CN114813647A - 一种气溶胶传感器检测系统及检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气溶胶传感器检测系统及检测装置，检测系统包括供电转换单元、控制器单元、气溶胶检测单元、数据接口单元和异常状态监测单元。检测装置包括主壳体、PCB支架、PCB板和底壳。本发明的检测系统通过对红外LED发光管采用硬件和软件的闭环控制，可以保证发光管每次发出的光源强度一致，有效提升检测系统的精准度。本发明的检测装置通过在光电管前增加透镜，将散射的光源进行聚集，从而初步提升光电管的信号轻度，可以在一定程度上提升传感器的分辨率。

Description

一种气溶胶传感器检测系统及检测装置

技术领域

本发明涉及气溶胶传感器检测技术领域，具体涉及一种气溶胶传感器检测系统及检测装置。

背景技术

气溶胶是由悬浮在气体介质中的固态或液态颗粒所组成的气态分散系统，因其对光具有散射作用，所以一般通过发光管和光电管组成气溶胶检测系统，发光管通过发射特定光源，光源经过气溶胶的散射后，被光电管所接收，通过光电管接收的光强来确定环境中气溶胶的浓度。光源经过气溶胶散射后，光源会不断衰减，导致光电管的分辨率和精度降低，从而导致现有气溶胶传感器的检测精度降低。而且发光管开环控制，连续工作的情况下会不断发光产生热量堆积，影响光电管的稳定性。其次，因为电路或环境原因，可能会导致发光管的驱动电压有所波动，从而导致发光管的光强不一致，最终也会影响气溶胶传感器的精度

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种基于发光管闭环控制、且检测精度高的气溶胶传感器检测系统及检测装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种气溶胶传感器检测系统，包括供电转换单元、控制器单元、气溶胶检测单元、数据接口单元和异常状态监测单元；所述供电转换单元为所述检测系统提供所需的稳定驱动电压，所述气溶胶检测单元用于采集环境中气溶胶浓度模拟信号，所述控制器单元为系统控制器、用于将所述气溶胶浓度模拟信号转换为数字信号并进行数据处理，所述数据接口单元用于与主机系统进行交互和数据传输，所述异常状态监测单元用于监测所述系统的运行状态；所述气溶胶检测单元包光源发射模块和光源接收模块，所述光源发射模块包括发光管，所述光源接收模块包括光电管，所述发光管与所述光电管成V形夹角布置，且所述光电管前设置有透镜，所述发光管通过硬件滤波和软件滤波实现闭环控制。

进一步的，所述供电转换单元包括EMC/EMI电路模块、防反接电路模块和稳压电路模块。

进一步的，所述红外LED驱动模块中还设置有用于调整所述红外LED发光管电流的电流检测电路模块。

进一步的，所述红外接收模块中还设置有用于放大所述气溶胶浓度模拟信号的信号放大电路模块。

进一步的，所述数据接口单元包括CAN总线收发器模块。

进一步的，所述异常状态监测单元包括供电电源检测电路模块和环境温度检测模块。

一种气溶胶传感器检测装置，包括主壳体、PCB支架、PCB板和底壳，所述PCB板上布置有所述供电转换单元、控制器单元、气溶胶检测单元、数据接口单元和异常状态监测单元；所述PCB板固定在所述PCB支架上，所述PCB支架和所述PCB板固定在所述主壳体内部，所述底壳与所述主壳体装配固定形成所述检测装置。

进一步的，所述主壳体内腔设置有上发射光路、上接收光路和散射室，所述PCB支架上端设置有下发射光路、下接收光路和连接器；所述下发射光路卡入到所述上发射光路内形成发射光路，所述下接收光路卡入到所述上接收光路内形成接收光路。

进一步的，所述连接器与所述PCB支架一体成形。

进一步的，所述上发射光路和所述下发射光路、所述上接收光路和所述下接收光路均设置有若干U形卡板，所述上发射光路和所述下发射光路的U形卡板交叉卡紧后形成所述发射光路，所述上接收光路和所述下接收光路的U形卡板交叉卡紧后形成所述接收光路。

本发明的有益效果是：

本发明的检测系统通过对红外LED发光管采用硬件和软件的闭环控制，可以保证发光管每次发出的光源强度一致，有效提升检测系统的精准度。

本发明的检测装置通过在光电管前增加透镜，将散射的光源进行聚集，从而初步提升光电管的信号轻度，可以在一定程度上提升传感器的分辨率。而且主壳体和底壳之间通过卡扣和卡口进行固定，方便前期装配和后期的拆卸维修。

