CN111766185B - 一种激光粉尘浓度检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光粉尘浓度检测方法及装置，方法包括：探测器在检测腔中填充待测样品且激光器处于闪烁状态和熄灭状态下分别采集第一亮信号和第一暗信号，并将第一亮信号和第一暗信号传输至信号处理器；信号处理器根据第一亮信号和第一暗信号以及预先获取的第一背景信号，确定待测样品中粉尘浓度；其中，第一背景信号在检测腔中填充零空气的状态下获得。本发明根据检测腔中填充待测样品且激光器处于闪烁状态和熄灭状态下获得的第一亮信号和第一暗信号，以及检测腔中填充零空气状态下获得的第一背景信号确定待测样品中粉尘浓度，能够消除其它杂散光、电路板上的噪声信号以及气室内粘附的颗粒对测量结果的干扰，使测量结果更加精确。

Description

一种激光粉尘浓度检测方法及装置

技术领域

本发明涉及粉尘检测技术领域，具体涉及一种激光粉尘浓度检测方法及装置。

背景技术

随着现代科技的快速发展，工业生产中许多粉末物质通常被人们忽视而造成很多悲剧，如粉尘污染、粉尘***等，接尘工人容易患肺癌、鼻咽、喉炎、哮喘等呼吸道疾病。同时细小的粉尘很可能造成电路短路，使芯片失效，粉尘附着在机器上加速摩擦也会缩短其寿命，因此，粉尘浓度的测量越来越重要。

现有粉尘浓度的测量方法主要包括光学分析法和非光学分析法。其中，基于光学分析的粉尘浓度测量方法具有探测灵敏度高、选择性强、响应速度快等特点，适合现场实时监测，且成本低，是粉尘浓度测量的理想方法。但由于现有基于光学分析的粉尘浓度测量方法是利用粉尘颗粒对各种光线的作用(阻挡，吸收，漫反射等)，通过测量光线照射前后的变化来获取粉尘浓度信息，在测量过程中容易受到其它杂散光、电路板上的噪声信号以及气室内粘附的一些颗粒的干扰，造成测量结果不准确。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种激光粉尘浓度检测方法及装置，旨在解决现有基于光学分析的粉尘浓度测量方法，在测量过程中容易受到其它杂散光、电路板上的噪声信号以及气室内粘附的颗粒的干扰，造成测量结果不准确的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种激光粉尘浓度检测方法，其中，应用于激光粉尘浓度检测装置，所述激光粉尘浓度检测装置包括：激光器、探测器、检测腔和信号处理器；所述方法包括步骤：

所述探测器在所述检测腔中填充待测样品且所述激光器处于闪烁状态下采集第一亮信号，并将所述第一亮信号传输至所述信号处理器；

所述探测器在所述检测腔中填充待测样品且所述激光器处于熄灭状态下采集第一暗信号，并将所述第一暗信号传输至所述信号处理器；

所述信号处理器根据所述第一亮信号和所述第一暗信号以及预先获取的第一背景信号，确定所述待测样品中粉尘浓度；其中，所述第一背景信号为所述检测腔中填充零空气时所述探测器检测到的信号。

所述的激光粉尘浓度检测方法，其中，所述待测样品的浓度计算公式为：

其中，C为待测样品的浓度，CAL为量程系数，K和B为比对系数，LD为第一亮信号，U为第一暗信号，X为光电系数，AD0为零点校准激光器电流信号，AD为测量时激光器电流信号，L0为第一背景信号，a、b和c为常数。

