CN107655803A - 一种双工作模式的粒子传感器及其检测方法 - Google Patents

Abstract

一种双工作模式的光学粒子传感器，包括：光传感模组，其内部光接收单元感测内部光源单元发射的准直检测光投射至粒子感测区域后被粒子散射所产生的散射光并变换输出对应的电信号；光源控制单元，其用于驱动和控制光传感模组中光源单元的工作状态；以及信号处理单元，其接收光传感模组输出的电信号进行信号处理和计算并输出检测到的粒子浓度。所述双工作模式的光学粒子传感器交替地工作在光散射光度计法和光散射粒子计数法两种工作模式。信号处理单元中存储光散射光度计法工作模式的第一标定值和光散射粒子计数法工作模式的第二标定值，并且第一和第二标定值之间具有各自确定的对应关系的相关性粒子浓度范围。

Description

一种双工作模式的粒子传感器及其检测方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种环境空气粒子传感器及其检测方法。

背景技术

近年来，空气传播粒子（airborne particle）作为空气中重要的污染物之一备受关注。空气传播粒子对人类危害极大，尤其是小粒径粒子，能长时间飘浮于大气中，难以沉降到地面，易进入人体呼吸道，并且粒径越小，在人体呼吸道中的沉降位置越深，危害越大。《环境空气质量标准》将环境空气中空气动力学当量直径≤10μm的空气传播粒子称为可吸入颗粒物PM10，将环境空气中空气动力学当量直径≤2.5μm的粒子称为细颗粒物PM2.5。PM10易沉积在上呼吸道，引发各种疾病；PM2.5能够沉积在支气管和肺部，并且更易吸附有毒害的物质进入体内，危害人体健康。因此，对环境空气中空气传播粒子浓度的准确测量显得格外重要。基于光学原理的粒子传感器（particle sensor）目前在国内外被大量采用，由于其小型化、实时感测和成本低等特点，被广泛应用于空气净化器、新风系统、空调、空气质量检测装置等设备。

光学粒子传感器的光源单元、光接收单元、光路设计、信号处理以及粒子感测算法（particle sensing algorithm）等方面的设计各有不同。例如，光发射单元主要有红外光和激光，光发射单元工作模式主要有连续发光和脉冲式发光，粒子浓度感测原理包括光散射光度计法（light scattering photometers method）和光散射粒子计数法（lightscattering particle counter method）。不同设计的光学粒子传感器的产品特性各有不同，包括传感器的粒径感度（particle size sensitivity，即可测量的最小粒子的粒径，以及不同粒径的粒子测量准确度）、分辨率（resolution）、量程（detection range）、测量精度（accuracy）、响应时间（response time）、测量重复性及长期稳定性（measurementrepeatability and long-term stability）、输出曲线漂移特性（output curve driftcharacteristics）、使用寿命以及产品成本等方面的产品特性各有优缺点。

另一方面，光学原理的粒子传感器长期使用后光源单元的光强衰减、传感器内部积灰和光路结构件发生变形等因素所造成的光路特性变化，传感器其他部件的特性改变，以及传感器运行环境的温湿度变化等因素，均将引起传感器的输出特性发生变化，由此导致传感器的测量输出产生较大的误差，或者说测量数据漂移严重。

发明内容

在基本特征中，本发明提供了一种双工作模式的光学粒子传感器及其环境空气粒子浓度检测方法，其输出特性漂移（drift）问题得以有效改善，并提高了粒子传感器及其检测方法的测量精度。

在本发明的一个方面，所述双工作模式的光学粒子传感器包括：光传感模组，其内部光接收单元感测内部光源单元发射的准直检测光投射至粒子感测区域后被粒子散射所产生的散射光并变换输出对应的电信号；光源控制单元，其用于驱动和控制光传感模组中光源单元的工作状态；以及信号处理单元，其接收光传感模组输出的电信号进行信号处理和计算并输出检测到的粒子浓度。