本发明的检测装置中的发射光路和接收光路采用U形卡板设计，通过上下的U形卡板交叉卡紧形成圆形或椭圆形的发射和接收光路，此设计可以进一步方便发光管、光电管和透镜的前期组装和后期的维修工作。

附图说明

图1为本发明检测系统的原理图；

图2为本发明的系统主要模块图；

图3为图2中EMC/EMI模块的电路原理图；

图4为图2中CAN总线收发器模块的电路原理图；

图5为图2中数据接口单元的其他接口电路原理图；

图6为图2中光源发射模块的电路原理图；

图7为图2中光源接收模块的电路原理图；

图8为图2中异常状态监测单元的电路原理图；

图9为本发明检测装置的结构图；

图10为图9中主壳体1的内部结构图；

图11为图9中PCB支架2的结构图；

图12为图9正面截面图。

图中标记为：

1、主壳体，2、PCB支架，3、PCB板，4、底壳；

101、卡口，102、上进气口，103、上发射光路，104、上接收光路，105、散射室，1031、卡板，201、下发射光路，202、下接收光路，203、连接器，401、弹性卡扣，402，下进气管。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明具体提供了一种气溶胶传感器的检测系统和检测装置。

如图1所示，为气溶胶传感器检测系统的原理图，包括供电转换单元、控制器单元、气溶胶检测单元、数据接口单元和异常状态监测单元。其中，供电转换单元为本发明检测系统提供所需的稳定电压，控制器单元由核心处理器(MCU)和周边元器件组成，气溶胶检测单元用于采集环境中气溶胶浓度的模拟信号，数据接口单元用于与主机系统(包括但不限于计算机主机系统、车机等嵌入式系统，以及其他具备一定图形交互的操作系统)进行交互，异常状态监测单元用于监测系统的运行状态，确保系统正常运行。

如图2所示，为气溶胶传感器检测系统各个单元的主要模块图，其中供电转换单元包括EMC/EMI电路模块和稳压电路模块。数据接口单元包括基于CAN总线协议的CAN总线收发器电路模块和唤醒/请求电路模块。异常状态监测单元包括系统电压检测电路模块和环境温度监测电路模块。气溶胶检测单元包括光源发射模块和光源接收模块。

上述供电转换单元中的EMC/EMI电路模块用来抑制或消除各种干扰信号，确保供电转换单元的稳定性，稳压电路模块包括稳压芯片和周边元器件，通过稳压电路模块输出检测系统所需的稳定驱动电压。数据接口单元中的CAN总线收发器电路模块用于交互和数据传输，唤醒/请求电路模块用于控制和切换系统的工作模式。异常状态监测单元中的系统电压监测电路模块用于采样系统工作电压，计算供电电压值，环境温度监测电路模块用于采集工作环境温度，提供参数对气溶胶浓度数值进行修正，确保检测的准确性，以及确保系统的工作状态稳定。气溶胶检测单元中的光源发射模块用于输出稳定光强的光源，光源接收模块用于接收经气溶胶散射后的光源。本发明中光源发射模块采用红外LED发光管作为发射器，光源接收模块采用红外光电管作为接收器。

为了进一步的实现本发明的检测系统，下面通过具体实施例电路原理图阐述本发明上述的各个模块。

如图3所示，为供电转换单元中的EMC/EMI模块的电路图，TVS管D7用于抑制电源线上的脉冲干扰，也能对过高的电压予以抑制。电感L2为共模电感，用来抑制电源上的共模干扰。电感L1和电感L3、磁珠FB1和磁珠FB2分别用于滤除差模干扰的低频段和高频段。MOS管Q1、二极管D1、电阻R2和电容C1组成方反接电路模块，用于保护检测系统，该防反接电路模块具有低导通压降的特性。

如图4所示，为数据接口单元中的CAN总线收发器模块的电路图，芯片U2负责CMOS电平和CAN差分电平转换，左侧的D2、电容C10、电容C11、电阻R7、电阻R8，电容C13、电感L4共同组成了CAN接口的EMC/EMI电路模块，用于抑制和消除CAN总线收发器模块的各种干扰，确保交互通信的稳定性。

如图5所示，为数据接口单元中的唤醒/请求模块的电路图，在数据接口单元中设置有工作模式切换的两个端口，左侧电路为Request输入电路模块，右侧电路为Wakeup输出电路模块。Request信号由BMS电池管理系统控制，当BMS系统休眠时，Request被拉低(0V)，此时气溶胶传感器检测系统进入低功耗状态，采样周期为第一设定阈值(比如10S)。当BMS系统工作时，Request被拉高(12V)，此时气溶胶传感器检测系统进入连续工作状态，采样周期为第二设定阈值(比如1s)。通过BMS系统的Request信号来控制本发明气溶胶传感器检测系统的工作模式。

