空氣粉塵的快速測量裝置製造方法
2023-07-30 10:49:21
空氣粉塵的快速測量裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型揭示了一種空氣粉塵的快速測量裝置，包括光學傳感器，信號放大電路，AD轉換電路，微處理器和3G無線通信模塊，光學傳感器根據空氣中的粉塵粒子濃度輸出電信號給信號放大電路；信號放大電路對該電信號進行多級放大和濾波處理；AD轉換電路對經信號放大電路處理後的電信號進行模數轉換；微處理器對經數模轉換後的電信號進行算法處理，將粉塵粒子濃度換算成粉塵濃度數據送給3G無線通信模塊；3G無線通信模塊將粉塵濃度數據無線發送給遠程監控中心。本實用新型以光學傳感器來檢測空氣中粉塵的數量和直徑，同時採用32位ARM處理器為控制核心，實現了對空氣中粉塵的快速檢測以及數據處理；且本實用新型內置3G通信模塊，可實現實時在線遠程監測。
【專利說明】
空氣粉塵的快速測量裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及空氣中粉塵濃度測量的【技術領域】，尤其是涉及一種空氣粉塵的快速測量裝置。
【背景技術】
[0002]環境問題已成為危害人們健康、制約經濟發展和社會穩定的重要因素。隨著社會經濟的發展，環境問題已經作為一個不可迴避的重要問題提上了各國政府的議事日程。保護環境、減輕環境汙染、遏制生態惡化趨勢成為政府社會管理的重要任務。我國環境保護目前形勢更加嚴峻，環境汙染和生態破壞嚴重製約了經濟的可持續發展，影響了人類的生存環境。因此，必須加強對環境的監控力度，建立完善的監控、管理體系，環境(包括水質和大氣)監測儀器既是環境信息的源頭，又是環境質量評價、監控及環境科學管理的手段，為了預防環境汙染，在環保部門和各個易引起環境汙染的單位配備先進、智能在線監測儀器成為必然的要求。
[0003]目前在礦山開採、火力發電、水泥製造及玻璃製造等行業中，由於產品本身或者燃料使用及輸運過程中存在有大量的塵埃粒子飄揚於空氣中，給現場工作人員帶來了極大的健康危害。這些行業的作業現場必須裝備相應的除塵裝置，當空氣中塵埃濃度超標時，打開除塵裝置進行除塵，而空氣品質達標時則關閉除塵裝置，以實現在保護環境的同時，達到節約能源、降低廠家成本的目標。
[0004]此外一些先進的製造行業如集成電路、生物製藥等產品質量直接和製造車間的空氣潔淨度密切相關，在新的技術條件下，這些行業對空氣潔淨度的要求也越來越高，集成電路在lum技術工藝水平下，潔淨度要求是10級(每立方英尺體積內含有0.5um粒徑的塵埃粒子數在10個以內)，0.5um工藝技術，潔淨度要求是1級甚至更高，而在0.25um技術工藝水平下，潔淨度要求是0.1級以上，受控的最大顆粒直徑則都要到0.lum以內。隨著集成電路內建可靠性的廣泛應用，適應於其潔淨度要求的塵埃粒子計數器和粉塵濃度測定儀成為必須的測試儀器。
[0005]在技術水平不斷提高的條件下，對空氣粉塵測試儀器的要求也在不斷提高，不僅要有其速度快、精度高、靈敏度高等特點，還要求具有使用壽命長，測量範圍廣、無二次汙染、體積小等一些列其他指標要求。
實用新型內容
[0006]本實用新型的目的在於克服現有技術的缺陷，提供一種空氣粉塵快速測量裝置，利用光學傳感器來檢測空氣中粉塵的數量和直徑，同時採用單獨的32位ARM處理器為控制核心，以實現對空氣中粉塵的快速檢測以及數據處理。
