CN110530766B - 一种颗粒物浓度测量方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种颗粒物浓度测量方法及装置，通过获取无颗粒物沉积状态下光电转换装置输出的电信号经前置放大器A1后输出的放大信号，确定初始基底电压Umin～Umax；实时对光电转换装置输出的电信号U1经过前置放大器A1的基底电压值Ut进行检测，并将基底电压值Ut与初始基底电压Umin～Umax进行比较，并根据比较结果对电信号U1中的直流分量进行补偿。本发明一方面能够克服由于颗粒物沉积产生的杂散光、气流通道内壁上产生的反射光对测量信号的干扰，另一方面能够克服由于电子元器件一致性差及温度骤变等因素造成的测量信号失真的技术问题，具有成本低、体积小巧、测量精度高的技术优势。

Description

一种颗粒物浓度测量方法及装置
技术领域
本发明涉及颗粒物浓度检测领域，更具体地说，涉及一种颗粒物浓度测量方法及装置。
背景技术
颗粒物浓度测量装置通常包括一供被测气流流通的气流通道、一用于产生光源的光源发射装置及一用于感应散射光的光电转换装置。被测气流在气流通道中流动，被测气流中的颗粒物流过光电转换装置上方的光敏区时受到光源照射产生散射光，光电转换装置接收散射光并输出电信号，处理器对光电转换装置输出的电信号进行处理并最终得到被测气流中的颗粒物浓度。
在颗粒物浓度测量过程中，受重力作用影响被测气流中的部分颗粒物会在气流通道的内壁或者光电转换装置上沉积，光源照射在沉积的颗粒物上会产生杂散光，并且光源照射在颗粒物浓度测量装置的内壁也会产生反射光，这两部分光被光电转换装置接收后会被误判为由于光源照射在被测气流中的颗粒物上产生的散射光，给颗粒物浓度测量带来误差，降低颗粒物浓度测量的精度。
为了便于信号处理，在进行颗粒物浓度测量过程中会对光电转换装置输出的电信号U1进行多次放大，为了防止放大器输出的放大信号失真，需要将放大器的输入信号控制在一定的范围内。同时前置放大器的输出会直接或间接地成为后置放大器的输入，因此为了防止后置放大器输出的放大信号失真，需要将前置放大器的输出控制在一个预设的输出范围内。随着使用时间的增长，颗粒物浓度测量装置内部沉积的颗粒物会越来越多，会造成光电转换装置输出的电信号U1升高或降低，并且光源、透镜等器件的一致性差也会导致光电转换装置输出的电信号U1升高或降低，另外当颗粒物浓度测量装置所处的环境存在温度骤变时，更会导致光电转换装置输出的电信号U1升高或降低。当光电转换装置输出的电信号U1升高太多或降低过多时，会使前置放大器A1的输出超出预设的输出值范围，进而导致后置放大器A2的输入超出后置放大器A2预设的输入范围，从而造成后置放大器A2输出的放大信号失真，颗粒物浓度测量结果精度低。
为了提高颗粒物浓度测量的精度，在专利文献WO2018100209A中公开采用鞘流技术以保护光电转换装置不受被测气流中颗粒物污染的技术方案，其通过采用经过滤后的清洁空气包裹被测气流能够使光电转换装置不直接与被测气流中的颗粒物接触，并且可以利用清洁空气对沉积在光电转换装置上的颗粒物进行吹扫，从而降低颗粒物对光电转换装置的污染。
为了解决由于被测气流从小通径的进气通道进入到大体积的测量腔后，气流在测量腔内的压力和流速变小导致颗粒物容易在光电转换装置上沉积的技术问题，在专利文献CN203490155U中公开在进气通道的通道壁上设置若干由前至后口径逐渐缩小的锥形缩口段以保证进气通道出口处的被测气流具有较高的流速，进而能够确保被测气流能够顺利进入出气通道中以避免被测气流中的颗粒物在测量腔以及光电转换装置上沉积。
上述两篇专利文献均是通过结构设计来防止或减少颗粒物在颗粒物浓度测量装置中沉积，进而达到提高颗粒物浓度测量精度的目的，其缺陷在于会导致颗粒物浓度测量装置的体积大、成本高，并且当在颗粒物测量装置中无法避免的存在颗粒物沉积时其无法消除由于颗粒物沉积造成的测量误差，也无法克服颗粒物沉积、电子元器件一致性差、以及温度骤变等因素造成的放大器输出的放大信号失真，颗粒物浓度测量精度低的技术缺陷。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种颗粒物浓度测量方法及装置。
第一方面，本发明提供一种颗粒物浓度测量方法，包括如下步骤：
