘反射系数K2和烟尘的特性有关，在检测特定粉尘的时候可以认为是一个常数。

　　所以可以简化为：

　　Pr=A*P0*D(A=K1*K2*K1*K3,在使用时可以通过标定来确定) (2)

　　通过标定常数A，然后测量Pr和P0的比值就可以计算得到烟尘浓度的值：

　　D=(Pr/P0)/A (3)

2 激光功率检测原理

　　通过检测Pr和P0的比值就可以计算得到烟尘浓度的值，在实际应用中，通常通过设计使发射功率P0保持恒定值，只检测传感器接收到的光功率Pr，然后得到Pr和P0的比值。

　　如图2所示为常用的光功率检测系统结构图。

　　恒光功率控制电路控制激光管发射出固定光功率的激光照射到烟道中，经过烟尘的散射后到达PIN光电二极管。光电二极管产生和接收到的光功率成正比的光电流，通过I-V转换电路转换成电压信号，经放大后进行AD转换送入单片机进行计算和处理。

　　由于PIN二极管输出的电流很微弱，所以要求放大器必须具有极高的输入阻抗、极低的输入偏置电流、极低的输入电流噪声和较高的带宽。通常使用的芯片有LF353、LF412、AD8065、AD8661、ADA4530、CA3140等。如图3所示为PIN二极管放大电路。

　　图3中，U10A高阻抗运算放大器组成互阻放大器，实现I-V转换，输出电压为I*R33，更换不同阻值的电阻R33，可以获得不同的转换灵敏度。U10B组成的反相放大电路实现对转换电压的进一步放大。

3 暗电流自动去除检测电路

　　理论上，光电传感器在没有光照的时候就没有光电流，但实际上PIN二极管在没有光照的时候也存在着微弱的电流，称为暗电流。在检测的时候需要去除暗电流的影响才能得到正确的检测结果，但PIN二极管的暗电流和其两端的反向电压、温度等相关，不是一个固定的值，无法在检测结果中直接去除，所以在测量过程中需要采取适当的措施去除暗电流的影响。

　　如图4所示为设计的一种暗电流自动去除检测电路。

　　振荡电路产生50%占空比的方波，在低电平时关闭恒光功率驱动电路，激光管不发射激光，同时模拟开关接通到上端，此时PIN二极管未接收光，放大电路输出PIN二极管暗电流信号，暗电流信号反向接入RC积分电路;在高电平时打开恒光功率驱动电流，激光管发射激光，同时模拟开关接通到下端，此时PIN二极管接收散射光，放大电路输出PIN二极管正常电流信号，正常电流信号正向接入RC积分电路。通过来回切换暗电流和正常电流信号在RC电路上积分，从而抵消暗电流的影响。

4 恒光功率输出控制电路

　　当激光二极管流过阈值以上的电流时，激光二极管就会发射激光。激光二极管的光输出量和激光二极管中流过的电流成正比。理论上，只要给定一个恒定的电流，激光二极管就可以有一个恒定的光输出量。但是，温度的变化会严重影响激光二极管的光输出量，温度越高，光输出量越小。通过恒温控制的方法可以去除温度对光输出量的影响，但是激光管还存在光衰的问题，其发射效率随着工作时间的增加而降低。所以，在实际应用中通常使用一种称为APC(自动功率控制)的控制方法，在发光二极管中集成光电二极管来检测激光二激光管的光输出量，通过负反馈来得到稳定的光输出。

　　如图5所示为Sanyo公司的DL-4247-162B激光二极管内部结构图，其发射波长为650nm，最大发射功率10mW。

　　图5中LD为激光二极管，PD为光电二极管。

　　因为PD的输出电流和LD光输出量成正比，所以只要保证PD的输出电流恒定，也就保证了LD光输出量的恒定。如图6所示为APC控制电路的基本框图。

　　基准电压用于设定光输出量的目标值，当基准电压大于监测电压时，正向电流增加，发光二极管的光输出量增加，光电二极管输出电流增加，监测电压增加，当监测电压增加到大于基准电压时，正向电流减小，如此通过对光输出量的负反馈控制实现恒定的光输出。

5 结论

　　本设计通过暗电流自动消除技术和恒光功率控制技术实现的激光粉尘仪经过安装调试，在实际使用中检测结果准确度高、重复性好、无噪音、可靠性好，满足使用要求，目前已经投入生产销售。

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　　本文来源于《电子产品世界》2018年第1期第52页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。