一种用于粉尘浓度检测的激光接收电路

技术领域

本发明涉及粉尘浓度检测技术领域，尤其涉及一种用于粉尘浓度检测的激光接收电路。

背景技术

大气颗粒物是由漂浮在空气中的固体和液体颗粒物混合组成，是影响人类生活环境与身体健康的重要因素之一。工业生产是造成空气颗粒物增多的主要原因，尤其在在煤矿、建筑场地等工业环境中产生的煤尘与建筑灰尘严重影响居民的生活环境。近年来，我国不断推进生态文明建设，提倡绿色发展，加强对大气污染与大气雾霾的治理。因此，设计一种能够准确检测工业现场的粉尘浓度检测方法具有十分重要的意义。

工业现场中悬浮的空气颗粒物多为粒径较大的工业粉尘，对于工业粉尘浓度的检测常采用米氏(Mie)散射理论，将激光照射在采样空气中，空气中的颗粒物会对激光进行散射，然后通过感光器件检测散射激光的强度，再计算出相应的粉尘浓度值。现有的民用激光粉尘浓度传感器多采用Mie散射检测空气中的粉尘浓度，但是由于量程较小，不适用于工业环境。目前针对工业环境设计的粉尘浓度传感器，由于受自然光的干扰，需要将感光器件放置在黑暗环境中，然后设计风道，让采样空气在风道内流动，再通过感光器件检测散射的激光强度。然而该方法需要工作人员定期清理风道，且容易造成风道堵塞，影响检测精度。

中国发明CN201821956195.7公开了一种PM10光学粉尘浓度传感器，该粉尘浓度传感器通过抽风机将气体吸入传感器内部的暗室，然后气体中的粉尘在暗室中受到激光发射器的照射时，激光产生散射，再通过光电转换器检测激光强度，激光强度正比于空气中的粉尘浓度，该传感器需要工作人员每隔一段实现转动活塞杆，使气筒产生一定的压力，清理传感器内部积累的粉尘。然而该粉尘浓度传感器使用在煤矿多个不同地点使用时，工作人员需要定期清理各个粉尘传感器内部积累的粉尘，严重影响使用的便利性。中国发明CN201910709757.0公开了一种粉尘浓度检测仪，包括外壳、抽风机、第一检测通道、第二检测通道等，检测仪使用抽风机将采样空气从进气口吸入，通过第一检测通道与第二检测通道检测空气中的粉尘浓度，然后将采样空气从出气口流出。然而该粉尘浓度检测仪短期使用可以精确检测粉尘浓度，但长期使用在粉尘浓度较高的工业环境中，空气中的粉尘容易堵塞通道，影响正常检测。经研究分析，现有粉尘浓度传感器多采用风道与暗室搭配的检测方法，该方法长期使用才工业环境中极容易造成粉尘累积，堵塞风道，影响正常检测。因此，针对工业使用的粉尘浓度传感器，需要设计一种激光接收电路，能够滤除自然光与背景光的干扰，无需风道与暗室，即能精确的检测空气中的粉尘浓度值。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种用于粉尘浓度检测的激光接收电路，提供一种能够精确地检测空气中粉尘浓度的激光接收电路。为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种用于粉尘浓度检测的激光接收电路，包括光电转换电路、滤波放大电路、AD转换电路和主控制器，脉冲激光照射在光电转换电路中的光电二极管上，所述的光电转换电路的输出端与滤波放大电路的输入端相连接，滤波放大电路的输出端与AD转换电路输入端相连接，AD转换电路输出端与主控制器相连接。

进一步地，光电转换电路包括光电二极管D1和放大器U1，所述的光电二极管D1的阳极接地，光电二极管D1的阴极与放大器U1的反相输入端相连接，放大器U1的同相输入端接地，放大器U1的输出端与放大器U1的反相输入端连接有并联的电阻R1、电容C1。

进一步地，滤波放大电路包括放大器U2和放大器U3，所述的放大器U2反相输入端通过R2与电容C2相连接，放大器U2同相输入端包括两路输入，一路输入通过电阻R6接地，另一路输入通过电容C6与放大器U2反相输入端相连接，放大器U2的输出端与放大器U2的反相输入端连接有并联的电容C3、电阻R3，放大器U2的输出端通过电容C4、电阻R4与放大器U3的反相输入端相连接，放大器U3的同相输入端包括两路输入，一路输入通过电阻R7接地，另一路输入通过电容C7与放大器U3反相输入端相连接，放大器U3的输出端与放大器U3反相输入端连接有并联的电容C3、电阻R3，放大器U3的输出端与电阻R8相连接。

进一步地，AD转换电路包括AD转换芯片，AD转换电路的输入端与AD转换芯片的正差分模拟输入引脚VIN+相连接，AD转换芯片的负差分模拟输入引脚VIN-接地，AD转换芯片的串行时钟引脚SCL和串行数据引脚SDA与主控制器相连接。

进一步地，放大器U2与放大器U3组成高通滤波器，滤除低频噪声信号，并对有用信号进行放大。高通滤波器滤除自然光照射在光电二极管上产生的低频噪声信号，放大脉冲激光照射在光电二极管上产生的带有一定频率的有用信号。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：光电转换电路检测激光强度并转换为电压信号输出，经过滤波放大电路的两级放大器进行滤波放大，滤除自然光与背景光照射在光电转换电路中产生的噪声干扰信号，放大激光照射在光电转换电路中产生的有用信号，减少自然光对激光检测时带来的干扰，提高检测精度，然后经过AD转换电路将电压模拟信号转换为数字信号，数字信号传输时能够减少干扰，方便长距离传输，提供给主控制器更加精准、稳定的信号，从而更加精确的检测空气中的粉尘浓度值。