所述的激光粉尘浓度检测方法，其中，所述探测器在所述检测腔中填充待测样品且所述激光器处于闪烁状态下采集第一亮信号的步骤之前还包括：

所述探测器在所述检测腔中填充零空气且所述激光器处于闪烁状态下采集第二亮信号，并将所述第二亮信号传输至所述信号处理器；

所述探测器在所述检测腔中填充零空气且所述激光器处于熄灭状态下采集第二暗信号，并将所述第二暗信号传输至所述信号处理器；

所述信号处理器根据所述第二亮信号和所述第二暗信号获取所述第一背景信号。

所述的激光粉尘浓度检测方法，其中，所述第一背景信号的计算公式为：

其中，LD’为第二亮信号，U’为第二暗信号，AD0’为前次零点校准激光器电流，AD0为零点校准激光器电流，a、b和c为常数。

所述的激光粉尘浓度检测方法，其中，当所述探测器采集第二亮信号时，所述方法还包括步骤：

所述激光器将所述激光器电流传输至所述信号处理器；

所述信号处理器根据所述激光器电流对所述信号处理器中存储的零点校准激光器电流进行更新。

所述的激光粉尘浓度检测方法，其中，所述激光粉尘浓度检测装置包括：旁路激光器；所述探测器在所述检测腔中填充待测样品且所述激光器处于闪烁状态下采集第一亮信号的步骤之前还包括：

所述探测器在所述检测腔中导入零空气且所述旁路激光器处于闪烁状态下采集第三亮信号，并将所述第三亮信号传输至所述信号处理器；

所述探测器采集在所述检测腔中导入零空气且所述旁路激光器处于闪烁状态下采集第三暗信号，并将所述第三暗信号传输至所述信号处理器；

所述信号处理器根据所述第三亮信号和所述第三暗信号获取所述第二背景信号。

所述的激光粉尘浓度检测方法，其中，所述第二背景信号的计算公式为：

其中，LD”为第三亮信号，U”为第三暗信号，AD1’为前次量程校准旁路激光器电流，AD1为量程校准旁路激光器电流，d、e和f为常数。

所述的激光粉尘浓度检测方法，其中，所述信号处理器根据所述第三亮信号和所述第三暗信号获取所述第二背景信号的步骤之后还包括：

所述信号处理器根据预先存储的原始信号以及所述第二背景信号确定量程系数。

所述的激光粉尘浓度检测方法，其中，所述量程系数的计算公式为：

其中，CAL为量程系数，L0′为原始信号，L1′为第二背景信号，CAL0为原始量程系数。

一种激光粉尘浓度检测装置，其中，包括：激光器、探测器、检测腔和信号处理器；

所述激光器用于产生激光光束；

所述检测腔用于导入待测样品或零空气；

所述探测器用于在所述检测腔中填充待测样品且所述激光器处于闪烁状态下采集第一亮信号，并将所述第一亮信号传输至所述信号处理器；以及在所述检测腔中填充待测样品且所述激光器处于熄灭状态下采集第一暗信号，并将所述第一暗信号传输至所述信号处理器；

所述信号处理器用于根据所述第一亮信号和所述第一暗信号以及预先获取的第一背景信号，确定所述待测样品中粉尘浓度；其中，所述第一背景信号为所述检测腔中填充零空气时所述探测器检测到的信号。

本发明的有益效果：本发明根据检测腔中填充待测样品且激光器处于闪烁状态和熄灭状态下获得的第一亮信号和第一暗信号，以及检测腔中填充零空气状态下获得的第一背景信号确定待测样品中粉尘浓度，能够消除其它杂散光、电路板上的噪声信号以及气室内粘附的颗粒对测量结果的干扰，使测量结果更加精确。

附图说明

图1是本发明实施例中提供的一种激光粉尘浓度检测方法的较佳实施例的流程图；

图2是本发明实施例中提供的一种激光粉尘浓度检测装置的较佳实施例的功能原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了解决现有基于光学分析的粉尘浓度测量方法通过测量光线照射前后的变化来获取粉尘浓度信息，在测量过程中容易受到其它杂散光、电路板上的噪声信号以及气室内粘附的颗粒的干扰，造成测量结果不准确的问题，本发明提供了一种激光粉尘浓度检测方法。

请参照图1，图1是本发明提供的一种激光粉尘浓度检测方法较佳实施例的流程图。

在本发明的较佳实施例中，所述激光粉尘浓度检测方法应用于激光粉尘浓度检测装置，所述激光粉尘浓度检测装置包括：激光器、探测器、检测腔和信号处理器；所述激光粉尘浓度检测方法包括三个步骤：