上述Wakeup信号由气溶胶传感器检测系统控制，当气溶胶传感器处于连续工作状态时，Wakeup保持为低(0V)。当传感器处于低功耗状态时，若环境内烟雾或气溶胶浓度超出设定阈值，传感器会拉高Wakeup(12V)来唤醒BMS系统，及时提醒可能安全隐患。

如图6所示，为气溶胶检测单元中的光源发射模块的电路图，红外LED发光管D3通过LED_PWM端口输入PWM信号来驱动，调整PWM信号占比，PWM信号经过左侧的R15和C34组成的RC滤波后，控制MOS管Q7的导通，从而控制红外LED发光管D3的导通向外发射红外光源。如图中所示，PWM信号传入MOS管Q7的栅极作为其开关，MOS管Q7下方源极连接有电阻R20，上方漏极连接发光管D3，运放U5及周边电路用于阻抗匹配组成电流采样电路。MCU的AD模块在LED_Current(简称LC)处进行采样输出电压(V_LC)，发光管D3处的电流I_led＝I_R20＝V_LC/R20，根据计算出的电流I_led与目标电流进行对比，通过PID算法控制PWM占空比的大小。从而实时调整发光管D3上的电流，保证其电流稳定。实现发光管的闭环控制，确保发光管的工作电压稳定，从而保证了发光管输出光源的稳定。

进一步的，我们在软件中还可以增加软件部分的闭环控制，LED_PWM驱动信号根据AD采样计算出发光管的工作功率，通过PID算法控制LED_PWM的输出信号，确保LED_PWM输出信号的稳定性。

如图7所示，为气溶胶检测单元中的光源接收模块的电路图，光电管ISO1及周边元器件组成用来接收经气溶胶散射后的红外光源信号，在通过运发U4和周边元器件将接收到红外光源信号进行放大和滤波处理，再传送到MCU内部的模数转换单元转换为红外数字信号，在经过MCU数据处理和分析，进而计算出气溶胶含量(即气溶胶的浓度)。

如图8所示，为异常状态监测单元中的供电电压监测模块和环境温度监测模块的电路图，左侧为供电电压监测模块的电路图，电阻R38和电阻R41组成分压电路，MCU的模数转换单元采样该处电压VBAT_V，从而计算出供电电压值。右侧为环境温度监测模块的电路图，电阻R37和温敏电阻RT1组成分压电路，通过采样该处电压NTC_V，在进行转换，从而计算出本发明检测系统的环境温度，通过温度参数对气溶胶数值进行修正，确保检测的准确性。

本发明还提供了一种气溶胶传感器检测装置。

如图9所示，为气溶胶传感器检测装置的结构图，包括主壳体1、PCB支架2、PCB板3和底壳4。本发明的气溶胶传感器检测系统布置在PCB板3上，PCB板3与PCB支架固定，底壳4与主壳体1安装固定，将PCB支架2和PCB板2固定在主壳体1内形成本发明的气溶胶传感器检测装置。

进一步的，方便装配安装和后期的维修拆卸，在本实施例中，底壳4和主壳体1通过卡扣和卡口配合固定，底壳4的左右两侧设置有多组弹性卡扣401，主壳体1的左右两侧设置有与弹性卡扣401配合的卡口101。

如图10所示，为主壳体1的内部结构图，主壳体1内腔设置有上发射光路103、上接收光路104和散射室105，上发射光路103和上接收光路104成V形夹角布置，V形夹角角度范围为105°～165°(如图12所示)，V形夹角处为散射室105，散射室105上方开有上进气口102。进一步的，垂直于上进气口102处的底壳4上开有下进气口，同时底壳4内部的下进气口外围设置有下进气管402，与之对应位置的PCB支架和PCB板上均开有定位孔，下进气管402穿过所述定位孔至散射室105内，下进气口通过下进气管402与散射室105导通，从而实现上下气流导通，可以方便气溶胶或烟雾从上下端进入散射室。

如图11所示，为PCB支架2的结构图，PCB支架2上端设置有下发射光路201、下接收光路202和连接器203，如图12所示，将下发射光路201卡入到上发射光路103内形成发射光路，将下接收光路202卡入到上接收光路104内形成接收光路。红外LED发光管布置在发射光路的后端、并穿过PCB支架与下端的PCB板焊接固定，光电光布置在接收光路的后端、并穿过PCB支架与下端的PCB板焊接固定。在光电管前端的接收光路上还布置有用于聚集光源的透镜。

上下发射光路、上下接收光路和散射室的结构根据需求进行定制和布置，在本发明中，上下发射光路和上下结构光路的结构包括U形卡板，上下U形卡板交叉卡紧固定后就会形成一个圆形或椭圆形的发射或接收光路，红外光源从发射光路射出，经过散射室散射后，部分光源进入接收光路被光电管接收，从而实现气溶胶传感器的检测。