[0007]為實現上述目的，本實用新型提出如下技術方案:一種空氣粉塵快速測量裝置，包括光學傳感器，信號放大電路，AD轉換電路，微處理器和3G無線通信模塊，所述信號放大電路包括前置放大電路、二級放大電路及信號濾波整形電路，所述光學傳感器接入所述前置放大電路，用於根據空氣中的粉塵粒子濃度輸出電信號給所述前置放大電路；所述二級放大電路串接在所述前置放大電路和所述信號濾波整形電路之間，所述前置放大電路、二級放大電路及信號濾波整形電路依次對所述電信號進行前置放大、二級放大及濾波整形，並輸出電壓信號給所述AD轉換電路；所述AD轉換電路與所述信號濾波整形電路相連，用於對所述電壓信號進行模數轉換；所述微處理器與所述AD轉換電路相連，用於對經數模轉換後的所述電壓信號進行算法處理，將所述粉塵粒子濃度換算成粉塵濃度數據送給所述3G無線通信模塊無線發送出去。
[0008]更近一步地，所述測量裝置還包括與微處理器相連的顯示單元和存儲單元，所述顯示單元接收並顯示所述粉塵濃度數據；所述存儲單元用於存儲所述粉塵濃度數據。
[0009]優選地，所述顯示單元為LCM液晶顯示單元，所述存儲單元為SPIFLASH存儲單元。
[0010]優選地，所述微處理器採用32位ARM處理器，所述32位ARM處理器可選用STM32F105 處理器。
[0011 ] 優選地，所述光學傳感器包括半導體雷射器，聚焦透鏡，柱面透鏡，粉塵採樣通道，非球面短焦距透鏡組，橢球反射鏡，消光器和雪崩型光敏二極體，所述半導體雷射器，聚焦透鏡，柱面透鏡及消光器從前往後依次在水平方向上同軸設置，且所述粉塵採樣通道位於所述柱面透鏡和所述消光器之間；所述非球面短焦距透鏡組，橢球反射鏡及雪崩型光敏二極體從上往下依次在豎直方向上同軸設置，且所述非球面短焦距透鏡組、橢球反射鏡分別位於所述粉塵採樣通道的上遊及下遊；所述雪崩型光敏二極體位於所述非球面短焦距透鏡組的上遊，且所述雪崩型光敏二極體接入所述前置放大電路。
[0012]優選地，所述前置放大電路採用JFET結型場效應運算放大電路。
[0013]優選地，所述二級放大電路中選用LF357放大緩衝器。
[0014]更進一步地，所述3G無線通信模塊將所述粉塵濃度數據無線發送給遠程監控中心。
[0015]優選地，所述遠程監控中心包括伺服器，伺服器內的資料庫及WEB監控頁面，以及監控端，所述伺服器通過3G無線網絡實時接收遠程的所述空氣粉塵的快速測量裝置發來的數據結果，並將所述數據結果以WEB頁面方式發布出來；所述監控端訪問所述WEB頁面，登錄到所述WEB頁面查看和獲取相關區域的空氣品質參數指標。
[0016]本實用新型採用以粉塵粒子在光束中產生的散射現象為原理的光學傳感器，單獨的32位ARM處理器，及3G無線傳輸網絡，由光學傳感器根據空氣中的粉塵粒子濃度輸出微弱的電信號，該電信號經過信號放大電路採集進AD轉換電路的模擬/數字接口，進行數模轉換，再由ARM處理器根據相應算法計算出數據結果，再在裝置自帶的液晶屏上顯示出來，最後ARM處理器再通過3G通信模塊將粉塵濃度數據實時發送到遠程監控中心，實現空氣粉塵的快速測量與遠程監測。
[0017]與現有技術相比，本實用新型的有益效果是:
[0018]1、本實用新型以光學傳感器來檢測空氣中粉塵的數量和直徑，同時採用單獨的32位ARM處理器為控制核心，實現對空氣中粉塵的快速檢測以及數據處理。
[0019]2、本實用新型內置3G通信模塊，可遠程收發數據，實現手機或其他移動智能設備遠程直接在線遠程監測或控制本實用新型的快速測量裝置；且本實用新型採用3G通信模塊實現無線通信，也提高了裝置的通信速度及通信穩定性。
[0020]3、本實用新型的粉塵測量裝置使用元件減少，實現了裝置的小型化及可攜式，使得攜帶更方便且測量精度更高。同時也大大降低了裝置的功耗，延長裝置電池的工作時間。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1是本實用新型空氣粉塵的快速測量裝置的硬體結構示意圖；
