一种前散射样气池用激光光源光强自动控制系统的制作方法

本实用新型涉及电气光控技术领域，特别是一种适于测量烟气中低浓度粉尘的前散射样气池用激光光源光强自动控制系统。

背景技术：

前散射样气池是一种基于不同粉尘颗粒具有不同光谱吸收和反射特性机理设置的环保烟气检测装置，目前被广泛应用于环保粉尘检测系统中。其特点是以激光为入射光源，以充灌在气池管体内的样气为检测对象，以光谱仪为检测分析仪器。工作时，依据光谱仪检测到的入射光强与出射光强之间的差值作为样气池中由粉尘引发的光强损耗量，由此测算和判定出被测样气中所含粉尘的浓度及属性。由于光源光强是对比分析的基准，所以光源光强的稳定性至关重要。在目前常用的前散射粉尘检测系统中，光源工作的电气驱动控制系统的基本结构如图1所示，主要包括有内含A/D、D/A转换和脉冲宽度调制PWM电路、并能输出光源控制信号功能的微控制器1、为光源提供正常工作电压和电流的驱动电路2和受驱按照额定频率工作、生成单一波长光波功能的激光光源3。由于系统工作时的电压和电流容易受系统电气干扰及周围环境温度变化等的影响而发生随机变化，致使激光光源的发光强度也具随机可变性，由此影响入射光源光强的恒定性，导致影响粉尘测量仪的测量准确度、检测数据的重复性，从而影响检测数据的可信度，并由此给环保检测部门带来严重工作困扰。所以，如何克服激光光源在工作过程中光强容易发生随机变化的不良状况、提高粉尘浓度测量仪的工作可靠性和测量结果可信度，目前已成为业界迫切需要解决的一大难题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是要克服现有技术中所存在的不足，提供一种具有实时按需纠正光源光强变化功能、有利于确保粉尘浓度测量仪的检测精度和工作可靠性的前散射样气池用激光光源光强自动控制系统。

本实用新型的前散射样气池用激光光源光强自动控制系统，主体包括有内含A/D、D/A转换和脉宽调制电路，并按需输出光源控制信号功能的微控制器、能为光源提供工作电压和电流功能的驱动电路和能按照额定频率工作、生成单一波长光波功能的激光光源，特征在于：主体还包括有由控制信号调制电路和光强控制处理电路构成、具有抑制光强随机变化功能的光强自动控制电路；所述的光源控制信号包括有MO光源控制模拟信号、由脉冲宽度调制电路生成的PWM数字信号和DAC模拟信号；所述的激光光源上设置有电气接插座，其中：

所述的驱动电路中包含设置有与激光光源电气相连、上设有电源负极接线脚v-、电源正极接线脚v+和采光反馈接线脚BG的电气接插座，晶体三极管VT1，电容器C1和C2，及电阻R1和R2，其中：所述的晶体三极管VT1设置在电源负极接线脚v-与地之间，所述的电源正极接线脚v+与3.7V工作电源直接相连、并通过电容器C1接地、通过电容器C2与电源负极接线脚v-及晶体三极管VT1的集电极共接相连，所述的晶体三极管VT1的基极上设置有控制输入电气接续点A，其发射极上设置有另一端接地的电流采样电阻R1，并在其与电流采样电阻R1一端的共接点上设有采样电压信号DIN输出电气接续点B；所述的采光反馈接线脚BG上设置有采光信号输出电气接续点C、并通过电阻R2接地；

所述的控制信号调制电路中包含有来自微控制器的光源模拟控制信号“MO”的输入电气接续点D、发送给+IND的光源实时控制信号输出电气接续点E、串联设置在输入电气接续点D和输出电气接续点E之间的隔离电阻R3和R4、并联设置与所述的输出电气接续点E相连的控制信号线与地之间的下拉电阻R5和R6、及开关三极管VT2和VT3，其中：所述的开关三极管VT2的基极上设置有控制输入电气接续点F，所述的开关三极管VT3的基极通过电容器C3接地，同时通过电阻R7分别与脉冲宽度调制信号“PWM”的输入电气接续点G、一端与+5V工作电压电气相连的上拉电阻R8、及一端接地的下拉电阻R9共接相连；

所述的光强控制处理电路包含有内含比较运放模块A、滤波运放模块B、电压跟随运放模块C和比较运放模块D的运放集成模块U7及运放集成模块U7的外围电路，其中：所述的比较运放模块A上设置有信号输入脚+INA、信号输入脚-INA和信号输出脚OUTA，所述的信号输入脚+INA通过电容器C4接地、并通过电阻R10与信号PD相连的输入电气接续点H相连，所述的信号输入脚-INA通过电阻R11与来自微控制器的DAC模拟信号输入电气接续点I相连、同时通过电阻R12与所述的信号输出脚OUTA电气相连，所述的信号输出脚OUTA与电阻R12的共接点上设有输出电气接续点J；