步骤S100、所述探测器在所述检测腔中填充待测样品且所述激光器处于闪烁状态下采集第一亮信号，并将所述第一亮信号传输至所述信号处理器；

步骤S200、所述探测器在所述检测腔中填充待测样品且所述激光器处于熄灭状态下采集第一暗信号，并将所述第一暗信号传输至所述信号处理器；

步骤S300、所述信号处理器根据所述第一亮信号和所述第一暗信号以及预先获取的第一背景信号，确定所述待测样品中粉尘浓度；其中，所述第一背景信号为所述检测腔中填充零空气时所述探测器检测到的信号。

由于现有基于光学分析的粉尘浓度测量方法在测量过程中容易受到其它杂散光、电路板上的噪声信号以及气室内粘附的颗粒的干扰，造成测量结果不准确。本实施例中需要对待测样品中的粉尘浓度进行检测时，首先将待检测样品导入检测腔中，使检测腔中填充待测样品后，开启激光器使激光器处于闪烁状态，激光器发出的激光光束进入检测腔后与待测样品中的粉尘颗粒发生相互作用，使部分激光光束产生散射，散射光由探测器接收得到第一亮信号。

具体实施时，考虑到第一亮信号中包含了其它杂散光以及电路板上的噪声信号的干扰，本实施例中在采集到第一亮信号后，进一步采集第一暗信号。具体地，在检测腔中填充待测样品的情况下，关闭激光器使激光器处于熄灭状态，在此情况下，激光器虽然不能产生激光光束与待测样品中粉尘颗粒产生相互作用，但其它杂散光与待测样品中粉尘颗粒的相互作用以及电路板上的噪声信号，仍然会使探测器的信号发生变化，从而通过探测器采集第一暗信号。根据探测器采集到的第一亮信号和第一暗信号计算待测样品中粉尘浓度，即可消除其它杂散光以及电路板噪声信号干扰的问题。

具体实施时，考虑到所述激光粉尘浓度检测装置在长期使用过程中，检测腔内壁上可能会粘附一些对激光光束产生散射的颗粒，本实施例中在采集第一亮信号之前，还预先获取第一背景信号，所述第一背景信号为使用干净的零空气反吹检测腔，在没有颗粒物进入检测腔的状态下探测器采集到的信号，由第一亮信号、第一暗信号以及第一背景信号确定待测样品中粉尘浓度，消除了其它杂散光、电路板上的噪声信号以及气室内粘附的一些颗粒对测量结果的干扰，使测量结果更加精确。

具体实施时，激光器的控制方法包括恒CD控制和恒PD控制，恒PD控制运行下，随着温度变化，实际光强CD和激光器电流AD成正比。为了减少算法的复杂程度，本实施例中设置激光器为恒PD控制，在测量时需要对探测器信号进行补偿。以零点校准为例，(LD’-U’)补偿后＝

其中，LD’为第二亮信号，U’为第二暗信号，AD0’为前次零点校准激光器电流，AD0为零点校准激光器电流，a、b和c为常数。

进一步地，所述待测样品的浓度计算公式为：

其中，C为待测样品的浓度，CAL为量程系数，K和B为比对系数，LD为第一亮信号，U为第一暗信号，X为光电系数，AD0为零点校准激光器电流信号，AD为测量时激光器电流信号，L0为第一背景信号，a、b和c为常数。在一具体实施例中，量程系数CAL通过量程校准获得，比对系数K和B为现场比对后手动输入，默认值为1和0，光电系数X默认值为1，零点校准激光器电流信号通过零点校准获得，测量时激光器电流信号AD为浓度测量过程中由激光器传输给信号处理器。信号处理器获取到第一亮信号LD、第一暗信号U和第一背景信号L0后，即可根据上述待测样品的浓度计算公式计算得到待测样品中粉尘浓度。