在无颗粒物沉积状态时，获取光电转换装置输出的电信号经过前置放大器A1后输出的放大信号，将其中的基底电压作为初始基底电压，初始基底电压变化范围为Umin～Umax；
实时对光电转换装置输出的电信号U1经过前置放大器A1后输出的放大信号中的基底电压值Ut进行检测，并将检测到的基底电压值Ut与初始基底电压范围Umin～Umax进行比较，判断Ut是否处于Umin～Umax的范围内；
当Umin≤Ut≤Umax时，处理器向前置放大器A1的反向输入端输入的直流电信号为初始直流电信号X，处理器在前置放大器A1的输入信号U1的基础上衰减一个大小为X的直流分量，前置放大器A1输出的放大信号中的基底电压Ut保持不变，对光电转换装置输出的电信号U1进行后续处理，获得颗粒物浓度检测信号。其中，电信号U1输入接入前置放大器A1的同向输入端。
当Ut>Umax时，计算出Ut与Umax之间的差值ΔU1＝Ut-Umax，处理器向前置放大器A1的反向输入端输入的直流电信号增大ΔU1/k，处理器在前置放大器A1的输入信号U1的基础上衰减一个直流分量X1，X1＝X+ΔU1/k，k为前置放大器A1的放大倍数，前置放大器A1输出的放大信号中的基底电压Ut开始减小，对光电转换装置输出的电信号U1进行后续处理，获得颗粒物浓度检测信号。
当Ut<Umin时，计算出Ut与Umin之间的差值ΔU2＝Umin-Ut，处理器向前置放大器A1的反向输入端输入的直流电信号减小ΔU2/k，处理器在前置放大器A1的输入信号U1的基础上衰减一个直流分量X2，X2＝X-ΔU2/k，前置放大器A1输出的放大信号中的基底电压Ut开始增大，对光电转换装置输出的电信号U1进行后续处理，获得颗粒物浓度检测信号，其中，k为前置放大器A1的放大倍数。
初始基底电压的变化范围Umin～Umax是通过下述方法得到：
对刚出厂时的颗粒物浓度测量装置进行多次实验，获取其中的光电转换装置输出的电信号值U1经过前置放大后的信号中的直流分量Ut0，Ut0分别上下浮动一定大小，从而形成初始基底电压的变化范围为Umin～Umax。
初始基底电压的变化范围Umin～Umax是通过下述方法得到：
根据光源的初始参数的偏差确定初始基底信号的偏差范围C；对刚出厂时的颗粒物浓度测量装置进行多次实验，获取其中的光电转换装置输出的电信号值U1经过前置放大后的信号中的直流分量Ut0，得到初始基底中心值U0＝Ut0，那么初始基底电压的变化范围为Umin～Umax，其中Umin＝U0*(1-C)，Umax＝U0*(1+C)。
初始基底电压的变化范围Umin～Umax是通过下述方法得到：
根据测量精度设置一个容错率，将容错率确定为初始基底信号的偏差范围C；对刚出厂时的颗粒物浓度测量装置进行多次实验，获取其中的光电转换装置输出的电信号值U1经过前置放大后的信号中的直流分量Ut0，得到初始基底中心值U0＝Ut0，那么初始基底电压的变化范围为Umin～Umax，其中Umin＝U0*(1-C)，Umax＝U0*(1+C)。
处理器在前置放大器A1的反向输入端输入的初始直流电信号X的大小为X＝(U1+U2)/2k；k为前置放大器A1的放大倍数，U2为后置放大器A2的输出。
从电信号U1中获取基底电压值Ut的方式是：通过滤波电路对前置放大器A1输出的电信号U1进行滤波，滤除交流得到的直流即为基底电压Ut。
所述处理器在前置放大器A1的输入信号U1的基础上衰减一个直流分量(X、X1、X2)是通过向所述前置放大器A1的反向输入端输入直流分量实现的。
所述对光电转换装置输出的电信号U1进行后续处理是指将光电转换装置所检测到的电信号U1进行前置放大后输出的放大信号通过移相器或滤波与后置放大器A2相配合的方式滤除电信号U1中的绝大部分直流信号，得到其中的交流信号分量。
根据所述光电转换装置所检测到的电信号中的交流信号分量计算被测气流中的颗粒物浓度。
第二方面，本发明提供一种颗粒物浓度测量装置，包含：
初始基底电压范围测量模块，用于在无颗粒物沉积状态时，通过多次实验获取光电转换装置输出的电信号经过前置放大器A1后输出的放大信号，将其中的基底电压作为初始基底电压，初始基底电压变化范围为Umin～Umax；