所述的滤波运放模块B上设置有信号输入脚+INB、信号输入脚-INB和信号输出脚OUTB，所述的信号输入脚+INB通过电容器C5接地，并通过电阻R13与电阻R14的一端、电容器C7的一端共接，电阻R14的另一端与来自驱动电路的采样电压信号DIN输入电气接续点K相连，所述的信号输入脚-INB通过电阻R15接地，并通过电阻R16与信号输出脚OUTB、电阻R17的另一端及电容器C7的一端相共接，电阻R17的另一端除通过电容器C6接地外，同时还设有滤波信号LD的输出电气接续点L；

所述的电压跟随运放模块C上设置有信号输入脚+INC、信号输入脚-INC和信号输出脚OUTC，所述的信号输入脚+INC通过电容器C8接地，同时通过电阻R18与电阻R19的一端、电容器C9的一端相共接，电阻R19的另一端与采光反馈信号BG的输入电气接续点M相连，所述的信号输入脚-INC通过电阻R20接地，同时通过电阻R21与上设有输出电气接续点N的信号输出脚OUTC及电容器C9的另一端相共接；

所述的比较运放模块D上设置有信号输入脚+IND、信号输入脚-IND和信号输出脚OUTD，所述的信号输入脚+IND上设置有输入电气接续点O，所述的信号输入脚-IND上设置有输入电气接续点P，所述的信号输出脚OUTD上设置有输出电气接续点Q；

在电气连接状态下，所述的输入电气接续点A与输出电气接续点Q相连，所述的输出电气接续点B分别与输入电气接续点P及输入电气接续点K相连，所述的输出电气接续点C与输入电气接续点M相连，所述的输入电气接续点D与来自微控制器的模拟控制信号MO相连，所述的输出电气接续点E与输入电气接续点O相连，所述的输入电气接续点F与输出电气接续点J相连，所述的输入电气接续点G与来自微控制器的脉冲宽度调制信号PWM相连，所述的输入电气接续点H与输出电气接续点N相连，所述的输入电气接续点I与微控制器输出的DAC模拟信号相连，所述的输出电气接续点L与微控制器中的ADC模数转换器相连。

工作时，所述的晶体三极管VT1的工作受控于比较运放模块D的输出“OUTD”，具有按需控制激光光源实时工作电流通/断的功能；所述的开关三极管VT2的工作受控于比较运放模块A的输出“OUTA”，具有在导通状态下强制拉低光源模拟控制信号“MO”、使激光光源处熄灭状态，而在断开状态下确保光源模拟控制信号“MO”正常输出、使激光光源处发光状态的功能；所述的开关三极管VT3的工作受控于所述的脉冲宽度调制信号“PWM”，其载波信号线上设置有上拉电阻R8和下拉电阻R9,能确保开关三极管VT3在无脉冲宽度调制信号“PWM”输入时，将基极电压钳位在2.5V、使之在默认情况下处导通状态，从而将光源模拟控制信号“MO”拉低，确保关闭激光光源，起保护光源的作用，而当有脉冲宽度调制信号“PWM”输入时，其集电极上有脉冲宽度调制信号“PWM”输出、并与光源模拟控制信号“MO”叠加、在电气接续点E上生成带载波的光源实时控制信号，再经与之相连的电气接续点O输入到比较运放模块D的+IND脚；所述的带载波的光源实时控制信号经互连的电气接续点E和O输出至比较运放模块D的+IND脚，然后与信号输入脚-IND上的光源采样电压信号DIN相比较，其比较结果由OUTD脚输出、经互连的电气接续点Q和A至晶体三极管VT1的基极，由此控制晶体三极管VT1的通/断，当+IND脚上的光源实时控制信号大于-IND脚上的光源采样电压信号DIN时，OUTD输出高电平，驱使晶体三极管VT1导通、激光光源通电工作、发光；当光源采样电压信号DIN大于光源实时控制信号时，说明光源工作电流过大，则OUTD输出低电平，驱使晶体三极管VT1断开、激光光源瞬间断电、变暗，对光源起过流保护作用；之后即使比较运放模块D+IND脚上的光源实时控制信号大于-IND脚上的光源采样电压信号DIN，于是OUTD又恢复输出高电平，使光源继续通电发光；此外，从所述的采光反馈接线脚BG上采集获得的采光反馈信号“BG”先经互连的电气接续点C和M、及串联的隔离电阻R18和R19后接入比较运放模块C的“+INC”脚，“-INC”脚一路串接电阻R20后接地、另一路串接电阻R21后接“OUTC”脚，由此构成1.41倍的放大器电路，使所述的光源采光反馈信号“BG”经一级放大后输出“PD”信号；所述的“PD”信号经互连的电气接续点N和H后再经电阻R10接至比较运放模块A的“+INA”脚,由微控制器通过电气接续点I输入的“DAC”模拟信号经过电阻R11后接至“-INA”2脚,再串联电阻R12后接至“OUTA”脚,由此构成其运算结果输出为OUTA=PD-(DAC-PD)=2PD-DA的减法器电路，其输出“OUTA”信号经互连的电气接续点J和F发送至开关三极管VT2基极、控制开关三极管VT2的通/断；当光源采光反馈信号值较大时，经过所述的放大器和减法器电路处理后输出的“OUTA”信号值大于开关三极管VT2的导通电压值、驱使开关三极管VT2导通，将经隔离电阻R2和R3后的光源模拟控制信号“MO”强制拉为低电平，从而使比较运放模块D的输出OUTD为低电平，驱使晶体三极管VT1断开、光源熄灭，缩短光源发光时间，实现降低光源输出功率的光强自动控制；反之，当光源采光反馈信息过弱、经放大器和减法器电路处理后获得的“OUTA”信号值小于形状开关三极管VT2的导通电压时，驱使开关三极管VT2断开，光源模拟控制信号“MO”正常输出，使比较运放模块D上输出OUTD为高电平，从而驱使晶体三极管VT1导通，光源恢复发光工作，之后依此类推，实现激光光源在光源采光反馈信号的闭环自动控制下不断地按需自动调整光源的输出功率，驱使激光光源光强趋于恒定；此外，采样电压信号DIN中的一路经互连的电气接续点B和K输送至滤波运放模块B，经滤波处理后输出的OUTB采样电压信号经电气接续点L输送至微控制器，有助于提高微控制器输出控制信号的稳定度。