在一些实施例中，该粒子传感器还包括由信号处理单元控制工作的电控风扇，其用于对光传感模组的粒子感测区域引入受控气流（controlled air flow）。

所述双工作模式的光学粒子传感器交替地工作在光散射光度计法（lightscattering photometers method）和光散射粒子计数法（light scattering particlecounter method）两种工作模式。

所述光散射光度计法工作模式时，光传感模组感测一团粒子所产生的电信号被信号处理单元执行滤波放大、采样及数字化处理后，形成与被感测粒子散射光强度直接相关的能力倾向单位（aptitude units）值。该能力倾向（aptitude）信息再经由信号处理单元记录、分析和计算，然后参考存储的第一标定值输出检测到的第一粒子浓度。所述第一标定值为信号处理单元中预设的能力倾向数据和粒子浓度值的对应关系。

在一些实施例中，光散射光度计法工作模式时，光源控制单元以预定长度和频率的脉冲信号来驱动和控制光传感模组中的光源单元发出脉冲检测光，信号处理单元以光源控制单元脉冲信号启动沿之后的设定时长对滤波放大后的所述电信号进行采样。

在一些实施例中，光散射光度计法工作模式时，光源控制单元以预定长度和频率的脉冲信号来驱动和控制光传感模组中的光源单元发出脉冲检测光，信号处理单元通过其包含的峰值检测电路以基于光源控制单元脉冲信号的时序对滤波放大后的所述电信号的峰值进行采样。

所述光散射粒子计数法工作模式时，光传感模组感测一系列粒子组所产生的一系列电信号被信号处理单元执行滤波放大、采样及数字化处理后，形成与被感测粒子散射光信号直接相关的一系列脉冲。该一系列脉冲的幅度（amplitude）与间距（spacing，或者说脉冲频率）信息再经由信号处理单元记录、分析和计算，然后参考存储的第二标定值输出检测到的第二粒子浓度，并在一定程度上确定相关的粒径检测信息。所述第二标定值为信号处理单元中预设的一系列脉冲的幅度与间距数据和粒径与粒子浓度值的对应关系。

在一些实施例中，光散射粒子计数法工作模式时，信号处理单元还输出检测到的粒子密度，所述第二标定值中包含预设的一系列脉冲的间距数据和粒子密度值的对应关系。

在一些实施例中，光散射粒子计数法工作模式时，光源控制单元以连续信号来驱动和控制光传感模组中的光源单元发出连续的检测光，信号处理单元以设定的采样率对滤波放大后的所述电信号进行连续采样。

在本发明的另一个方面，所述双工作模式的环境空气传播粒子浓度检测方法包括以下工作步骤：

该粒子传感器在标定及预设模式时包括：在相对稳定的环境空气粒子浓度条件下，交替地采用光散射光度计法工作模式进行标定及预设所述第一标定值和采用光散射粒子计数法工作模式进行标定及预设所述第二标定值，以致于所述的第一和第二标定值在同一或接近的粒子浓度值下分别确定各自对应的能力倾向数据和一系列脉冲的幅度与间距数据，使得所述的第一和第二标定值在一定的粒子浓度范围内确定各自的能力倾向数据和一系列脉冲的幅度与间距数据的对应关系，即第一和第二标定值之间具有各自确定的对应关系的相关性粒子浓度范围。

该粒子传感器在应用测量环境空气的检出粒子浓度模式时包括：在所述相关性粒子浓度范围内，并且在其中一种工作模式下检测到的粒子浓度值相对稳定时，以及满足其他预设的校准条件之后，交替地采用光散射光度计法和光散射粒子计数法工作模式测量环境空气粒子浓度以进行传感器自校准。

所述传感器自校准包括以下步骤：

信号处理单元通过比较检测到的第一和第二粒子浓度值的差异来判断是否执行数据校准；

信号处理单元记录光散射光度计法工作模式下检出的能力倾向数据或光散射粒子计数法工作模式下检出的一系列脉冲的幅度与间距数据为待校准数据；

以其中一种工作模式下检测到的粒子浓度为基准粒子浓度值，信号处理单元对另外一种工作模式的所述标定值进行数据校准；

所述数据校准包括：信号处理单元调整所述标定值中与待校准数据相应的预设的能力倾向数据或一系列脉冲的幅度与间距数据所对应的粒子浓度值为基准粒子浓度值。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状、比例尺寸和相互间的结构组成等仅为示例性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状、比例尺寸和相互间的结构组成。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状、比例尺寸和相互间的结构组成来实施本发明。

