一种PM 2.5检测传感器设计*

2014-09-25杨永杰张裕胜杨赛程张小美

传感器与微系统 2014年3期

杨永杰，张裕胜，杨赛程，张小美

(南通大学电子信息学院，江苏南通 226019)

0 引言

近些年，灰霾天气已经对人们的生活和身体健康造成了不利影响，对于颗粒物检测技术的研究刻不容缓。检测颗粒物浓度的核心技术就是设计准确可靠的传感器[1]，相比国内来说，国外对光电传感器的研究起步较早，技术也较成熟，光电传感器已经广泛应用于军事、航天航空、工业控制和检测技术等领域。PM 2.5的检测方法有重量法、微量振荡天平法、β射线吸收法、光散射法等[2]，这些方法使用的传感器比较复杂，而且比较昂贵、受外界因素的影响比较大。本文根据光电传感器基本原理，采用技术成熟的对射式检测模式，高亮度、灵敏度高、稳定性好的激光源作为光源，使用具有内增益、灵敏度好的雪崩光电二极管作为接收器[3]，由I/V转换、电压放大、电压跟随构成调理电路加以优化和创新，实现传感器对颗粒物的准确检测[4，5]，并且通过实验得以证明，传感器结构简单、性能稳定可靠、测量准确、灵敏度高。

1 系统设计方案

1.1 理论依据

光电传感器是采用光电元件作为检测元件把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号，根据电信号的变化就可以间接得到被测量的大小。采用的雪崩光电二极管有着良好性能，光电流的大小与光照强度呈正比，能够根据光照强度的变化而灵敏地产生相应电流。本系统采用对射型检测方式，把发射器与接收器相互对射安装，使发射器发出的光能进入接收器。当有检测物体进入发射器和接收器之间时，被测物就会遮蔽光线而导致进入接收器的光量减少，根据接收器光量的变化就可以检测被测物的含量。此方法稳定性高、响应快、物体的颜色、光泽等因素对颗粒物检测的影响比较小。

1.2 方案设计

以激光器作为光源[6]， Si雪崩光电二极管作为接收器设计光电传感器，激光源发出的光经过透镜1和透镜2后照射在光敏感区，当有颗粒物通过光敏感区时，光的强度就会发生改变，光经过透镜3后被雪崩光电二极管接收，产生与颗粒物的大小呈比例的电脉冲信号。为了得到稳定可靠的信号，设计调理电路进行优化处理，先利用I/V转换电路把采集到的电流信号转换成电压信号，然后经过一级电压放大和电压跟随，得到稳定的电压值，方便后级采样处理。传感器光路原理图如图1所示。

图1 光路原理图

(1)

式中κ为小于1的光能损失系数，理想时为1；ω为透镜对激光源的立体角，均为常数。

检测通道处有颗粒经过光敏感区后，再由透镜3汇聚到雪崩光电二极管上，此时的光通量ΦP为

(2)

式中参数a随颗粒物浓度的增加而减小，从而使光通量ΦP相应的减小。

光电二极管输出电流IP函数为

IP=f(ΦP,VP).

(3)

小信号电流为

(4)

式中S为雪崩二极管灵敏度，h为分光参数，rP为接收管的输出电阻，VP为与i对应的电压值。

2 硬件设计

光电传感器主要由光源、光收集部分、光电检测三部分组成。

2.1 光源部分

针对本传感器设计的目的是供测量颗粒物浓度，对细小颗粒物的检测要求比较高，灵敏稳定地把光信号转换为电流信号是十分重要的。因此，本文采用工作电压4.5～5 V，波长650 nm，功率10 mW的半导体激光器作为光源。与普通光源相比，激光源具有高亮度、灵敏度高、稳定性好特点，作为光源是十分理想的。

2.2 光收集部分

当光敏区有颗粒物通过时，光强就会发生改变，同时接收管会根据光量的变化而产生相应的电流信号。本文使用透镜1和透镜2把光源发出的光照射到光敏感区，避免了光的浪费，透镜3把光收集起来发送到雪崩光电二极管，就得到与颗粒物有关的电信号。为了避免光敏感区以外的杂光进入光敏感区，整个传感器用黑色铝管密封起来，使收集到的光脉冲信号稳定可靠，传感器的性能得到提高，增大了输出信噪比，提高了传感器灵敏度。

