一種PM 2.5檢測傳感器設計*

楊永杰， 張裕勝， 楊賽程， 張小美

(南通大學 電子信息學院，江蘇 南通 226019)

0 引 言

近些年，灰霾天氣已經對人們的生活和身體健康造成了不利影響，對于顆粒物檢測技術的研究刻不容緩。檢測顆粒物濃度的核心技術就是設計準確可靠的傳感器[1]，相比國內來說，國外對光電傳感器的研究起步較早，技術也較成熟，光電傳感器已經廣泛應用于軍事、航天航空、工業(yè)控制和檢測技術等領域。PM 2.5的檢測方法有重量法、微量振蕩天平法、β射線吸收法、光散射法等[2]，這些方法使用的傳感器比較復雜，而且比較昂貴、受外界因素的影響比較大。本文根據光電傳感器基本原理，采用技術成熟的對射式檢測模式，高亮度、靈敏度高、穩(wěn)定性好的激光源作為光源，使用具有內增益、靈敏度好的雪崩光電二極管作為接收器[3]，由I/V轉換、電壓放大、電壓跟隨構成調理電路加以優(yōu)化和創(chuàng)新，實現傳感器對顆粒物的準確檢測[4，5]，并且通過實驗得以證明，傳感器結構簡單、性能穩(wěn)定可靠、測量準確、靈敏度高。

1 系統(tǒng)設計方案

1.1 理論依據

光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號，根據電信號的變化就可以間接得到被測量的大小。采用的雪崩光電二極管有著良好性能，光電流的大小與光照強度呈正比，能夠根據光照強度的變化而靈敏地產生相應電流。本系統(tǒng)采用對射型檢測方式，把發(fā)射器與接收器相互對射安裝，使發(fā)射器發(fā)出的光能進入接收器。當有檢測物體進入發(fā)射器和接收器之間時，被測物就會遮蔽光線而導致進入接收器的光量減少，根據接收器光量的變化就可以檢測被測物的含量。此方法穩(wěn)定性高、響應快、物體的顏色、光澤等因素對顆粒物檢測的影響比較小。

1.2 方案設計

以激光器作為光源[6]， Si雪崩光電二極管作為接收器設計光電傳感器，激光源發(fā)出的光經過透鏡1和透鏡2后照射在光敏感區(qū)，當有顆粒物通過光敏感區(qū)時，光的強度就會發(fā)生改變，光經過透鏡3后被雪崩光電二極管接收，產生與顆粒物的大小呈比例的電脈沖信號。為了得到穩(wěn)定可靠的信號，設計調理電路進行優(yōu)化處理，先利用I/V轉換電路把采集到的電流信號轉換成電壓信號，然后經過一級電壓放大和電壓跟隨，得到穩(wěn)定的電壓值，方便后級采樣處理。傳感器光路原理圖如圖1所示。

圖1 光路原理圖

(1)

式中κ為小于1的光能損失系數，理想時為1；ω為透鏡對激光源的立體角，均為常數。

檢測通道處有顆粒經過光敏感區(qū)后，再由透鏡3匯聚到雪崩光電二極管上，此時的光通量ΦP為

(2)

式中 參數a隨顆粒物濃度的增加而減小，從而使光通量ΦP相應的減小。

光電二極管輸出電流IP函數為

IP=f(ΦP,VP).

(3)

小信號電流為

(4)

式中S為雪崩二極管靈敏度，h為分光參數，rP為接收管的輸出電阻，VP為與i對應的電壓值。

2 硬件設計

光電傳感器主要由光源、光收集部分、光電檢測三部分組成。

2.1 光源部分

針對本傳感器設計的目的是供測量顆粒物濃度，對細小顆粒物的檢測要求比較高，靈敏穩(wěn)定地把光信號轉換為電流信號是十分重要的。因此，本文采用工作電壓4.5～5 V，波長650 nm，功率10 mW的半導體激光器作為光源。與普通光源相比，激光源具有高亮度、靈敏度高、穩(wěn)定性好特點，作為光源是十分理想的。

2.2 光收集部分

當光敏區(qū)有顆粒物通過時，光強就會發(fā)生改變，同時接收管會根據光量的變化而產生相應的電流信號。本文使用透鏡1和透鏡2把光源發(fā)出的光照射到光敏感區(qū)，避免了光的浪費，透鏡3把光收集起來發(fā)送到雪崩光電二極管，就得到與顆粒物有關的電信號。為了避免光敏感區(qū)以外的雜光進入光敏感區(qū)，整個傳感器用黑色鋁管密封起來，使收集到的光脈沖信號穩(wěn)定可靠，傳感器的性能得到提高，增大了輸出信噪比，提高了傳感器靈敏度。

2.3 光電檢測

光電檢測部分用雪崩二級管進行接收光信號[7]，把光信號轉換為電信號，調理電路進行I/V轉換，電壓放大和電壓跟隨，并對電源部分進行合理的優(yōu)化，提高傳感器穩(wěn)定可靠性。接收管采用AD500—8—TO52—S1的Si雪崩光電二極管，這種雪崩二極管的結電容小、靈敏度高、響應快，能快速反映顆粒物濃度的變化，當雪崩光電二極管的PN結反向偏置時就會出現雪崩現象，在結區(qū)電場的作用下產生大量載流子，反向電流的大小比無雪崩時要大得多。由雪崩光電二極管的光譜響應特性可知，在650 nm波長上有較高的響應度，對顆粒物檢測的靈敏度較好。而且該類光電二極管有自增益的特性，且最佳增益是60，這樣在設計后面的放大電路時，可以不用高增益的放大電路就可以得到理想結果，減少了噪聲干擾和降低了電路不穩(wěn)定性。