[0022]圖2是本實用新型光學傳感器的結構示意圖；
[0023]圖3是本實用新型信號放大電路的框圖示意圖；
[0024]圖4是本實用新型遠程監控中心的系統框架示意圖。
[0025]附圖標記:1、半導體雷射器，2、聚焦透鏡，3、柱面透鏡，4、粉塵採樣通道，5、非球面短焦距透鏡組，6、橢球反射鏡，7、消光器，8、雪崩型光敏二極體。
【具體實施方式】
[0026]下面將結合本實用新型的附圖，對本實用新型實施例的技術方案進行清楚、完整的描述。
[0027]本實用新型所揭示的一種空氣粉塵的快速測量裝置，主要是針對空氣汙染嚴重的城市中空氣粉塵參數的快速智能檢測。
[0028]如圖1所示，本實用新型揭示了一種空氣粉塵的快速測量裝置，包括光學傳感器，信號放大電路，AD轉換電路，微處理器和3G無線通信模塊，本實用新型光學傳感器根據空氣中的粉塵粒子濃度輸出微弱的電信號，該電信號經過信號放大電路採集進AD轉換電路的模擬/數字接口，進行相應的數模轉換，再由微處理器根據相應算法計算出數據結果，最後微處理器再通過3G無線通信模塊將粉塵濃度數據實時發送到遠程監控中心，實現空氣粉塵的快速測量與遠程監測。
[0029]如圖2所示，所述光學傳感器包括半導體雷射器1，聚焦透鏡2，柱面透鏡3，粉塵採樣通道4，非球面短焦距透鏡組5，橢球反射鏡6，消光器7和雪崩型光敏二極體8，其中，半導體雷射器1，聚焦透鏡2，柱面透鏡3及消光器7從前往後依次在水平方向上同軸設置，且粉塵採樣通道4位於柱面透鏡3和消光器7之間。非球面短焦距透鏡組5，橢球反射鏡6及雪崩型光敏二極體8從上往下依次在豎直方向上同軸設置，且非球面短焦距透鏡組5、橢球反射鏡6分別位於粉塵採樣通道4的上遊及下遊，雪崩型光敏二極體8位於非球面短焦距透鏡組5的上遊。
[0030]半導體雷射器1作為本實用新型的發光光源，發射出雷射，雷射光源依次經過聚焦透鏡2和柱面透鏡3後，由點狀光線變成一條線狀光線，形成散射光脈衝信號，其橫截面覆蓋粉塵採樣通道4。散射光脈衝信號經過雪崩型光敏二極體8的作用，最終線性地轉化為相應幅度的電流信號來進行粉塵數量及直徑的檢測。
[0031]該光學傳感器在專利CN2754061Y揭示的一種便捷式大流量雷射粉塵測定儀光學傳感器中已有詳細介紹，這裡便不再贅述。
[0032]由於光學傳感器的雪崩型光敏二極體產生的電流信號較小，因此需要信號放大電路將此微弱的電流信號轉換成相應幅度的電壓信號。如圖3所示，信號放大電路包括依次相連的前置放大電路、二級放大電路及信號濾波整形電路，前置放大電路與雪崩型光敏二極體相連，電流信號經過前置放大電路處理後轉換成具有對應幅度的電壓信號，本實用新型實施例中前置放大電路採用JFET結型場效應運算放大電路。
[0033]前置放大電路輸出的電壓信號比較穩定，但是其脈衝幅度較小，所以需要對其進行二級放大，電壓信號經二級放大電路放大後輸出信號穩定且幅度適合的電壓信號，最後再經信號濾波整形電路的濾波整形後，則最終輸出穩定的電壓信號。
[0034]微處理器是整個裝置的控制和數據處理中心，其主要負責空氣粉塵參數模擬信號的轉換、數據的解析處理、數據的存儲、LCM的顯示控制、3G通信的控制等。微處理器對AD轉換電路輸入的數據進行快速轉換，然後再採用η極連分式算法與卡爾漫濾波算法，算出粉塵濃度數據，再對粉塵濃度數據進行打包處理，送入3G無線通信模塊發送給遠程監控中心。
[0035]與現有技術採用主、副雙處理器方式對電壓信號處理不同，本實用新型在裝置中只接入一個處理器，即AD轉換電路之後接入微處理器，這樣使得本實用新型使用主要元件更少，實現裝置的小型化可攜式，測量攜帶更方便且測量精度更高，大大降低了裝置功耗。在本實用新型實施例中，微處理器可選用STM32F105處理器。
