作者 / 李泓
无锡商业工作技能学院(江苏 无锡 214153)
李泓(1970-)，男，硕士，高级工程师，研讨方向：医疗电子设备、环保监测设备和安全监测设备的研制。
摘要：本文介绍了一种激光后散射检测办法的粉尘仪的规划，介绍了其根本的光学结构，并对其间的关键技能：暗电流主动消除和恒光功率操控做了具体介绍。据此规划制造的粉尘仪在实践运用中检测精确度高、重复性好，具有较高的实用价值。
导言
粉尘是一种能长期地以浮游办法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，严峻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形成影响，对农、林、牧业的出产形成影响。这几年雾霾现象越来越严峻，粉尘的污染也是一个很重要的要素。跟着人们对出产、生活环境的要求越来越高，人们也越来越注重环境保护。粉尘的监测和操控也越来越被注重。
粉尘检测仪便是用来检测空气中粉尘浓度的专用仪器。在实践运用中，常用的粉尘检测办法一般有三种：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，然后称重来丈量空气中粉尘的浓度，丈量成果最为精确，常用于对其他丈量办法的查验和校对。可是，称重法是一种非实时检测办法，所以不适用于对粉尘浓度的接连检测。
激光法通过丈量激光通过包括粉尘的被测空气后的衰减或散射来丈量粉尘浓度。粉尘浓度越高，衰减和散射越激烈。
感应法是通过丈量带静电的粉尘以必定速度通过金属探头时感应出的电荷来丈量粉尘浓度。在速度必定的情况下，感应电荷和粉尘浓度成线性关系。
本文首要介绍了一种根据激光后散射法的粉尘丈量仪。
1 激光后散射法粉尘丈量仪原理
如图1所示为激光后散射法粉尘丈量仪的丈量原理示意图。
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，通过烟尘的散射(等效散射系数为K2，与烟尘的安排结构、浓度相关)后穿过挡尘片(衰减系数为K1)，经透镜聚集(集聚增益为K3)到光学传感器。
传感器接纳到的光功率为：
Pr= Po*K1*K2*D*K1*K3 (1)
K3是透镜会聚增益，能够认为是一个常数;K1受积尘的影响会变小，在结构规划的时分，可规划添加洁净空气反吹设备，防止粉尘的短时间快速积累，一起通过守时的保护和校对来防止K1参数的改变，所以也能够看作是一个常数;烟尘反射系数K2和烟尘的特性有关，在检测特定粉尘的时分能够认为是一个常数。
所以能够简化为：
Pr=A*P0*D(A=K1*K2*K1*K3,在运用时能够通过标定来确认) (2)
通过标定常数A，然后丈量Pr和P0的比值就能够核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的比值就能够核算得到烟尘浓度的值，在实践运用中，一般通过规划使发射功率P0坚持安稳值，只检测传感器接纳到的光功率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体系结构图。
恒光功率操控电路操控激光管发射出固定光功率的激光照射到烟道中，通过烟尘的散射后抵达PIN光电二极管。光电二极管发生和接纳到的光功率成正比的光电流，通过I-V转化电路转化成电压信号，经扩大后进行AD转化送入单片机进行核算和处理。
由于PIN二极管输出的电流很弱小，所以要求扩大器有必要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。一般运用的芯片有LF353、LF412、AD8065、AD8661、ADA4530、CA3140等。如图3所示为PIN二极管扩大电路。
图3中，U10A高阻抗运算扩大器组成互阻扩大器，完成I-V转化，输出电压为I*R33，替换不同阻值的电阻R33，能够获得不同的转化灵敏度。U10B组成的反相扩大电路完成对转化电压的进一步扩大。
3 暗电流主动去除检测电路
理论上，光电传感器在没有光照的时分就没有光电流，但实践上PIN二极管在没有光照的时分也存在着弱小的电流，称为暗电流。在检测的时分需求去除暗电流的影响才干得到正确的检测成果，但PIN二极管的暗电流和其两头的反向电压、温度等相关，不是一个固定的值，无法在检测成果中直接去除，所以在丈量过程中需求采纳恰当的办法去除暗电流的影响。
如图4所示为规划的一种暗电流主动去除检测电路。
振荡电路发生50%占空比的方波，在低电平时封闭恒光功率驱动电路，激光管不发射激光，一起模仿开关接通到上端，此刻PIN二极管未接纳光，扩大电路输出PIN二极管暗电流信号，暗电流信号反向接入RC积分电路;在高电平时翻开恒光功率驱动电流，激光管发射激光，一起模仿开关接通到下端，此刻PIN二极管接纳散射光，扩大电路输出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，然后抵消暗电流的影响。
4 恒光功率输出操控电路
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，只需给定一个安稳的电流，激光二极管就能够有一个安稳的光输出量。可是，温度的改变会严峻影响激光二极管的光输出量，温度越高，光输出量越小。通过恒温操控的办法能够去除温度对光输出量的影响，可是激光管还存在光衰的问题，其发射功率跟着工作时间的添加而下降。所以，在实践运用中一般运用一种称为APC(主动功率操控)的操控办法，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，通过负反馈来得到安稳的光输出。
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。
由于PD的输出电流和LD光输出量成正比，所以只需确保PD的输出电流安稳，也就确保了LD光输出量的安稳。如图6所示为APC操控电路的根本框图。
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，正向电流添加，发光二极管的光输出量添加，光电二极管输出电流添加，监测电压添加，当监测电压添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操控完成安稳的光输出。
5 定论
本规划通过暗电流主动消除技能和恒光功率操控技能完成的激光粉尘仪通过装置调试，在实践运用中检测成果精确度高、重复性好、无噪音、可靠性好，满意运用要求，现在现已投入出产出售。
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本文来源于《电子产品世界》2018年第1期第52页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