颗粒物浓度测量模块，实时对光电转换装置输出的电信号U1经过前置放大器A1后输出的放大信号中的基底电压值Ut进行检测，并将检测到的基底电压值Ut与初始基底电压范围Umin～Umax进行比较，判断Ut是否处于Umin～Umax的范围内；
当Umin≤Ut≤Umax时，处理器向前置放大器A1的反向输入端输入的直流电信号为初始直流电信号X，处理器在前置放大器A1的输入信号U1的基础上衰减一个大小为X的直流分量，前置放大器A1输出的放大信号中的基底电压Ut保持不变，对光电转换装置输出的电信号U1进行后续处理，获得颗粒物浓度检测信号。其中，电信号U1输入接入前置放大器A1的同向输入端。
当Ut>Umax时，计算出Ut与Umax之间的差值ΔU1＝Ut-Umax，处理器向前置放大器A1的反向输入端输入的直流电信号增大ΔU1/k，处理器在前置放大器A1的输入信号U1的基础上衰减一个直流分量X1，X1＝X+ΔU1/k，k为前置放大器A1的放大倍数，前置放大器A1输出的放大信号中的基底电压Ut开始减小，对光电转换装置输出的电信号U1进行后续处理，获得颗粒物浓度检测信号。
当Ut<Umin时，计算出Ut与Umin之间的差值ΔU2＝Umin-Ut，处理器向前置放大器A1的反向输入端输入的直流电信号减小ΔU2/k，处理器在前置放大器A1的输入信号U1的基础上衰减一个直流分量X2，X2＝X-ΔU2/k，前置放大器A1输出的放大信号中的基底电压Ut开始增大，对光电转换装置输出的电信号U1进行后续处理，获得颗粒物浓度检测信号，其中，k为前置放大器A1的放大倍数。
初始基底电压的变化范围Umin～Umax是通过下述方法得到：
对刚出厂时的颗粒物浓度测量装置进行多次实验，获取其中的光电转换装置输出的电信号值U1经过前置放大后的信号中的直流分量Ut0，Ut0分别上下浮动一定大小，从而形成初始基底电压的变化范围为Umin～Umax。
初始基底电压的变化范围Umin～Umax是通过下述方法得到：
根据光源的初始参数的偏差确定初始基底信号的偏差范围C；对刚出厂时的颗粒物浓度测量装置进行多次实验，获取其中的光电转换装置输出的电信号值U1经过前置放大后的信号中的直流分量Ut0，得到初始基底中心值U0＝Ut0，那么初始基底电压的变化范围为Umin～Umax，其中Umin＝U0*(1-C)，Umax＝U0*(1+C)。
初始基底电压的变化范围Umin～Umax是通过下述方法得到：
根据测量精度设置一个容错率，将容错率确定为初始基底信号的偏差范围C；对刚出厂时的颗粒物浓度测量装置进行多次实验，获取其中的光电转换装置输出的电信号值U1经过前置放大后的信号中的直流分量Ut0，得到初始基底中心值U0＝Ut0，那么初始基底电压的变化范围为Umin～Umax，其中Umin＝U0*(1-C)，Umax＝U0*(1+C)。
处理器在前置放大器A1的反向输入端输入的初始直流电信号X的大小为X＝(U1+U2)/2k；k为前置放大器A1的放大倍数，U2为后置放大器A2的输出。
从电信号U1中获取基底电压值Ut的方式是：通过滤波电路对前置放大器A1输出的电信号U1进行滤波，滤除交流得到的直流即为基底电压Ut。
所述处理器在前置放大器A1的输入信号U1的基础上衰减一个直流分量(X、X1、X2)是通过向所述前置放大器A1的反向输入端输入直流分量实现的。
所述对光电转换装置输出的电信号U1进行后续处理是指将光电转换装置所检测到的电信号U1进行前置放大后输出的放大信号通过移相器或滤波与后置放大器A2相配合的方式滤除电信号U1中的绝大部分直流信号，得到其中的交流信号分量。
根据所述光电转换装置所检测到的电信号中的交流信号分量计算被测气流中的颗粒物浓度。
本发明通过获取无颗粒物沉积状态下光电转换装置输出的电信号经前置放大器A1后输出的放大信号，确定初始基底电压Umin～Umax；实时对光电转换装置输出的电信号U1经过前置放大器A1的基底电压值Ut进行检测，并将基底电压值Ut与初始基底电压Umin～Umax进行比较，并根据比较结果对电信号U1中的直流分量进行补偿。
实施本发明的颗粒物浓度测量方法及装置，具有以下有益效果：本发明能够降低颗粒物沉积、颗粒物浓度测量装置内壁上产生的反射光对测量精度的影响，同时能够克服由于颗粒物沉积、电子元器件一致性差、以及温度骤变等因素造成的放大器输出的放大信号失真，颗粒物浓度测量精度低的技术缺陷，具有成本低、体积小巧、测量精度高的优势。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明一实施例的颗粒物浓度测量装置的电路示意图；
