一種基于光電傳感陣列的可吸入顆粒物檢測(cè)方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及可吸入顆粒物檢測(cè)領(lǐng)域，特別是一種基于光電傳感陣列的可吸入顆粒物檢測(cè)方法及裝置，利用光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換和FPGA的高速運(yùn)算能力完成檢測(cè)。
【背景技術(shù)】
[0002]可吸入顆粒物作為空氣質(zhì)量指標(biāo)之一已經(jīng)危害到人們的生活安全，尤其是近年來(lái)中國(guó)空氣質(zhì)量日益變差，全國(guó)范圍內(nèi)的霧霾程度也日益嚴(yán)重?？晌腩w粒物是指可以被人體吸入，沉積在呼吸道、肺泡等部位從而引發(fā)疾病。顆粒物直徑越小，進(jìn)入呼吸道的部位越深。10微米直徑的顆粒物通常沉積在上呼吸道，5微米直徑的可以進(jìn)入呼吸道的深部，2微米以下的可100%深入到細(xì)支氣管和肺泡。因此需要檢測(cè)這些可吸入顆粒物以保障人們的生命安全。
[0003]光電檢測(cè)方法具有精確度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)廣泛。光電傳感器是各種光電檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它能把光信號(hào)(紅外、可見(jiàn)及紫外鐳射光)轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)。它可用于檢測(cè)直接引起光量變化的非電量，如光強(qiáng)、光照度、輻射測(cè)溫、氣體成分分析等；也可用來(lái)檢測(cè)能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙程度、應(yīng)變、位移、振動(dòng)、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識(shí)別等。光電式傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點(diǎn)，因此在工業(yè)自動(dòng)化裝置和機(jī)器人中獲得廣泛應(yīng)用。
[0004]FPGA (Field Programmable Gate Array)即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在 PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。FPGA最大的特點(diǎn)內(nèi)部資源豐富，編程簡(jiǎn)單，可并行處理大數(shù)據(jù)，同時(shí)擁有高速的運(yùn)算能力，因此可以輕松地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法。
[0005]現(xiàn)有對(duì)于可吸入顆粒物濃度的檢測(cè)通常基于測(cè)量一定空間內(nèi)可吸入顆粒物質(zhì)量以及一定空間內(nèi)空氣總質(zhì)量的方式得到的。這種測(cè)量方式比較復(fù)雜繁瑣，而且精確度也存在局限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)的不足而提出了一種基于光電傳感陣列的可吸入顆粒物檢測(cè)方法及裝置，其裝置能夠?qū)崿F(xiàn)光信號(hào)測(cè)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)處理，簡(jiǎn)化了檢測(cè)方式，并且利用了現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列(FPGA)強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力，提高了檢測(cè)精度。
[0007]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
一種基于光電傳感陣列的可吸入顆粒物檢測(cè)裝置，其特征在于該裝置包括:
激光發(fā)射模塊，用于產(chǎn)生照射點(diǎn)光源；
光學(xué)透鏡組，與激光發(fā)射模塊連接，用于將激光發(fā)射模塊發(fā)出的點(diǎn)光源變成平行光源，并入射到空氣貯存腔體中； 空氣貯存腔體，用于貯存空氣，此空氣為需要檢測(cè)的空氣；
光電傳感陣列，其感光像素將經(jīng)過(guò)空氣貯存腔體之后的平行光源信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，恢復(fù)出電信號(hào)送往信號(hào)接收處理模塊；
信號(hào)接收處理模塊，與光電傳感陣列連接，用于接收來(lái)自光電傳感陣列的電信號(hào)，并且對(duì)此電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，得到檢測(cè)結(jié)果；
空氣過(guò)濾裝置，與空氣貯存腔體連接，用于過(guò)濾空氣中的可吸入顆粒物以進(jìn)行分級(jí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同尺寸可吸入顆粒物的檢測(cè)；
顯示屏輸出模塊，與信號(hào)接收處理模塊連接，用于顯示可吸入顆粒物的檢測(cè)數(shù)據(jù)；電源供電模塊，與激光發(fā)射模塊、光電傳感陣列、信號(hào)接收處理模塊和顯示屏輸出模塊連接，并為它們提供電源。
[0008]所述光電傳感陣列采用CMOS器件，在一個(gè)光電傳感陣列上有多達(dá)百萬(wàn)個(gè)的感光像素。