图1示出了本发明的双工作模式的光学粒子传感器的一种示例性结构示意图。

图2示出了本发明的双工作模式的光学粒子传感器的另一种示例性结构示意图。

图3示出了在本发明的一些实施例中，双工作模式的光学粒子传感器的工作流程图。

图4示出了在本发明的一些实施例中，双工作模式的光学粒子传感器执行标定及预设的工作流程图。

具体实施方式

图1和图2示出了在本发明的一些实施例中的双工作模式的光学粒子传感器。该粒子传感器包括：光传感模组100，其内部光接收单元150感测内部光源单元110发射的准直检测光120投射至粒子感测区域130后被粒子散射所产生的散射光140并变换输出对应的电信号；光源控制单元170，其用于驱动和控制光传感模组100中光源单元110的工作状态；以及信号处理单元180，其接收光传感模组100输出的电信号进行信号处理和计算并输出检测到的粒子浓度。在一些实施例中，光源单元110具有第一透镜111以汇聚和准直光源产生的光。在一些实施例中，光接收单元150具有第二透镜151以汇聚散射光140。在一些实施例中，光传感模组100还具有光陷阱161以不断地反射吸收多余检测光。在一些实施例中，光传感模组100还具有光陷阱162以不断地反射吸收多余散射光。此外，由元件170、180中具体的一个执行的此处描述的功能可以在本传感器上执行或者分布在多个设备上。在一些实施例中，该粒子传感器还包括由信号处理单元180控制工作的电控风扇（图中未示），其用于对光传感模组100的粒子感测区域130引入受控气流。

图3和图4示出了在本发明的一些实施例中，双工作模式的光学粒子传感器的环境空气粒子浓度检测方法。该粒子传感器交替地工作在光散射光度计法和光散射粒子计数法两种工作模式。信号处理单元180中存储光散射光度计法工作模式的第一标定值和光散射粒子计数法工作模式的第二标定值。所述第一标定值为标定及预设的能力倾向数据和粒子浓度值的对应关系，所述第二标定值为标定及预设的一系列脉冲的幅度与间距数据和粒径与粒子浓度值的对应关系。所述的第一和第二标定值在一定的粒子浓度范围内具有各自确定的能力倾向数据和一系列脉冲的幅度与间距数据的对应关系，即第一和第二标定值之间具有各自确定的对应关系的相关性粒子浓度范围。

首先参考图3，该粒子传感器在开始工作后先判断是否执行标定及预设。如果不执行标定及预设，则进入检出粒子浓度模式下的光散射光度计法工作模式。步骤1，光源控制单元170发出预定长度和频率的脉冲信号来驱动和控制光传感模组100中的光源单元110发出脉冲检测光。步骤2，信号处理单元180对光传感模组100感测一团粒子所输出的电信号执行滤波放大、采样及数字化处理，形成与被感测粒子散射光强度直接相关的能力倾向单位值。在一些实施例中，信号处理单元180以光源控制单元170脉冲信号启动沿之后的设定时长对滤波放大后的所述电信号进行采样。在一些实施例中，信号处理单元180通过其包含的峰值检测电路以基于光源控制单元170脉冲信号的时序对滤波放大后的所述电信号的峰值进行采样。步骤3，信号处理单元180对能力倾向数据信息进行记录、分析和计算得到检出的能力倾向数据。步骤4，信号处理单元180将检出的能力倾向数据参考存储的第一标定值。步骤5，检出第一粒子浓度。然后，信号处理单元180判断检出的第一粒子浓度是否处于预设的相关性粒子浓度范围内，如果不处于相关性粒子浓度范围内，则输出检出的第一粒子浓度。然后，如果检出的第一粒子浓度处于相关性粒子浓度范围内，则判断是否满足预设自校准条件。如果不满足预设自校准条件，则输出检出的第一粒子浓度。