在一具体实施方式中，所述步骤S100之前还包括步骤：

M100、所述探测器在所述检测腔中填充零空气且所述激光器处于闪烁状态下采集第二亮信号，并将所述第二亮信号传输至所述信号处理器；

M220、所述探测器在所述检测腔中填充零空气且所述激光器处于熄灭状态下采集第二暗信号，并将所述第二暗信号传输至所述信号处理器；

M230、所述信号处理器根据所述第二亮信号和所述第二暗信号获取所述第一背景信号。

具体实施时，在对待测样品中粉尘浓度进行测量之前，需要对所述激光粉尘浓度检测装置进行零点校准。具体地，首先将干净的零空气导入检测腔中，所述零空气指不含臭氧、氮氧化物、碳氢化合物及任何能使臭氧分析仪产生紫外吸收的其他物质的空气；使检测腔中填充零空气后，开启激光器使激光器处于闪烁状态，虽然零空气不会与激光光束发生相互作用，但检测腔内壁上粘附的颗粒会与激光光束发生相互作用产生散射光，散射光由探测器接收得到第二亮信号。

进一步地，考虑到其它杂散光以及电路板上的噪声信号的干扰，本实施例中在采集到第二亮信号后，在检测腔中填充零空气的情况下，关闭激光器使激光器处于熄灭状态，此时其它杂散光与检测腔内壁上粘附的颗粒的相互作用以及电路板上的噪声信号，会使探测器的信号发生变化，从而通过探测器采集第二暗信号。根据探测器采集到的第二亮信号和第二暗信号即可获得由检测腔内壁粘附的颗粒引起的第一背景信号。

在一具体实施例中，所述第一背景信号的计算公式为：

其中，LD’为第二亮信号，U’为第二暗信号，AD0’为前次零点校准激光器电流，AD0为零点校准激光器电流，a、b和c为常数。具体实施时，每次测量待测样品中粉尘浓度前需要对装置进行零点校准，每次零点校准时激光器都会将其激光器电流传输给信号处理器即零点校准激光器电流AD0，信号处理器中还存储有前次零点校准时激光器传输的激光器电流即前次零点校准激光器电流AD0’，当信号处理器获取到探测器采集的第二亮信号LD’和第二暗信号U’后，即可根据上述第一背景信号的计算公式确定第一背景信号L0。上述第一背景信号的计算公式中的a、b和c与待测样品的浓度计算公式中的a、b和c为相同的常数，其中a＝0。

在一具体实施方式中，当所述探测器采集第二亮信号时，所述方法还包括步骤：

M100’、所述激光器将所述激光器电流传输至所述信号处理器；

M200’、所述信号处理器根据所述激光器电流对所述信号处理器中存储的零点校准激光器电流进行更新。

具体实施时，探测器在采集第二亮信号的同时，激光器将其当前激光器电流传输至信号处理器，信号处理器接收到当前激光器电流后对其存储的零点校准激光器电流进行更新。具体地，激光器传输的当前激光器电流为激光器运行过程中最后10S内的激光器电流，因为最后10S内激光器的状态和信号是最稳定的。此外，零点校准时，信号处理器还获取当前量程H，根据第一背景信号L0、前次零点校准时的背景信号L0”以及当前量程H，计算零点浓度，并对其存储的零点浓度进行更新。其中，所述零点浓度的计算公式为：Z1＝H*80％*(L0/L0”)，其中，Z1为零点浓度，H为当前量程，L0为第一背景信号，L0”为前次零点校准时的背景信号。