[0009]所述信號(hào)接收處理模塊包括信號(hào)幅值處理電路、ADC、FPGA、微控制器，光電傳感陣列恢復(fù)的電信號(hào)由信號(hào)幅值處理電路處理之后，由ADC進(jìn)行高速采樣后將數(shù)據(jù)送入FPGA中，并通過(guò)FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，微控制器將FPGA運(yùn)算處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可吸入顆粒物檢測(cè)結(jié)果并輸出；所述信號(hào)幅值處理電路依次連接ADC、FPGA及微控制器。
[0010]一種基于光電傳感陣列的可吸入顆粒物檢測(cè)方法，該方法包括如下步驟:
1)激光發(fā)射模塊發(fā)出點(diǎn)光源，經(jīng)過(guò)光學(xué)透鏡組轉(zhuǎn)換成平行光源；
2)平行光源入射到空氣貯存腔體中的待檢測(cè)空氣；
3)采用光電傳感陣列作為光源接收端，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；
4)接收來(lái)自光電傳感陣列的電信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行幅值處理，再經(jīng)由ADC采樣后通過(guò)FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，得到檢測(cè)結(jié)果。
[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
⑴、本發(fā)明采用激光光路結(jié)合光電傳感陣列的檢測(cè)方式，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)處理，簡(jiǎn)化了檢測(cè)方式。
[0012]⑵、本發(fā)明利用了 FPGA強(qiáng)大的運(yùn)算能力與高速的運(yùn)算速度，提升了檢測(cè)的精度。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)框圖；
圖2為本發(fā)明信號(hào)接收處理模塊的信號(hào)處理分析過(guò)程框圖；
圖3為本發(fā)明信號(hào)接收處理模塊的FPGA內(nèi)數(shù)據(jù)處理流程圖；
圖4為本發(fā)明光電傳感陣列示意圖；
圖5為本發(fā)明檢測(cè)原理示意圖；
圖6為本發(fā)明顯示屏輸出模塊顯示信息示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]參閱圖1，本發(fā)明由激光發(fā)射模塊1、光學(xué)透鏡組2、空氣貯存腔體3、光電傳感陣列4、信號(hào)接收處理模塊5、空氣過(guò)濾裝置6、顯示屏輸出模塊7及電源供電模塊8組成。激光發(fā)射模塊中通過(guò)驅(qū)動(dòng)激光二極管發(fā)出點(diǎn)光源，激光二極管的位置需要放置在光學(xué)透鏡組的焦點(diǎn)處，以此利用光學(xué)透鏡組的特性將點(diǎn)光源轉(zhuǎn)換成平行光源入射到空氣貯存腔體中。為了檢測(cè)空氣中可吸入顆粒物的精確度，要求激光二極管與光學(xué)透鏡組之間為真空。當(dāng)光源經(jīng)過(guò)空氣貯存腔體之后到達(dá)光電傳感陣列的每一個(gè)感光像素上，由此將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送到后續(xù)的信號(hào)接收處理模塊中。在信號(hào)接收處理模塊中經(jīng)過(guò)信號(hào)的運(yùn)算處理完成檢測(cè)，最終將檢測(cè)結(jié)果送到顯示屏上顯示。電源供電模塊為激光發(fā)射模塊、光電傳感陣列、信號(hào)接收處理模塊、顯示屏輸出模塊提供電源。
[0015]參閱圖2，該圖為信號(hào)接收處理模塊信號(hào)處理分析工作流程框圖。光電傳感陣列恢復(fù)的電信號(hào)由信號(hào)幅值處理電路處理之后，由高速ADC進(jìn)行高速采樣，并通過(guò)FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，微控制器將FPGA運(yùn)算處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可吸入顆粒物檢測(cè)結(jié)果并送往顯示屏顯示。
[0016]參閱圖3，本發(fā)明的信號(hào)接收處理模塊的FPGA內(nèi)數(shù)據(jù)處理的過(guò)程是FPGA接收來(lái)自高速ADC中的采樣數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼處理轉(zhuǎn)換成其認(rèn)識(shí)的格式，再對(duì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，將運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配，最后將檢測(cè)的結(jié)果數(shù)據(jù)輸出。注:FPGA中事先存有可吸入顆粒物濃度的數(shù)據(jù)，相當(dāng)于存有一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。
[0017]參閱圖4，為光電傳感陣列示意圖，其中單個(gè)子塊為感光像素。
[0018]參閱圖5，該圖為本發(fā)明檢測(cè)可吸入顆粒物的原理示意圖。圖中帶箭頭實(shí)線表示平行光源，它是由激光發(fā)射模塊I所發(fā)出的點(diǎn)光源經(jīng)光學(xué)透鏡組后得到的。不規(guī)則物體為空氣中的可吸入顆粒物。檢測(cè)原理如下:當(dāng)空氣比較純凈，即空氣中顆粒物較少時(shí)，如圖(a)所示，在光電傳感陣列中幾乎所有的感光像素都感應(yīng)到光，由此轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳送到后續(xù)信號(hào)接受處理模塊5進(jìn)行分析處理；當(dāng)空氣比較污濁，即空氣中顆粒物較多時(shí)，如圖(b)所示，在光電傳感陣列中就會(huì)有相當(dāng)一部分感光像素沒(méi)有感應(yīng)到光，它會(huì)將相應(yīng)的電信號(hào)送到后續(xù)信號(hào)接收處理模塊5進(jìn)行分析處理。