[0036]如圖1所示，本實用新型測量裝置還包括顯示單元和存儲單元，顯示單元接收並顯示經微處理器處理得出的粉塵濃度數據；存儲單元用於存儲所述粉塵濃度數據。
[0037]顯示單元可優選LCM液晶顯示單元，存儲單元可優選SPI FLASH存儲單元。
[0038]與現有配置GPRS模塊不同，本實用新型內置3G無線通信模塊，該模塊是本實用新型裝置的無線通信單元，ARM處理器通過它可以將採集的結果數據實時發送給遠程監控中心，以實現遠程的在線實時監控功能。
[0039]如圖4所示，為遠程監控中心的系統框架圖，遠程監控中心包括伺服器，資料庫，WEB監控頁面以及監控端，其中，伺服器通過3G無線網絡實時接收遠程的空氣粉塵的快速測量裝置發來的數據結果，然後再將數據結果以WEB頁面方式發布出來；資料庫是遠程監控中心與快速測量裝置進行數據交換的中心。監控端可為移動手機或其他移動通信設備，用戶通過監控端可以實時訪問該WEB頁面，直接登錄到頁面來查看和獲取相關區域的空氣品質參數指標，且此種方式不受設備平臺或作業系統平臺的限制。
[0040]本實用新型的技術內容及技術特徵已揭示如上，然而熟悉本領域的技術人員仍可能基於本實用新型的教示及揭示而作種種不背離本實用新型精神的替換及修飾，因此，本實用新型保護範圍應不限於實施例所揭示的內容，而應包括各種不背離本實用新型的替換及修飾，並為本專利申請權利要求所涵蓋。
【權利要求】
1.一種空氣粉塵的快速測量裝置，其特徵在於，包括光學傳感器，信號放大電路，ADR換電路，微處理器及3G無線通信模塊，所述信號放大電路包括前置放大電路、二級放大電路及信號濾波整形電路， 所述光學傳感器接入所述前置放大電路； 所述二級放大電路串接在所述前置放大電路和所述信號濾波整形電路之間； 所述AD轉換電路與所述信號濾波整形電路相連； 所述微處理器與所述AD轉換電路及所述3G無線通信模塊均相連。
2.根據權利要求1所述的空氣粉塵快速測量裝置，其特徵在於，所述測量裝置還包括與微處理器相連的顯示單元和存儲單元。
3.根據權利要求2所述的空氣粉塵快速測量裝置，其特徵在於，所述顯示單元為LCM液晶顯示單元，所述存儲單元為SPI FLASH存儲單元。
4.根據權利要求2所述的空氣粉塵快速測量裝置，其特徵在於，所述微處理器採用32位ARM處理器。
5.根據權利要求4所述的空氣粉塵快速測量裝置，其特徵在於，所述32位ARM處理器為STM32F105處理器。
6.根據權利要求1所述的空氣粉塵快速測量裝置，其特徵在於，所述光學傳感器包括半導體雷射器，聚焦透鏡，柱面透鏡，粉塵採樣通道，非球面短焦距透鏡組，橢球反射鏡，消光器和雪崩型光敏二極體， 所述半導體雷射器，聚焦透鏡，柱面透鏡及消光器從前往後依次在水平方向上同軸設置，且所述粉塵採樣通道位於所述柱面透鏡和所述消光器之間； 所述非球面短焦距透鏡組，橢球反射鏡及雪崩型光敏二極體從上往下依次在豎直方向上同軸設置，且所述非球面短焦距透鏡組、橢球反射鏡分別位於所述粉塵採樣通道的上遊及下遊； 所述雪崩型光敏二極體位於所述非球面短焦距透鏡組的上遊，且所述雪崩型光敏二極體接入所述前置放大電路。
7.根據權利要求1所述的空氣粉塵快速測量裝置，其特徵在於，所述前置放大電路採用JFET結型場效應運算放大電路。
8.根據權利要求1所述的空氣粉塵快速測量裝置，其特徵在於，所述二級放大電路中選用LF357放大緩衝器。
【文檔編號】G01N15/02GK204064855SQ201420369453
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年7月4日 優先權日:2014年7月4日
【發明者】肖金球, 雷巖, 陳多觀, 顧敏明 申請人:蘇州科技學院