图2是本发明一实施例的用于确定初始基底电压范围测量方法的流程图；
图3是本发明另一实施例的用于确定初始基底电压范围测量方法的流程图；
图4是本发明一实施例的颗粒物浓度测量方法的流程图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
实施例一
光电转换装置接收到的光信号包括三个部分：从被测气流中的颗粒物上散射的散射光，从气流通道的内壁上反射的反射光，以及从沉积在颗粒物浓度测量装置内部的颗粒物上产生的杂散光。
其中从气流通道的内壁上产生的反射光，以及从沉积在颗粒物浓度测量装置内部的颗粒物上产生的杂散光均会被光电转换装置误判为由于光源照射被测气流中的颗粒物产生的散射光，给颗粒物浓度测量带来误差，降低颗粒物浓度测量的精度，因此需要消除这两部分的光带来的测量误差。
由于在被测气流中的颗粒物从进入光敏区到离开光敏区的过程中，被测气流中的颗粒物与光源发射装置发射的光源的位置是一直处于相对变化的过程，因此从被测气流中的颗粒物上散射出来的散射光也一直处于动态变化过程中，相应的光电转换装置接收到的电信号为变化的脉冲，体现为交流信号，对应光电转换装置接收到的信号中的交流分量。
由于颗粒物浓度测量装置的结构基本上保持不变，因此光源照射在气流通道的内壁上产生的反射光基本上是恒定不变的，这部分恒定的反射光被光电转换装置接收后对应光电转换装置输出的电信号U1中的直流分量，因此体现为基底电压。
而随着使用时间的增长，虽然沉积在颗粒物浓度测量装置内的颗粒物数量是不断增加的，但是在一定的时间段内可以认为沉积在气流通道内的颗粒物数量是一定的，因此在一定的时间段内当光源照射在这部分沉积的颗粒物上时产生的散射光也可以认为是恒定的，这部分恒定的散射光被光电转换装置接收后对应光电转换装置输出的电信号U1中的直流分量，因此体现为基底电压。同样在一定的时间内可以认为沉积在光电转换装置上的颗粒物数量是一定的，因此在一定的时间内光电转换装置接收到的散射光会损失一部分，并且损失的散射光的大小也是一定的，这部分损失的散射光对应的体现为光电转换装置输出的电信号U1中的直流分量的减小，即基底电压减小。
为了消除从沉积的颗粒物上产生的杂散光以及从颗粒物浓度测量装置内壁上产生的反射光对颗粒物浓度测量的影响，可以将光电转换装置输出的电信号U1中的绝大部分直流信号滤除掉，根据光电转换装置输出的电信号U1中的交流分量进行处理得到颗粒物浓度信号。
由于沉积在颗粒物浓度测量装置内部的不同位置的颗粒物对颗粒物浓度测量的影响是不同的：光源照射沉积在气流通道内壁的颗粒物上会产生杂散光，而产生的杂散光会被光电转换装置误判为由于光源照射被测气流中的颗粒物产生的散射光，从而造成光电转换装置输出的电信号偏高，另一方面，沉积在光电转换装置上的颗粒物会遮挡光电转换装置的探测面积或者是使光电转换装置接收的电信号变弱，造成光电转换装置输出的电信号偏低，因此无法直观地预测颗粒物沉积会造成光电转换装置输出的电信号U1结果偏高还是偏低。
并且随着使用时间的增长在颗粒物浓度测量装置中沉积的颗粒物会越来越多，沉积的颗粒物对光电转换装置输出的电信号U1的影响会越来越大，会使前置放大器A1的输出超出预设的输出值范围，进而导致后置放大器A2的输入超出后置放大器A2预设的输入范围，从而造成后置放大器A2输出的放大信号失真，颗粒物浓度测量结果精度低。
为了防止颗粒物沉积、电子元器件一致性差、以及温度骤变等因素造成后置放大器A2输出的放大信号失真，颗粒物浓度测量结果精度低，可以根据反馈电路对光电转换装置输出的电信号U1中的基底电压Ut进行补偿以使电信号U1的值经过前置放大器A1放大后输出的放大信号处于一个预设的输出值范围内。
参考图1，其为本发明颗粒物浓度测量装置的电路示意图，其中图中前置放大器A1中仅仅画出运放A1，后级放大电路中仅仅画出运放A2，由于基于运放的放大电路为本领域公知常识，故而其具体电路并未画出。
基于上述颗粒物浓度测量装置的电路示意图，本发明所提供的颗粒物浓度测量方法包含初始基底电压范围测量步骤以及颗粒物浓度测量步骤两个步骤。