在一具体实施方式中，所述激光粉尘浓度检测装置包括：旁路激光器；所述步骤S100之前还包括步骤：

R100、所述探测器在所述检测腔中导入零空气且所述旁路激光器处于闪烁状态下采集第三亮信号并将所述第三亮信号传输至所述信号处理器；

R200、所述探测器采集在所述检测腔中导入零空气且所述旁路激光器处于闪烁状态下采集第三暗信号，并将所述第三暗信号传输至所述信号处理器；

R300、所述信号处理器根据所述第三亮信号和所述第三暗信号获取所述第二背景信号。

具体实施时，所述激光粉尘浓度检测装置还包括用于进行量程校准的旁路激光器。量程校准时需要开启量程校准光路，旁路激光器通过恒PD控制，PD强度大小可根据需要进行设置，默认值为0.3*80％＝0.24。具体地，首先将干净的零空气导入检测腔中，使检测腔中填充零空气后，开启旁路激光器使旁路激光器处于闪烁状态，由探测器采集第三亮信号，并将所述第三亮信号传输至信号处理器；然后关闭旁路激光器使旁路激光器处于熄灭状态，由探测器采集第三暗信号，并将所述第三暗信号传输至信号处理器；信号处理器根据第三亮信号和第三暗信号获取所述第二背景信号。所述第二背景信号的计算公式为：

其中，LD”为第三亮信号，U”为第三暗信号，AD1’为前次量程校准旁路激光器电流，AD1为量程校准旁路激光器电流，d、e和f为常数。在一具体实施例中，d＝0，e＝0.6，f＝0.4。

进一步地，信号处理器获取到第二背景信号后，根据预先存储的原始信号以及第二背景信号计算量程系数。所述量程系数的计算公式为：

其中，CAL为量程系数，L0^′为原始信号即前次量程校准得到的背景信号，L1^′为第二背景信号，CAL0为原始量程系数即前次量程校准得到的量程系数。

具体实施时，为了使测量结果更加精确，本实施例中还利用量程校准光路进行线性测量，在进行线性测量时需要开启量程校准光路，旁路激光器通过恒PD控制，进行线性测量时的PD控制不需要考虑温度的影响，此时PD强度为量程校准时PD强度的8/8，5/8，2/8。线性测量时，需要先获取当前量程H，旁路激光器的原始信号L0^′，然后根据不同PD强度下对应的第三亮信号LD”和第三暗信号U”计算量程浓度。其中，量程浓度的计算公式为：J＝H*80％*(LD”-U”)*L0^′，其中，H当前量程，LD”为量程校准时获得的第三亮信号，U”为量程校准时获得的第三暗信号，L0^′为旁路激光器的原始信号。如果量程范围内测的点越多，确定的线性就会越准。线性确定后，测量浓度可以用线性进行修正，使得测量浓度更接近于待测样品中粉尘的真实浓度。

基于上述实施例，本发明还提供了一种上述所述的激光粉尘浓度检测方法的激光粉尘浓度检测装置，其功能原理图如图2所示。所述激光粉尘浓度检测装置包括激光器110、探测器120和检测腔130和信号处理器140；

所述激光器110用于产生激光光束；具体如上所述；

所述检测腔120用于填充待测样品；具体如上所述；

所述探测器130用于在所述检测腔120中填充待测样品且所述激光器110处于闪烁状态下采集第一亮信号，并将所述第一亮信号传输至所述信号处理器140；以及在所述检测腔120中填充待测样品且所述激光器110处于熄灭状态下采集第一暗信号，并将所述第一暗信号传输至所述信号处理器140；具体如上所述；

所述信号处理器140用于根据所述第一亮信号和所述第一暗信号以及预先获取的第一背景信号，确定所述待测样品中粉尘浓度；第一背景信号为所述检测腔中填充零空气时所述探测器检测到的信号；具体如上所述。

综上所述，本发明公开了一种激光粉尘浓度检测方法及装置，方法包括：所述探测器在所述检测腔中填充待测样品且所述激光器处于闪烁状态下采集第一亮信号，并将所述第一亮信号传输至所述信号处理器；所述探测器在所述检测腔中填充待测样品且所述激光器处于熄灭状态下采集第一暗信号，并将所述第一暗信号传输至所述信号处理器；所述信号处理器根据所述第一亮信号和所述第一暗信号以及预先获取的第一背景信号，确定所述待测样品中粉尘浓度；其中，所述第一背景信号为所述检测腔中填充零空气时所述探测器检测到的信号。本发明根据检测腔中填充待测样品且激光器处于闪烁状态和熄灭状态下获得的第一亮信号和第一暗信号，以及检测腔中填充零空气状态下获得的第一背景信号确定待测样品中粉尘浓度，能够消除其它杂散光、电路板上的噪声信号以及气室内粘附的颗粒对测量结果的干扰，使测量结果更加精确。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种激光粉尘浓度检测方法，其特征在于，应用于激光粉尘浓度检测装置，所述激光粉尘浓度检测装置包括：激光器、探测器、检测腔和信号处理器；所述方法包括步骤：