附图说明

以下结合附图对本发明做进一步详细描述。

附图1是本发明的电路结构示意图；

附图2是本发明的电路原理结构示意图；

附图中：1、光电转换电路，2、滤波放大电路，3、AD转换电路，4、主控制器。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图1和附图2及具体实施例对本发明作进一步的说明。

如附图1和附图2所示，一种用于粉尘浓度检测的激光接收电路，包括光电转换电路1、滤波放大电路2、AD转换电路3和主控制器4，脉冲激光照射在光电转换电路1中的光电二极管上，所述的光电转换电路1的输出端与滤波放大电路2的输入端相连接，滤波放大电路2的输出端与AD转换电路3输入端相连接，AD转换电路3输出端与主控制器4相连接。

进一步地，光电转换电路1包括光电二极管D1和放大器U1，所述的光电二极管D1的阳极接地，光电二极管D1的阴极与放大器U1的反相输入端相连接，放大器U1的同相输入端接地，放大器U1的输出端与放大器U1的反相输入端连接有并联的电阻R1、电容C1。

进一步地，滤波放大电路2包括放大器U2和放大器U3，所述的放大器U2反相输入端通过R2与电容C2相连接，放大器U2同相输入端包括两路输入，一路输入通过电阻R6接地，另一路输入通过电容C6与放大器U2反相输入端相连接，放大器U2的输出端与放大器U2的反相输入端连接有并联的电容C3、电阻R3，放大器U2的输出端通过电容C4、电阻R4与放大器U3的反相输入端相连接，放大器U3的同相输入端包括两路输入，一路输入通过电阻R7接地，另一路输入通过电容C7与放大器U3反相输入端相连接，放大器U3的输出端与放大器U3反相输入端连接有并联的电容C3、电阻R3，放大器U3的输出端与电阻R8相连接。

进一步地，AD转换电路3包括AD转换芯片U4，AD转换电路的输入端与AD转换芯片U4的正差分模拟输入引脚VIN+相连接，AD转换芯片U4的负差分模拟输入引脚VIN-接地，AD转换芯片U4的串行时钟引脚SCL和串行数据引脚SDA与主控制器4相连接。

进一步地，放大器U2与放大器U3组成高通滤波器，滤除低频噪声信号，并对有用信号进行放大。高通滤波器滤除自然光照射在光电二极管上产生的低频噪声信号，放大脉冲激光照射在光电二极管上产生的带有一定频率的有用信号。

本发明的工作原理和工作过程如下：

光电转换电路1中光电二极管将光信号转换为电流信号，再通过运算放大器转换为电压信号；滤波放大电路2将光电转换电路输出的电压信号进行高通滤波，滤除掉低频信号，再对通过的有用信号进行放大处理；AD转换电路3通过AD转换芯片将滤波放大后的电压模拟信号转换为数字信号，通过I2C总线传输到主控制器4。

如图2所示，光电转换电路1展示出光信号转换为电压信号的原理。脉冲激光照射在光电二极管D1上产生一定的电流信号，电流信号的强度与光照强度成正比，放大器U1同相输入端接地，电压为0V，反相输入端与同相输入端虚短，反相输入端电压也为0V，由于虚短，反相输入端电阻很高，光电二极管D1流出电流经过电阻R1流出，光电转换电路输出的电压即为光电二极管D1流出电流经过电阻R1后的电压值。

本实施例中放大器U1的型号采用OPA277，采用直流5V供电。脉冲激光使用650nm波长的激光，光电二极管D1感应波长范围在400nm-900nm，自然光中含有波长为650nm的光波。光电二极管D1在接收脉冲激光信号的同时，也会受到自然光与背景光的干扰，因此在激光做接收时，要滤除自然光与背景光的噪声干扰信号。自然光照射在光电二极管中经放大器产生的电压信号为恒定值，然而脉冲激光照射在光电二极管中经放大器将产生带有一定频率的电压信号，电压信号的频率与脉冲激光的频率有关。因此，通过高通滤波电路可以滤除自然光照射在光电二极管中产生的干扰信号。

滤波放大电路2展示出对电压信号进行高通滤波放大的过程。光电转换电路输出的电压信号经过电容C2与电阻R2将低频信号滤除，再通过放大器U2对滤波后的信号进行放大，放大增益为R3/R2。然后，输出信号再经过电容C4与电阻R4进行二次滤波，再由放大器U3对滤波后的信号进行二次放大，放大增益为R5/R4。最后，滤波放大电路将带有一定频率的有用信号进行输出。

本实施例中放大器U2、U3采用OPA603，实现截止频率为1KHz的高通滤波，增益为60dB；电容C2、C4、C6、C7选用100nF陶瓷电容，电阻R2、R4的阻值为1K欧姆，电阻R6、R7的阻值为2K欧姆，电容C3、C5选用150nF陶瓷电容，电阻R3、R5的阻值30K欧姆。

AD转换电路3示出将电压模拟信号转换为数字信号的过程，通过AD转换芯片U4将电压模拟信号转换为数字信号，然后由I2C的串行时钟引脚SCL与串行数据引脚SDA将转换后的数字信号输出到主控制器4中；本实施例中AD转换芯片U4型号为ADS1100，主控制器4型号为STM32F107。

利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。