初始基底电压范围测量步骤用于测量初始基底电压的变化范围Umin～Umax：对刚出厂时的颗粒物浓度测量装置进行多次实验，获取其中的光电转换装置输出的电信号值U1经过前置放大后的信号中的直流分量Ut0，Ut0分别上下浮动一定大小，从而形成初始基底电压的变化范围为Umin～Umax。
实施例二
初始基底电压范围测量步骤参见图2，在本实施例中，初始基底电压的变化范围Umin～Umax是通过下述方法得到：在结构设计阶段，根据光源的初始参数的偏差确定初始基底信号的偏差范围C；对刚出厂时的颗粒物浓度测量装置进行多次实验，获取其中的光电转换装置输出的电信号值U1经过前置放大后的信号中的直流分量Ut0，得到初始基底中心值U0＝Ut0，初始基底电压的变化范围为Umin～Umax，其中Umin＝初始基底电压U0*(1-C)，Umax＝初始基底电压U0*(1+C)。其中，电信号U1输入接入前置放大器A1的同向输入端。
比如根据所选光源的数据手册可以查到光源的最大光功率为110mW，最小光功率为90mW，参考光功率为100mW，那么可以得到光源的偏差范围为(110-100)/100＝10％。光源的偏差对应于光电转换装置接收到的光信号的偏差范围，相应的也对应初始基底信号的偏差范围，因此可以将初始基底信号的偏差范围C设定为10％。
对刚出厂时的颗粒物浓度测量装置进行多次实验，此时可以近似认为颗粒物浓度测量装置中不存在颗粒物浓度沉积，获取其中的光电转换装置输出的电信号值U1经过前置放大后的信号中的直流分量Ut0＝1V，得到初始基底值U0＝Ut0＝1V，那么初始基底电压的变化范围为Umin～Umax，其中Umin＝初始基底电压U0*(1-C)＝0.9V，Umax＝初始基底电压U0*(1+C)＝1.1V，初始基底电压的变化范围为0.9V～1.1V。
实施例三
初始基底电压范围测量步骤参见图3，本实施例中，通过另外一种方式得到初始基底电压的变化范围，根据测量精度设置一个容错率，将容错率确定为初始基底信号的偏差范围C；对刚出厂时的颗粒物浓度测量装置进行多次实验，获取其中的光电转换装置输出的电信号值U1经过前置放大后的信号中的直流分量Ut0，并根据可以计算得到初始基底中心值U0＝Ut0，那么初始基底电压的变化范围为Umin～Umax，其中Umin＝初始基底电压U0*(1-C)，Umax＝初始基底电压U0*(1+C)。
比如当设计精度要求为95％时，容错率即为5％，那么初始基底信号的偏差范围C＝容错率＝5％，对刚出厂时的颗粒物浓度测量装置进行多次实验，此时可以近似认为颗粒物浓度测量装置中不存在颗粒物浓度沉积，获取其中的光电转换装置输出的电信号值U1经过前置放大后的信号中的直流分量Ut0＝1V，得到初始基底中心值U0＝Ut0＝1V，那么初始基底电压的变化范围为Umin～Umax，其中Umin＝初始基底电压U0*(1-C)＝0.95V，Umax＝初始基底电压U0*(1+C)＝1.05V，初始基底电压的变化范围为0.95V～1.05V。
从电信号U1中获取基底电压的方式是：通过滤波电路对前置放大器A1的输出进行滤波，滤除交流得到的直流即为基底电压，下述的基底电压值Ut也是采用这种方式获取。
实施例四
颗粒物浓度测量步骤参见图4，前置放大器A1对光电转换装置输出的电信号U1进行放大，处理器实时获取经过前置放大器A1后输出的放大信号中的基底电压值Ut，并将获取到的基底电压值Ut与存储在处理器中的初始基底电压范围Umin～Umax进行比较，判断Ut是否处于Umin～Umax的范围内：
参考电路图1，在前置放大器A1的输出端与处理器之间连接一滤波电路，滤波电路可以滤除前置放大器A1放大后的信号中的交流分量，剩下直流分量，即得到基底电压Ut。
当Umin≤Ut≤Umax时，处理器向前置放大器A1的反向输入端输入的直流信号为初始直流电信号X，处理器直接在前置放大器A1的输入信号U1的基础上衰减一个大小为X的直流分量，前置放大器A1输出的放大信号中的直流分量Ut保持不变；对光电转换装置输出的电信号U1进行前置放大、隔直处理以及后置放大后，得到最终的颗粒物浓度检测信号。