接下来，如果满足预设自校准条件，则进入传感器自校准。首先，在光散射光度计法工作模式下检出第一粒子浓度C1，然后，判断预设次数或时间段的检出粒子浓度是否完成。如果预设次数或时间段的检出未完成，则继续执行光散射光度计法工作模式检出第一粒子浓度C1。如果预设次数或时间段的检出完成，则判断检出的粒子浓度C1是否稳定在限定阈值内。如果检出的C1不稳定，则退出传感器自校准，回到检出粒子浓度模式。如果检出的C1稳定，则信号处理单元180记录检出的粒子浓度C1为稳定粒子浓度值和记录检出C1的能力倾向数据为待校准数据，同时，进入光散射粒子计数法工作模式。步骤1，光源控制单元170以连续信号来驱动和控制光传感模组100中的光源单元110发出连续的检测光。步骤2，信号处理单元180对光传感模组100感测一系列粒子组所产生的一系列电信号执行滤波放大、采样及数字化处理后，形成与被感测粒子散射光信号直接相关的一系列脉冲。在一些实施例中，信号处理单元180以设定的采样率对滤波放大后的所述电信号进行连续采样。步骤3，信号处理单元180对该一系列脉冲的幅度与间距（脉冲频率）数据信息进行记录、分析和计算得到检出的一系列脉冲的幅度与间距数据。步骤4，信号处理单元180将检出的一系列脉冲的幅度与间距数据参考存储的第二标定值。步骤5，检出第二粒子浓度C2。接下来，回到光散射光度计法工作模式检出第一粒子浓度C3。然后，判断检出的C3与记录的稳定粒子浓度C1的差异是否在限定阈值内。如果C3不稳定在C1，则退出传感器自校准，回到检出粒子浓度模式。如果C3稳定在C1，则信号处理单元180记录检出的第二粒子浓度C2为基准粒子浓度值。然后，判断基准粒子浓度C2与稳定粒子浓度C1的差异是否大于限定阈值。如果C2与C1的差异在限定阈值内，则退出传感器自校准，回到检出粒子浓度模式。如果C2与C1的差异大于限定阈值，则执行数据校准：信号处理单元180调整第一标定值中与待校准数据相应的预设的能力倾向数据所对应的粒子浓度值为基准粒子浓度C2。数据校准完成后，传感器自校准结束，回到检出粒子浓度模式。

该粒子传感器在开始工作后，如果执行标定及预设，则进入标定及预设模式。接下来参考图4，首先执行检出粒子浓度模式时的标定及预设。在光散射光度计法工作模式下，检出的能力倾向数据结合参考的粒子浓度值进行标定及预设第一标定值。然后，判断检出粒子浓度模式时的标定及预设是否完成，如果未完成，则继续执行光散射光度计法工作模式以标定及预设第一标定值。

接下来，如果检出粒子浓度模式时的标定及预设完成，则执行相关性粒子浓度的标定及预设。首先，在光散射光度计法工作模式检出第一粒子浓度CR，然后判断CR是否在预设的相关性粒子浓度范围内。如果CR不在预设的相关性粒子浓度范围内，则继续执行光散射光度计法工作模式检出第一粒子浓度CR。如果CR处于预设的相关性粒子浓度范围内，则信号处理单元180记录检出的CR为稳定粒子浓度值。然后，进入光散射粒子计数法工作模式，检出一系列脉冲的幅度与间距数据，并被信号处理单元180记录为待标定数据。接下来，回到光散射光度计法工作模式检出第一粒子浓度CC，然后，判断检出的CC与记录的稳定粒子浓度CR的差异是否在限定阈值内。如果CC不稳定在CR，则重新开始光散射光度计法工作模式检出第一粒子浓度CR。如果CC稳定在CR，则信号处理单元180将待标定数据对应稳定粒子浓度CR标定及预设为第二标定值。最后，判断相关性粒子浓度的标定及预设是否完成，如果未完成，则继续执行光散射光度计法工作模式检出第一粒子浓度CR。如果相关性粒子浓度的标定及预设完成，则标定及预设模式完成，回到该粒子传感器的开始工作状态。