[0019]參閱圖6，該圖為顯示屏顯示的可吸入顆粒物數(shù)據(jù)信息。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于光電傳感陣列的可吸入顆粒物檢測(cè)裝置，其特征在于該裝置包括: 激光發(fā)射模塊(1)，用于產(chǎn)生照射點(diǎn)光源；光學(xué)透鏡組(2)，與激光發(fā)射模塊(I)連接，用于將激光發(fā)射模塊發(fā)出的點(diǎn)光源變成平行光源，并入射到空氣貯存腔體(3)中；空氣貯存腔體(3)，用于貯存空氣，此空氣為需要檢測(cè)的空氣；光電傳感陣列(4)，其感光像素將經(jīng)過(guò)空氣貯存腔體(3)之后的平行光源信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，恢復(fù)出電信號(hào)送往信號(hào)接收處理模塊(5);信號(hào)接收處理模塊(5)，與光電傳感陣列(4)連接，用于接收來(lái)自光電傳感陣列(4)的電信號(hào)，并且對(duì)此電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，得到檢測(cè)結(jié)果；空氣過(guò)濾裝置(6)，與空氣貯存腔體(3)連接，用于過(guò)濾空氣中的可吸入顆粒物以進(jìn)行分級(jí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同尺寸可吸入顆粒物的檢測(cè)；顯示屏輸出模塊(7)，與信號(hào)接收處理模塊(5)連接，用于顯示可吸入顆粒物的檢測(cè)數(shù)據(jù)；電源供電模塊(8)，與激光發(fā)射模塊(1)、光電傳感陣列(4)、信號(hào)接收處理模塊(5)和顯示屏輸出模塊(7)連接，并為其提供電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測(cè)裝置，其特征在于所述光電傳感陣列(4)采用CMOS器件，在一個(gè)光電傳感陣列上有多達(dá)百萬(wàn)個(gè)的感光像素。
3.根據(jù)權(quán)利I要求所述的檢測(cè)裝置，其特征在于信號(hào)接收處理模塊(5)包括信號(hào)幅值處理電路、ADC、FPGA、微控制器，光電傳感陣列恢復(fù)的電信號(hào)由信號(hào)幅值處理電路處理之后，由ADC進(jìn)行高速采樣后將數(shù)據(jù)送入FPGA中，并通過(guò)FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，微控制器將FPGA運(yùn)算處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可吸入顆粒物檢測(cè)結(jié)果并輸出；所述信號(hào)幅值處理電路依次連接ADC、FPGA及微控制器。
4.一種基于光電傳感陣列的可吸入顆粒物檢測(cè)方法，其特征在于該方法包括如下步驟: 1)激光發(fā)射模塊發(fā)出點(diǎn)光源，經(jīng)過(guò)光學(xué)透鏡組轉(zhuǎn)換成平行光源； 2)平行光源入射到空氣貯存腔體中的待檢測(cè)空氣； 3)采用光電傳感陣列作為光源接收端，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)； 4)接收來(lái)自光電傳感陣列的電信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行幅值處理，再經(jīng)由ADC采樣后通過(guò)FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，得到檢測(cè)結(jié)果。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于光電傳感陣列的可吸入顆粒物檢測(cè)方法及裝置，其裝置包括激光發(fā)射模塊、光學(xué)透鏡組、空氣貯存腔體、空氣過(guò)濾裝置、光電傳感陣列、信號(hào)接收處理模塊、顯示屏輸出模塊、電源供電模塊；檢測(cè)方法是利用激光照向待檢測(cè)空氣，由于部分激光會(huì)被空氣中的顆粒物遮擋，采用光電傳感陣列作為激光接收端以此將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送至后續(xù)信號(hào)接收處理模塊，利用FPGA對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理運(yùn)算，由此得到檢測(cè)結(jié)果值。本發(fā)明提出了一種采用激光光路結(jié)合光電傳感陣列的可吸入顆粒物檢測(cè)方式，利用光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換完成檢測(cè)，并且采用了FPGA強(qiáng)大的運(yùn)算能力，提高了運(yùn)算速度與檢測(cè)精度。
【IPC分類】G01N21-39
【公開(kāi)號(hào)】CN104807778
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510153637
【發(fā)明人】劉一清, 胡玉琛
【申請(qǐng)人】華東師范大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年7月29日
【申請(qǐng)日】2015年4月2日