其中前置放大是为了便于数据处理，通常处理器会在前置放大器A1的输入信号U1的基础上衰减一个大小为X的直流分量以对前置放大器A1输出的电信号进行调节，并根据前置放大器A1输出信号中的直流分量Ut大小可以动态对处理器输出的直流分量进行调整。隔直处理电路是为了滤除前置放大后的信号U1中的绝大部分直流分量以得到前置放大后的信号中的交流分量，后置放大是为了便于对交流信号进行数据处理。隔直处理电路可通过移相器或者滤波电路(例如隔直电容)等方式进行实现。
处理器在前置放大器A1的反向输入端输入的初始直流电信号X的大小为X＝(U1+U2)/2K；K为前置放大器A1的放大倍数，U2为后置放大器A2的输出。
当Ut>Umax时，处理器计算出Ut与Umax之间的差值ΔU1＝Ut-Umax，处理器向前置放大器A1的反向输入端输入的直流信号值增大ΔU1/k，处理器向前置放大器A1的输入信号U1的基础上衰减一个直流分量X1，X1＝X+|ΔU2|/k；k为前置放大器A1的放大倍数，前置放大器A1输出的电信号中的直流分量Ut开始减小，对光电转换装置输出的电信号U1进行前置放大、隔直处理以及后置放大后，得到最终的颗粒物浓度检测信号；
当Ut<Umin时，处理器计算出Ut与Umin之间的差值ΔU2＝Umin-Ut，处理器向前置放大器A1的反向输入端输入的直流信号值减小|ΔU2|/k，处理器在前置放大器A1的输入信号U1的基础上衰减一个直流分量X2，X2＝X-ΔU2/k，前置放大器A1输出的电信号中的直流分量Ut开始增大，对光电转换装置输出的电信号U1进行前置放大、隔直处理以及后置放大后，得到最终的颗粒物浓度检测信号；其中，k为前置放大器A1的放大倍数。
在本实施例中，前置放大器采用包括同向输入端和反向输入端的运算放大器，所述处理器向前置放大器A1的反向输入端输入的电信号U1的基础上衰减一个直流分量是通过在所述运算放大器的反向输入端输入直流分量实现的。
在本实施例中，在前置放大器A1的输出端与处理器之间连接一滤波电路，滤波电路可以滤除前置放大器A1放大后的信号中的交流分量，剩下直流分量，即得到基底电压Ut。
在本实施例中，隔直处理电路采用移相器实现时，所述对光电转换装置输出的电信号U1进行前置放大、隔直处理是指对光电转换装置所检测到的电信号U1进行前置放大后输出的放大信号经过移相器进行处理后得到两个具有相位差的信号，将两个具有相位差的信号分别输入至后置放大器A2的同向输入端和反向输入端能够抵消信号中的绝大部分直流分量，得到对应的交流分量，并对交流分量进行后置放大后传输至处理器，由处理器根据接收到的经过二级放大后的交流信号计算出颗粒物浓度。
在另一种实施方式中前置放大器A1处理后的信号经过隔直电容C进行隔绝直流处理后得到交流信号，得到的交流信号经过后置放大处理A2进行二级放大处理后传输至处理器，由处理器根据接收到的经过二级放大后的交流信号计算出颗粒物浓度。
本实施例中的光源可以是激光光源或者红外光源。
本领域人员可以理解的是，电路中存在一些必要的滤波处理，由于其并不直接涉及本发明技术问题的解决，因此图中并未直接标识出来，也未对其具体工作原理做详细叙述。
本领域人员可以理解的是，上述后续处理并不对本发明做限定，在不脱离本发明主旨的前提下后很多中实现方式。
例如，本实施例的前置放大器A1和后置放大电路均是单级放大的方式实现，在本发明的其他实施例中，其也可以是两个放大电路中的至少一个采用多级放大的方式实现。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种颗粒物浓度测量方法，其特征在于，包含如下步骤：
在无颗粒物沉积状态时，获取光电转换装置输出的电信号经过前置放大器A1后输出的放大信号，将其中的基底电压作为初始基底电压，初始基底电压变化范围为Umin～Umax；
实时对光电转换装置输出的电信号U1经过前置放大器A1后输出的放大信号中的基底电压值Ut进行检测，并将检测到的基底电压值Ut与初始基底电压范围Umin～Umax进行比较，判断Ut是否处于Umin～Umax的范围内；其中，电信号U1输入接入前置放大器A1的同向输入端；
当Umin≤Ut≤Umax时，处理器向前置放大器A1的反向输入端输入的直流电信号为初始直流电信号X，处理器在前置放大器A1的输入信号U1的基础上衰减一个大小为X的直流分量，前置放大器A1输出的放大信号中的基底电压Ut保持不变，对光电转换装置输出的电信号U1进行后续处理，获得颗粒物浓度检测信号；