通过参考图3和图4，示出了在本发明的一些实施例中，双工作模式的光学粒子传感器标定及预设、检出环境空气粒子浓度和传感器自校准的方法。类似的，在本发明的一些实施例中，该粒子传感器检出粒子浓度模式时进入光散射粒子计数法工作模式输出检测到的第二粒子浓度，传感器自校准时以光散射光度计法工作模式检出的第一粒子浓度为基准粒子浓度值对第二标定值执行数据校准；相应地，标定及预设模式时先执行光散射粒子计数法工作模式下第二标定值的标定及预设，然后再执行光散射光度计法工作模式下相关性粒子浓度范围内的第一标定值的标定及预设。在这些实施例中的一些实施例中，检出粒子浓度模式时的光散射粒子计数法工作模式中，信号处理单元180根据检出的一系列脉冲的幅度数据在一定程度上确定相关的粒径检测信息。在这些实施例中的一些实施例中，信号处理单元180输出检测到的粒子密度，相应的，第二标定值中包含预设的一系列脉冲的间距数据和粒子密度值的对应关系。

可以使用可在微处理器上执行的软件、定制电路或者其组合来执行由信号处理单元执行的此处描述的功能。

本领域普通技术人员将意识到，在不背离本发明的精神和本质特征的情况下，可以通过其他特定的形式来实施本发明。因此，本描述在各个方面被视为示意性的而不是限制性的。本发明的范围由所附权利要求指示，并且旨在将其等效物的含义和范围中所伴有的所有改变包括在其中。

Claims (8)

1.一种双工作模式的光学粒子传感器，其特征在于，包括：

光传感模组，其内部光接收单元感测内部光源单元发射的准直检测光投射至粒子感测区域后被粒子散射所产生的散射光并变换输出对应的电信号，

光源控制单元，其用于驱动和控制所述光传感模组中所述光源单元的工作状态，

以及信号处理单元，其接收所述光传感模组输出的所述电信号进行信号处理和计算并输出检测到的粒子浓度；

所述双工作模式的光学粒子传感器交替地工作在光散射光度计法和光散射粒子计数法两种工作模式，

所述光散射光度计法工作模式时，所述光传感模组感测一团粒子所产生的所述电信号被所述信号处理单元执行滤波放大、采样及数字化处理后，形成与被感测粒子散射光强度直接相关的能力倾向单位值，所述能力倾向信息再经由所述信号处理单元记录、分析和计算，然后参考存储的第一标定值输出检测到的第一粒子浓度，所述第一标定值为所述信号处理单元中预设的能力倾向数据和粒子浓度值的对应关系，

所述光散射粒子计数法工作模式时，所述光传感模组感测一系列粒子组所产生的一系列所述电信号被所述信号处理单元执行滤波放大、采样及数字化处理后，形成与被感测粒子散射光信号直接相关的一系列脉冲，所述一系列脉冲的幅度与间距（脉冲频率）信息再经由所述信号处理单元记录、分析和计算，然后参考存储的第二标定值输出检测到的第二粒子浓度，并在一定程度上确定相关的粒径检测信息，所述第二标定值为所述信号处理单元中预设的一系列脉冲的幅度与间距数据和粒径与粒子浓度值的对应关系。

2.根据权利要求1所述的双工作模式的光学粒子传感器，其特征在于，所述粒子传感器还包括由所述信号处理单元控制工作的电控风扇，其用于对所述光传感模组的粒子感测区域引入受控气流。

3.根据权利要求1所述的双工作模式的光学粒子传感器，其特征在于，所述光散射光度计法工作模式时，所述光源控制单元以预定长度和频率的脉冲信号来驱动和控制所述光传感模组中的所述光源单元发出脉冲检测光，所述信号处理单元以所述光源控制单元脉冲信号启动沿之后的设定时长对滤波放大后的所述电信号进行采样。