所述探测器在所述检测腔中填充待测样品且所述激光器处于闪烁状态下采集第一亮信号，并将所述第一亮信号传输至所述信号处理器；

所述探测器在所述检测腔中填充待测样品且所述激光器处于熄灭状态下采集第一暗信号，并将所述第一暗信号传输至所述信号处理器；

所述信号处理器根据所述第一亮信号和所述第一暗信号以及预先获取的第一背景信号，确定所述待测样品中粉尘浓度；其中，所述第一背景信号为所述检测腔中填充零空气时所述探测器检测到的信号；

待测样品的浓度计算公式为：

其中，C为待测样品的浓度，CAL为量程系数，K和B为比对系数，LD为第一亮信号，U为第一暗信号，X为光电系数，AD0为零点校准激光器电流信号，AD为测量时激光器电流信号，L0为第一背景信号，a、b和c为常数；

所述探测器在所述检测腔中填充待测样品且所述激光器处于闪烁状态下采集第一亮信号的步骤之前还包括：

所述探测器在所述检测腔中填充零空气且所述激光器处于闪烁状态下采集第二亮信号，并将所述第二亮信号传输至所述信号处理器；

所述探测器在所述检测腔中填充零空气且所述激光器处于熄灭状态下采集第二暗信号，并将所述第二暗信号传输至所述信号处理器；

所述信号处理器根据所述第二亮信号和所述第二暗信号获取所述第一背景信号；

所述第一背景信号的计算公式为：

其中，LD’为第二亮信号，U’为第二暗信号，AD0’为前次零点校准激光器电流，AD0为零点校准激光器电流，a、b和c为常数。

2.根据权利要求1所述的激光粉尘浓度检测方法，其特征在于，当所述探测器采集第二亮信号时，所述方法还包括步骤：

所述激光器将所述激光器电流传输至所述信号处理器；

所述信号处理器根据所述激光器电流对所述信号处理器中存储的零点校准激光器电流进行更新。

3.根据权利要求1所述的激光粉尘浓度检测方法，其特征在于，所述激光粉尘浓度检测装置包括：旁路激光器；所述探测器在所述检测腔中填充待测样品且所述激光器处于闪烁状态下采集第一亮信号的步骤之前还包括：

所述探测器在所述检测腔中导入零空气且所述旁路激光器处于闪烁状态下采集第三亮信号，并将所述第三亮信号传输至所述信号处理器；

所述探测器采集在所述检测腔中导入零空气且所述旁路激光器处于闪烁状态下采集第三暗信号，并将所述第三暗信号传输至所述信号处理器；

所述信号处理器根据所述第三亮信号和所述第三暗信号获取第二背景信号。

4.根据权利要求3所述的激光粉尘浓度检测方法，其特征在于，所述第二背景信号的计算公式为：

其中，LD”为第三亮信号，U”为第三暗信号，AD1’为前次量程校准旁路激光器电流，AD1为量程校准旁路激光器电流，d、e和f为常数。

5.根据权利要求3所述的激光粉尘浓度检测方法，其特征在于，所述信号处理器根据所述第三亮信号和所述第三暗信号获取所述第二背景信号的步骤之后还包括：

所述信号处理器根据预先存储的原始信号以及所述第二背景信号确定量程系数。

6.根据权利要求5所述的激光粉尘浓度检测方法，其特征在于，所述量程系数的计算公式为：

其中，CAL为量程系数，L0^′为原始信号，L1^′为第二背景信号，CAL0为原始量程系数。

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