当Ut>Umax时，计算出Ut与Umax之间的差值ΔU1＝Ut-Umax，处理器向前置放大器A1的反向输入端输入的直流电信号增大ΔU1/k，处理器在前置放大器A1的输入信号U1的基础上衰减一个直流分量X1，X1＝X+ΔU1/k，k为前置放大器A1的放大倍数，前置放大器A1输出的放大信号中的基底电压Ut开始减小，对光电转换装置输出的电信号U1进行后续处理，获得颗粒物浓度检测信号；
当Ut<Umin时，计算出Ut与Umin之间的差值ΔU2＝Umin-Ut，处理器向前置放大器A1的反向输入端输入的直流电信号减小ΔU2/k，处理器在前置放大器A1的输入信号U1的基础上衰减一个直流分量X2，X2＝X-ΔU2/k，前置放大器A1输出的放大信号中的基底电压Ut开始增大，对光电转换装置输出的电信号U1进行后续处理，获得颗粒物浓度检测信号，其中，k为前置放大器A1的放大倍数；
所述对光电转换装置输出的电信号U1进行后续处理是指将光电转换装置所检测到的电信号U1进行前置放大后输出的放大信号通过移相器或滤波与后置放大器A2相配合的方式滤除电信号U1中的绝大部分直流信号，得到其中的交流信号分量；处理器在前置放大器A1的反向输入端输入的初始直流电信号X的大小为X＝(U1+U2)/2k；k为前置放大器A1的放大倍数，U2为后置放大器A2的输出。
2.根据权利要求1所述的颗粒物浓度测量方法，其特征在于，初始基底电压的变化范围Umin～Umax是通过下述方法得到：
对刚出厂时的颗粒物浓度测量装置进行多次实验，获取其中的光电转换装置输出的电信号值U1经过前置放大后的信号中的直流分量Ut0，Ut0分别上下浮动一定大小，从而形成初始基底电压的变化范围为Umin～Umax。
3.根据权利要求1所述的颗粒物浓度测量方法，其特征在于，初始基底电压的变化范围Umin～Umax是通过下述方法得到：
根据光源的初始参数的偏差确定初始基底信号的偏差范围C；对刚出厂时的颗粒物浓度测量装置进行多次实验，获取其中的光电转换装置输出的电信号值U1经过前置放大后的信号中的直流分量Ut0，得到初始基底中心值U0＝Ut0，那么初始基底电压的变化范围为Umin～Umax，其中Umin＝U0*(1-C)，Umax＝U0*(1+C)。
4.根据权利要求1所述的颗粒物浓度测量方法，其特征在于，初始基底电压的变化范围Umin～Umax是通过下述方法得到：
根据测量精度设置一个容错率，将容错率确定为初始基底信号的偏差范围C；对刚出厂时的颗粒物浓度测量装置进行多次实验，获取其中的光电转换装置输出的电信号值U1经过前置放大后的信号中的直流分量Ut0，得到初始基底中心值U0＝Ut0，那么初始基底电压的变化范围为Umin～Umax，其中Umin＝U0*(1-C)，Umax＝U0*(1+C)。
5.根据权利要求1所述的颗粒物浓度测量方法，其特征在于，从电信号U1中获取基底电压值Ut的方式是：通过滤波电路对前置放大器A1输出的电信号U1进行滤波，滤除交流得到的直流即为基底电压Ut。
6.根据权利要求1所述的一种颗粒物浓度测量方法，其特征在于，所述处理器在前置放大器A1的输入信号U1的基础上衰减一个直流分量(X、X1、X2)是通过向所述前置放大器A1的反向输入端输入直流分量实现的。
7.根据权利要求1所述的颗粒物浓度测量方法，其特征在于，根据所述光电转换装置所检测到的电信号中的交流信号分量计算被测气流中的颗粒物浓度。
8.一种颗粒物浓度测量装置，其特征在于，包含：
初始基底电压范围测量模块，用于在无颗粒物沉积状态时，通过多次实验获取光电转换装置输出的电信号经过前置放大器A1后输出的放大信号，将其中的基底电压作为初始基底电压，初始基底电压变化范围为Umin～Umax；
颗粒物浓度测量模块，实时对光电转换装置输出的电信号U1经过前置放大器A1后输出的放大信号中的基底电压值Ut进行检测，并将检测到的基底电压值Ut与初始基底电压范围Umin～Umax进行比较，判断Ut是否处于Umin～Umax的范围内；其中，电信号U1输入接入前置放大器A1的同向输入端；
当Umin≤Ut≤Umax时，处理器向前置放大器A1的反向输入端输入的直流电信号为初始直流电信号X，处理器在前置放大器A1的输入信号U1的基础上衰减一个大小为X的直流分量，前置放大器A1输出的放大信号中的基底电压Ut保持不变，对光电转换装置输出的电信号U1进行后续处理，获得颗粒物浓度检测信号；