2.3 光电检测

光电检测部分用雪崩二级管进行接收光信号[7]，把光信号转换为电信号，调理电路进行I/V转换，电压放大和电压跟随，并对电源部分进行合理的优化，提高传感器稳定可靠性。接收管采用AD500—8—TO52—S1的Si雪崩光电二极管，这种雪崩二极管的结电容小、灵敏度高、响应快，能快速反映颗粒物浓度的变化，当雪崩光电二极管的PN结反向偏置时就会出现雪崩现象，在结区电场的作用下产生大量载流子，反向电流的大小比无雪崩时要大得多。由雪崩光电二极管的光谱响应特性可知，在650 nm波长上有较高的响应度，对颗粒物检测的灵敏度较好。而且该类光电二极管有自增益的特性，且最佳增益是60，这样在设计后面的放大电路时，可以不用高增益的放大电路就可以得到理想结果，减少了噪声干扰和降低了电路不稳定性。

2.4 调理电路的实现

电源的稳定性和正负电源的电压平衡性直接影响传感器的性能和灵敏度。本系统需用双电源供电，利用ICL7660芯片实现+5～-5 V电源转换，电路如图2所示，经测试发现±5 V的电压平衡性较好，运放效果理想，同时对系统的零点漂移起到抑制作用。实际应用中，模拟电源和数字电源一定要隔离，减小数字电平的突变对模拟电路的影响，提高了传感器的稳定性。

图2 电源+5 V转-5 V模块

由于测量的信号比较微弱，检测到的电流信号只有几十到几百微安，比较容易被本底噪声所干扰，为了能够检测到此信号就需要调理电路进行处理[8]。本调理电路分为两部分：一部分是I/V转换、电压放大；另一部分是电压跟随，电路如图3所示。前一部分放大电路的核心元件是AD8610，具有频带宽、噪声低、低输入偏置电流、反应快速、失真小、单位增益稳定等特性，适合作为弱输入信号的放大元件。雪崩光电二极管具有内增益，并不需要对信号多级放大，在设计I/V转换时，采用雪崩光电二极管并联一只电阻器R1和电容器C7，整体构成弱信号发生器，把二极管产生的电流信号通过R1转换为电压VIN

VIN=VP=i·R1.

(5)

同相放大电路通过调节R3来改变增益，电路具有很好的稳定性且满足公式

Vout1=(1+R3/R2)VIN.

(6)

后一部分电路是设计的具有低偏压差、低温度漂移、高性能电压跟随器[9]。此电路利用2个运算放大器和电阻器R4，R5组成，2个运算放大器是TL072内部的同一封装、参数一致的运放，输入电压偏差和电流偏差都相等，当R4与R5相等时：VOUT1=VOUT。由于2个运放的特性一致，2个运放的相互制约使其特性几乎不随温度变化，加入电容器C8是为了避免高频自激振荡。此电压跟随器不仅能够起到缓存和隔离作用，而且还可以实现阻抗转换，提高带负载能力，稳定输出电压，为后级处理提供可靠保证。

图3 调理电路

3 系统测试与分析

本设计在进行测试时，为了防止杂光进入传感器，用发黑过的铝管密封起来，测量通道一端加上PM 2.5切割头[10]，在流量计的控制下用抽气泵进行1.7 L/min定量抽气，在实验室里通过蚊香烟做实验。由于颗粒物浓度不易观察，利用Cortex—M3系列LM3S8962内部的10位ADC采集来观察实验结果。1)将1 s采集的数据求平均作为实际采样值，从而减小系统测量误差。2)测量通道在装有PM 2.5切割头的一端外加过滤嘴来保证没有颗粒物通过，信号的A/D转换值稳定在700左右，综合温湿度等因素的影响，此时，可以设置阈值705作为清零采样值。与颗粒物浓度相对应的采样电压值

V=(705采样值)×(3 000/1 024)mV.

(7)

将每1 s对应的采样电压值放入Excel生成图像。图4是有过滤嘴时的图像，采样电压值可以稳定显示0 mV，表明检测环境是干净的、采样是稳定可靠的；拿掉过滤嘴，把传感器放入有一定浓度蚊香烟的盒子里，图像如图5所示，采样电压值在50 mV上下微小波动，稳定性较好；向放有传感器的盒子里不断增加蚊香烟，可以发现，采样电压值也不断增大，并且呈线性变化。