[发明专利]一种双工作模式的粒子传感器及其检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种环境空气粒子传感器及其检测方法。

背景技术

近年来，空气传播粒子（airborne particle）作为空气中重要的污染物之一备受关注。空气传播粒子对人类危害极大，尤其是小粒径粒子，能长时间飘浮于大气中，难以沉降到地面，易进入人体呼吸道，并且粒径越小，在人体呼吸道中的沉降位置越深，危害越大。《环境空气质量标准》将环境空气中空气动力学当量直径≤10μm的空气传播粒子称为可吸入颗粒物PM10，将环境空气中空气动力学当量直径≤2.5μm的粒子称为细颗粒物PM2.5。PM10易沉积在上呼吸道，引发各种疾病；PM2.5能够沉积在支气管和肺部，并且更易吸附有毒害的物质进入体内，危害人体健康。因此，对环境空气中空气传播粒子浓度的准确测量显得格外重要。基于光学原理的粒子传感器（particle sensor）目前在国内外被大量采用，由于其小型化、实时感测和成本低等特点，被广泛应用于空气净化器、新风系统、空调、空气质量检测装置等设备。

光学粒子传感器的光源单元、光接收单元、光路设计、信号处理以及粒子感测算法（particle sensing algorithm）等方面的设计各有不同。例如，光发射单元主要有红外光和激光，光发射单元工作模式主要有连续发光和脉冲式发光，粒子浓度感测原理包括光散射光度计法（light scattering photometers method）和光散射粒子计数法（light scattering particle counter method）。不同设计的光学粒子传感器的产品特性各有不同，包括传感器的粒径感度（particle size sensitivity，即可测量的最小粒子的粒径，以及不同粒径的粒子测量准确度）、分辨率（resolution）、量程（detection range）、测量精度（accuracy）、响应时间（response time）、测量重复性及长期稳定性（measurement repeatability and long-term stability）、输出曲线漂移特性（output curve drift characteristics）、使用寿命以及产品成本等方面的产品特性各有优缺点。

另一方面，光学原理的粒子传感器长期使用后光源单元的光强衰减、传感器内部积灰和光路结构件发生变形等因素所造成的光路特性变化，传感器其他部件的特性改变，以及传感器运行环境的温湿度变化等因素，均将引起传感器的输出特性发生变化，由此导致传感器的测量输出产生较大的误差，或者说测量数据漂移严重。

发明内容

在基本特征中，本发明提供了一种双工作模式的光学粒子传感器及其环境空气粒子浓度检测方法，其输出特性漂移（drift）问题得以有效改善，并提高了粒子传感器及其检测方法的测量精度。

在本发明的一个方面，所述双工作模式的光学粒子传感器包括：光传感模组，其内部光接收单元感测内部光源单元发射的准直检测光投射至粒子感测区域后被粒子散射所产生的散射光并变换输出对应的电信号；光源控制单元，其用于驱动和控制光传感模组中光源单元的工作状态；以及信号处理单元，其接收光传感模组输出的电信号进行信号处理和计算并输出检测到的粒子浓度。

在一些实施例中，该粒子传感器还包括由信号处理单元控制工作的电控风扇，其用于对光传感模组的粒子感测区域引入受控气流（controlled air flow）。

所述双工作模式的光学粒子传感器交替地工作在光散射光度计法（light scattering photometers method）和光散射粒子计数法（light scattering particle counter method）两种工作模式。

所述光散射光度计法工作模式时，光传感模组感测一团粒子所产生的电信号被信号处理单元执行滤波放大、采样及数字化处理后，形成与被感测粒子散射光强度直接相关的能力倾向单位（aptitude units）值。该能力倾向（aptitude）信息再经由信号处理单元记录、分析和计算，然后参考存储的第一标定值输出检测到的第一粒子浓度。所述第一标定值为信号处理单元中预设的能力倾向数据和粒子浓度值的对应关系。

在一些实施例中，光散射光度计法工作模式时，光源控制单元以预定长度和频率的脉冲信号来驱动和控制光传感模组中的光源单元发出脉冲检测光，信号处理单元以光源控制单元脉冲信号启动沿之后的设定时长对滤波放大后的所述电信号进行采样。