当Ut>Umax时，计算出Ut与Umax之间的差值ΔU1＝Ut-Umax，处理器向前置放大器A1的反向输入端输入的直流电信号增大ΔU1/k，处理器在前置放大器A1的输入信号U1的基础上衰减一个直流分量X1，X1＝X+ΔU1/k，k为前置放大器A1的放大倍数，前置放大器A1输出的放大信号中的基底电压Ut开始减小，对光电转换装置输出的电信号U1进行后续处理，获得颗粒物浓度检测信号；
当Ut<Umin时，计算出Ut与Umin之间的差值ΔU2＝Umin-Ut，处理器向前置放大器A1的反向输入端输入的直流电信号减小ΔU2/k，处理器在前置放大器A1的输入信号U1的基础上衰减一个直流分量X2，X2＝X-ΔU2/k，前置放大器A1输出的放大信号中的基底电压Ut开始增大，对光电转换装置输出的电信号U1进行后续处理，获得颗粒物浓度检测信号，其中，k为前置放大器A1的放大倍数；
所述对光电转换装置输出的电信号U1进行后续处理是指将光电转换装置所检测到的电信号U1进行前置放大后输出的放大信号通过移相器或滤波与后置放大器A2相配合的方式滤除电信号U1中的绝大部分直流信号，得到其中的交流信号分量；处理器在前置放大器A1的反向输入端输入的初始直流电信号X的大小为X＝(U1+U2)/2k；k为前置放大器A1的放大倍数，U2为后置放大器A2的输出。
9.根据权利要求8所述的颗粒物浓度测量装置，其特征在于，初始基底电压的变化范围Umin～Umax是通过下述方法得到：
对刚出厂时的颗粒物浓度测量装置进行多次实验，获取其中的光电转换装置输出的电信号值U1经过前置放大后的信号中的直流分量Ut0，Ut0分别上下浮动一定大小，从而形成初始基底电压的变化范围为Umin～Umax。
10.根据权利要求8所述的颗粒物浓度测量装置，其特征在于：初始基底电压的变化范围Umin～Umax是通过下述方法得到：
根据光源的初始参数的偏差确定初始基底信号的偏差范围C；对刚出厂时的颗粒物浓度测量装置进行多次实验，获取其中的光电转换装置输出的电信号值U1经过前置放大后的信号中的直流分量Ut0，得到初始基底中心值U0＝Ut0，那么初始基底电压的变化范围为Umin～Umax，其中Umin＝U0*(1-C)，Umax＝U0*(1+C)。
11.根据权利要求8所述的颗粒物浓度测量装置，其特征在于：初始基底电压的变化范围Umin～Umax是通过下述方法得到：
根据测量精度设置一个容错率，将容错率确定为初始基底信号的偏差范围C；对刚出厂时的颗粒物浓度测量装置进行多次实验，获取其中的光电转换装置输出的电信号值U1经过前置放大后的信号中的直流分量Ut0，得到初始基底中心值U0＝Ut0，那么初始基底电压的变化范围为Umin～Umax，其中Umin＝U0*(1-C)，Umax＝U0*(1+C)。
12.根据权利要求8所述的颗粒物浓度测量装置，其特征在于：从电信号U1中获取基底电压值Ut的方式是：通过滤波电路对前置放大器A1输出的电信号U1进行滤波，滤除交流得到的直流即为基底电压Ut。
13.根据权利要求8所述的颗粒物浓度测量装置，其特征在于：所述处理器在前置放大器A1的输入信号U1的基础上衰减一个直流分量(X、X1、X2)是通过向所述前置放大器A1的反向输入端输入直流分量实现的。
14.根据权利要求8所述的颗粒物浓度测量装置，其特征在于：根据所述光电转换装置所检测到的电信号中的交流信号分量计算被测气流中的颗粒物浓度。
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Denomination of invention: A kind of particle concentration measurement method and device

Effective date of registration: 20220804

Granted publication date: 20200717

Pledgee: Guanggu Branch of Wuhan Rural Commercial Bank Co.,Ltd.

Pledgor: Sifang Optoelectronic Co.,Ltd.

Registration number: Y2022420000244