进一步的，如图9所示，连接器203设置在PCB支架2的前端，作为线缆接口，内部设置有若干PIN针，PIN针与PCB板3焊接固定，连接器与PCB支架2一体成形，可以省去单独购买连接器的成本，从而节约的成本。同时，在PCB支架2和PCB板3的四周开有固定孔，主壳体1内部的相应位置设置有螺纹孔，通过螺丝与主壳体内部螺纹孔的配合，将PCB支架和PCB板固定在主壳体1内部。

如图8所示，主壳体1和底壳4的中间均开有网状通孔，用于气溶胶的传入到主壳体内部的发光管路和接收光路之间，从而检测气溶胶的浓度。当气溶胶传入到发光管路和接收光路中间时，气溶胶将发光管发射的红外光源进行散射，散射后的部分光源通过接收光路被光电管接收，接收光路中的透镜可以提升光强，增大光电管的接收信号，从而初步提升信号强度，在经过光源接收模块的运发电路模块，将信号进行放大处理，从而在一定程度上提升气溶胶传感器的精度和准确性。

因为红外LED发光管在硬件和软件上面均采用了闭环控制，可以有效的保证发光管每次发出的光源强度一致，从而进一步的提升气溶胶传感器的精度和准确性。为了提高气溶胶传感器的准确性，光电管进行连续采用去除最大值和最小值后取平均值作为采样结果。本发明的检测装置可应用于各领域的气溶胶检测、烟雾检测或粉尘检测。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气溶胶传感器检测系统，其特征在于：包括供电转换单元、控制器单元、气溶胶检测单元、数据接口单元和异常状态监测单元；所述供电转换单元为所述检测系统提供所需的稳定驱动电压，所述气溶胶检测单元用于采集环境中气溶胶浓度模拟信号，所述控制器单元为系统控制器、用于将所述气溶胶浓度模拟信号转换为数字信号并进行数据处理，所述数据接口单元用于与主机系统进行交互和数据传输，所述异常状态监测单元用于监测所述系统的运行状态；所述气溶胶检测单元包光源发射模块和光源接收模块，所述光源发射模块包括发光管，所述光源接收模块包括光电管，所述发光管与所述光电管成V形夹角布置，且所述光电管前设置有透镜，所述发光管通过硬件滤波和软件滤波实现闭环控制。

2.如权利要求1所述的一种气溶胶传感器检测系统，其特征在于：所述供电转换单元包括EMC/EMI电路模块、防反接电路模块和稳压电路模块。

3.如权利要求1所述的一种气溶胶传感器检测系统，其特征在于：所述红外LED驱动模块中还设置有用于调整所述红外LED发光管电流的电流检测电路模块。

4.如权利要求1所述的一种气溶胶传感器检测系统，其特征在于：所述红外接收模块中还设置有用于放大所述气溶胶浓度模拟信号的信号放大电路模块。

5.如权利要求1所述的一种气溶胶传感器检测系统，其特征在于：所述数据接口单元包括CAN总线收发器模块。

6.如权利要求1所述的一种气溶胶传感器检测系统，其特征在于：所述异常状态监测单元包括供电电源检测电路模块和环境温度检测模块。

7.一种气溶胶传感器检测装置，其特征在于：包括主壳体、PCB支架、PCB板和底壳，所述PCB板上布置有权利要求1-6任一权利要求所述的供电转换单元、控制器单元、气溶胶检测单元、数据接口单元和异常状态监测单元；所述PCB板固定在所述PCB支架上，所述PCB支架和所述PCB板固定在所述主壳体内部，所述底壳与所述主壳体装配固定形成所述检测装置。

8.如权利要求7所述的一种气溶胶传感器检测装置，其特征在于：所述主壳体内腔设置有上发射光路、上接收光路和散射室，所述PCB支架上端设置有下发射光路、下接收光路和连接器；所述下发射光路卡入到所述上发射光路内形成发射光路，所述下接收光路卡入到所述上接收光路内形成接收光路。

9.如权利要求8所述的一种气溶胶传感器检测装置，其特征在于：所述连接器与所述PCB支架一体成形。

10.如权利要求8所述的一种气溶胶传感器检测装置，其特征在于：所述上发射光路和所述下发射光路、所述上接收光路和所述下接收光路均设置有若干U形卡板，所述上发射光路和所述下发射光路的U形卡板交叉卡紧后形成所述发射光路，所述上接收光路和所述下接收光路的U形卡板交叉卡紧后形成所述接收光路。

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