2.4 調理電路的實現

電源的穩(wěn)定性和正負電源的電壓平衡性直接影響傳感器的性能和靈敏度。本系統(tǒng)需用雙電源供電，利用ICL7660芯片實現+5～-5 V電源轉換，電路如圖2所示，經測試發(fā)現±5 V的電壓平衡性較好，運放效果理想，同時對系統(tǒng)的零點漂移起到抑制作用。實際應用中，模擬電源和數字電源一定要隔離，減小數字電平的突變對模擬電路的影響，提高了傳感器的穩(wěn)定性。

圖2 電源+5 V轉-5 V模塊

由于測量的信號比較微弱，檢測到的電流信號只有幾十到幾百微安，比較容易被本底噪聲所干擾，為了能夠檢測到此信號就需要調理電路進行處理[8]。本調理電路分為兩部分：一部分是I/V轉換、電壓放大；另一部分是電壓跟隨，電路如圖3所示。前一部分放大電路的核心元件是AD8610，具有頻帶寬、噪聲低、低輸入偏置電流、反應快速、失真小、單位增益穩(wěn)定等特性，適合作為弱輸入信號的放大元件。雪崩光電二極管具有內增益，并不需要對信號多級放大，在設計I/V轉換時，采用雪崩光電二極管并聯(lián)一只電阻器R1和電容器C7，整體構成弱信號發(fā)生器，把二極管產生的電流信號通過R1轉換為電壓VIN

VIN=VP=i·R1.

(5)

同相放大電路通過調節(jié)R3來改變增益，電路具有很好的穩(wěn)定性且滿足公式

Vout1=(1+R3/R2)VIN.

(6)

后一部分電路是設計的具有低偏壓差、低溫度漂移、高性能電壓跟隨器[9]。此電路利用2個運算放大器和電阻器R4，R5組成，2個運算放大器是TL072內部的同一封裝、參數一致的運放，輸入電壓偏差和電流偏差都相等，當R4與R5相等時：VOUT1=VOUT。由于2個運放的特性一致，2個運放的相互制約使其特性幾乎不隨溫度變化，加入電容器C8是為了避免高頻自激振蕩。此電壓跟隨器不僅能夠起到緩存和隔離作用，而且還可以實現阻抗轉換，提高帶負載能力，穩(wěn)定輸出電壓，為后級處理提供可靠保證。

圖3 調理電路

3 系統(tǒng)測試與分析

本設計在進行測試時，為了防止雜光進入傳感器，用發(fā)黑過的鋁管密封起來，測量通道一端加上PM 2.5切割頭[10]，在流量計的控制下用抽氣泵進行1.7 L/min定量抽氣，在實驗室里通過蚊香煙做實驗。由于顆粒物濃度不易觀察，利用Cortex—M3系列LM3S8962內部的10位ADC采集來觀察實驗結果。1)將1 s采集的數據求平均作為實際采樣值，從而減小系統(tǒng)測量誤差。2)測量通道在裝有PM 2.5切割頭的一端外加過濾嘴來保證沒有顆粒物通過，信號的A/D轉換值穩(wěn)定在700左右，綜合溫濕度等因素的影響，此時，可以設置閾值705作為清零采樣值。與顆粒物濃度相對應的采樣電壓值

V=(705采樣值)×(3 000/1 024)mV.

(7)

將每1 s對應的采樣電壓值放入Excel生成圖像。圖4是有過濾嘴時的圖像，采樣電壓值可以穩(wěn)定顯示0 mV，表明檢測環(huán)境是干凈的、采樣是穩(wěn)定可靠的；拿掉過濾嘴，把傳感器放入有一定濃度蚊香煙的盒子里，圖像如圖5所示，采樣電壓值在50 mV上下微小波動，穩(wěn)定性較好；向放有傳感器的盒子里不斷增加蚊香煙，可以發(fā)現，采樣電壓值也不斷增大，并且呈線性變化。

圖4 沒有顆粒物采樣圖

可以發(fā)現，只要有顆粒物通過傳感器，就會馬上有相應電壓值的變化，靈敏度比較高，并且傳感器檢測的采樣電壓值與顆粒物濃度呈正比。加工好的傳感器實物如圖6所示，該傳感器在PM 2.5檢測上得到驗證，測量準確、響應快、誤差小，有廣闊的應用前景。

圖6 傳感器實物

4 結 論

本文設計的傳感器用激光源作為光源，具有內增益、靈敏度高的雪崩二極管作為接收管，使用低偏壓差、低溫度漂移、高性能的電壓跟隨，通過實驗證明：此傳感器與傳統(tǒng)光電傳感器相比，具有靈敏度高、響應快、誤差小、穩(wěn)定性好

的特點，并且此傳感器的結構簡單、造價低、適用于顆粒物檢測。

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