4.根据权利要求1所述的双工作模式的光学粒子传感器，其特征在于，所述光散射光度计法工作模式时，所述光源控制单元以预定长度和频率的脉冲信号来驱动和控制所述光传感模组中的所述光源单元发出脉冲检测光，所述信号处理单元通过其包含的峰值检测电路以基于所述光源控制单元脉冲信号的时序对滤波放大后的所述电信号的峰值进行采样。

5.根据权利要求1所述的双工作模式的光学粒子传感器，其特征在于，所述光散射粒子计数法工作模式时，所述光源控制单元以连续信号来驱动和控制所述光传感模组中的所述光源单元发出连续的检测光，所述信号处理单元以设定的采样率对滤波放大后的所述电信号进行连续采样。

6.一种双工作模式的空气传播粒子浓度检测方法，其实现装置包括：

光传感模组，其内部光接收单元感测内部光源单元发射的准直检测光投射至粒子感测区域后被粒子散射所产生的散射光并变换输出对应的电信号，

光源控制单元，其用于驱动和控制所述光传感模组中所述光源单元的工作状态，

以及信号处理单元，其接收所述光传感模组输出的所述电信号进行信号处理和计算并输出检测到的粒子浓度；

所述双工作模式的光学粒子传感器交替地工作在光散射光度计法和光散射粒子计数法两种工作模式，

所述光散射光度计法工作模式时，所述光传感模组感测一团粒子所产生的所述电信号被所述信号处理单元执行滤波放大、采样及数字化处理后，形成与被感测粒子散射光强度直接相关的能力倾向单位值，所述能力倾向信息再经由所述信号处理单元记录、分析和计算，然后参考存储的第一标定值输出检测到的第一粒子浓度，所述第一标定值为所述信号处理单元中预设的能力倾向数据和粒子浓度值的对应关系，

所述光散射粒子计数法工作模式时，所述光传感模组感测一系列粒子组所产生的一系列所述电信号被所述信号处理单元执行滤波放大、采样及数字化处理后，形成与被感测粒子散射光信号直接相关的一系列脉冲，所述一系列脉冲的幅度与间距（脉冲频率）信息再经由所述信号处理单元记录、分析和计算，然后参考存储的第二标定值输出检测到的第二粒子浓度，并在一定程度上确定相关的粒径检测信息，所述第二标定值为所述信号处理单元中预设的一系列脉冲的幅度与间距数据和粒径与粒子浓度值的对应关系；

所述双工作模式的空气传播粒子浓度检测方法包括：在相对稳定的环境空气粒子浓度条件下，交替地采用所述光散射光度计法工作模式进行标定及预设所述第一标定值和采用所述光散射粒子计数法工作模式进行标定及预设所述第二标定值，以致于所述的第一和第二标定值在同一或接近的粒子浓度值下分别确定各自对应的能力倾向数据和一系列脉冲的幅度与间距数据，使得所述的第一和第二标定值在一定的粒子浓度范围内确定各自的能力倾向数据和一系列脉冲的幅度与间距数据的对应关系，即第一和第二标定值之间具有各自确定的对应关系的相关性粒子浓度范围。

7.根据权利要求6所述的双工作模式的空气传播粒子浓度检测方法，其特征在于，在应用测量环境空气的检出粒子浓度模式时包括：在所述相关性粒子浓度范围内，交替地采用所述光散射光度计法和所述光散射粒子计数法工作模式测量环境空气粒子浓度以进行传感器自校准。

8.根据权利要求7所述的双工作模式的空气传播粒子浓度检测方法，其特征在于，所述传感器自校准包括以下步骤：

所述信号处理单元通过比较检测到的第一和第二粒子浓度值的差异来判断是否执行数据校准，

所述信号处理单元记录所述光散射光度计法工作模式下检出的能力倾向数据或所述光散射粒子计数法工作模式下检出的一系列脉冲的幅度与间距数据为待校准数据，

以其中一种工作模式下检测到的粒子浓度为基准粒子浓度值，所述信号处理单元对另外一种工作模式的所述标定值进行数据校准，

所述数据校准包括：所述信号处理单元调整所述标定值中与所述待校准数据相应的预设的能力倾向数据或一系列脉冲的幅度与间距数据所对应的粒子浓度值为所述基准粒子浓度值。