一種基于光電傳感陣列的可吸入顆粒物檢測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方法及裝置，利用光電信號的轉(zhuǎn)換和FPGA的高速運(yùn)算能力完成檢測。
【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，尤其是近年來中國空氣質(zhì)量日益變差，全國范圍內(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。因此需要檢測這些可吸入顆粒物以保障人們的生命安全。
[0003]光電檢測方法具有精確度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測參數(shù)廣泛。光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它能把光信號(紅外、可見及紫外鐳射光)轉(zhuǎn)變成為電信號。它可用于檢測直接引起光量變化的非電量，如光強(qiáng)、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等；也可用來檢測能轉(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、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識別等。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，編程簡單，可并行處理大數(shù)據(jù)，同時擁有高速的運(yùn)算能力，因此可以輕松地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法。
[0005]現(xiàn)有對于可吸入顆粒物濃度的檢測通?；跍y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)明的目的是針對現(xiàn)有檢測技術(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方法及裝置，其裝置能夠?qū)崿F(xiàn)光信號測量轉(zhuǎn)換為電信號處理，簡化了檢測方式，并且利用了現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(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，此空氣為需要檢測的空氣；
光電傳感陣列，其感光像素將經(jīng)過空氣貯存腔體之后的平行光源信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，恢復(fù)出電信號送往信號接收處理模塊；
信號接收處理模塊，與光電傳感陣列連接，用于接收來自光電傳感陣列的電信號，并且對此電信號進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，得到檢測結(jié)果；
空氣過濾裝置，與空氣貯存腔體連接，用于過濾空氣中的可吸入顆粒物以進(jìn)行分級，實(shí)現(xiàn)對不同尺寸可吸入顆粒物的檢測；
顯示屏輸出模塊，與信號接收處理模塊連接，用于顯示可吸入顆粒物的檢測數(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，在一個光電傳感陣列上有多達(dá)百萬個的感光像素。
[0009]所述信號接收處理模塊包括信號幅值處理電路、ADC、FPGA、微控制器，光電傳感陣列恢復(fù)的電信號由信號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結(jié)果并輸出；所述信號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空氣；
3)采用光電傳感陣列作為光源接收端，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號；
4)接收來自光電傳感陣列的電信號，對其進(jìn)行幅值處理，再經(jīng)由ADC采樣后通過FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，得到檢測結(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方式，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號處理，簡化了檢測方式。
[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，提升了檢測的精度。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)框圖；
圖2為本發(fā)明信號接收處理模塊的信號處理分析過程框圖；
圖3為本發(fā)明信號接收處理模塊的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、信號接收處理模塊5、空氣過濾裝置6、顯示屏輸出模塊7及電源供電模塊8組成。激光發(fā)射模塊中通過驅(qū)動激光二極管發(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)過空氣貯存腔體之后到達(dá)光電傳感陣列的每一個感光像素上，由此將光信號轉(zhuǎn)換成電信號送到后續(xù)的信號接收處理模塊中。在信號接收處理模塊中經(jīng)過信號的運(yùn)算處理完成檢測，最終將檢測結(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，該圖為信號接收處理模塊信號處理分析工作流程框圖。光電傳感陣列恢復(fù)的電信號由信號幅值處理電路處理之后，由高速ADC進(jìn)行高速采樣，并通過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結(jié)果并送往顯示屏顯示。
[0016]參閱圖3，本發(fā)明的信號接收處理模塊的FPGA內(nèi)數(shù)據(jù)處理的過程是FPGA接收來自高速ADC中的采樣數(shù)據(jù)，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼處理轉(zhuǎn)換成其認(rèn)識的格式，再對數(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)于存有一個數(shù)據(jù)庫。
[0017]參閱圖4，為光電傳感陣列示意圖，其中單個子塊為感光像素。
[0018]參閱圖5，該圖為本發(fā)明檢測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。檢測原理如下:當(dāng)空氣比較純凈，即空氣中顆粒物較少時，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)換成電信號傳送到后續(xù)信號接受處理模塊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，如圖(b)所示，在光電傳感陣列中就會有相當(dāng)一部分感光像素沒有感應(yīng)到光，它會將相應(yīng)的電信號送到后續(xù)信號接收處理模塊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，此空氣為需要檢測的空氣；光電傳感陣列(4)，其感光像素將經(jīng)過空氣貯存腔體(3)之后的平行光源信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，恢復(fù)出電信號送往信號接收處理模塊(5);信號接收處理模塊(5)，與光電傳感陣列(4)連接，用于接收來自光電傳感陣列(4)的電信號，并且對此電信號進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，得到檢測結(jié)果；空氣過濾裝置(6)，與空氣貯存腔體(3)連接，用于過濾空氣中的可吸入顆粒物以進(jìn)行分級，實(shí)現(xiàn)對不同尺寸可吸入顆粒物的檢測；顯示屏輸出模塊(7)，與信號接收處理模塊(5)連接，用于顯示可吸入顆粒物的檢測數(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所述的檢測裝置，其特征在于所述光電傳感陣列(4)采用CMOS器件，在一個光電傳感陣列上有多達(dá)百萬個的感光像素。
3.根據(jù)權(quán)利I要求所述的檢測裝置，其特征在于信號接收處理模塊(5)包括信號幅值處理電路、ADC、FPGA、微控制器，光電傳感陣列恢復(fù)的電信號由信號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結(jié)果并輸出；所述信號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空氣； 3)采用光電傳感陣列作為光源接收端，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號； 4)接收來自光電傳感陣列的電信號，對其進(jìn)行幅值處理，再經(jīng)由ADC采樣后通過FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，得到檢測結(jié)果。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于光電傳感陣列的可吸入顆粒物檢測方法及裝置，其裝置包括激光發(fā)射模塊、光學(xué)透鏡組、空氣貯存腔體、空氣過濾裝置、光電傳感陣列、信號接收處理模塊、顯示屏輸出模塊、電源供電模塊；檢測方法是利用激光照向待檢測空氣，由于部分激光會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轉(zhuǎn)換成電信號送至后續(xù)信號接收處理模塊，利用FPGA對信號進(jìn)行處理運(yùn)算，由此得到檢測結(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方式，利用光電信號的轉(zhuǎn)換完成檢測，并且采用了FPGA強(qiáng)大的運(yùn)算能力，提高了運(yùn)算速度與檢測精度。
【IPC分類】G01N21-39
【公開號】CN104807778
【申請?zhí)枴緾N201510153637
【發(fā)明人】劉一清, 胡玉琛
【申請人】華東師范大學(xué)
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年4月2日