基于上述构思的本实用新型前散射样气池用激光光源光强自动控制系统，由于在系统中增加设置了光源采样反馈信号及其光强闭环控制处理电路，使激光光源在工作过程中能以设定的额定光强为基准，将实时检测到的光源采样电压信号DIN与之作比较，并按需控制光源通电工作时间、调节光源的输出功率和抑制光源强度的波动幅度，实现光强趋恒的闭环自动控制，为使用本实用新型激光光源光强自动控制系统的前散射样气池提供了稳定且可靠的理想光源，也为使用本实用新型前散射样气池用激光光源光强自动控制系统的粉尘浓度测量仪克服长期以来所存在的工作过程中光强容易发生随机变化所导致的工作可靠性和测量结果可信度差的不足，进一步提高粉尘浓度测量仪的工作可靠性、检测精度及检测数据的可信度提供了基础保障，同时也解决了困扰环保部门的一大难题，因而具有很强的实用性和可贵的市场应用前景。

附图说明

图1是与本实用新型相关的现有电气驱动控制系统基本结构框图；

图2是本实用新型实施例的基本结构框图；

图3是本实用新型实施例的电气结构示意图。

图中：

1.微控制器 2.驱动电路 3.激光光源 31.电气接插座

4.光强自动控制电路 41.控制信号调制电路 42.光强控制处理电路。

具体实施方式

下面结合附图及典型实施例对本实用新型作进一步说明。

在图2和图3中，本实用新型的前散射样气池用激光光源光强自动控制系统，主体包括有内含A/D、D/A转换和脉宽调制电路，并按需输出光源控制信号功能的微控制器1、能为光源提供工作电压和电流功能的驱动电路2和能按照额定频率工作、生成单一波长光波功能的激光光源3，特征在于：主体还包括有由控制信号调制电路41和光强控制处理电路42构成、具有抑制光强随机变化功能的光强自动控制电路4；所述的光源控制信号包括有“MO”光源模拟控制信号、脉冲宽度调制信号“PWM”和“DAC”模拟信号；所述的激光光源（3）上设置有电气接插座（31），其中：

所述的驱动电路2中包含设置有与激光光源3电气相连、上设有电源负极接线脚v-、电源正极接线脚v+和采光反馈接线脚BG的电气接插座31，晶体三极管VT1，电容器C1和C2，及电阻R1和R2，其中：所述的晶体三极管VT1设置在电源负极接线脚v-与地之间，所述的电源正极接线脚v+与3.7V工作电源直接相连、并通过电容器C1接地、通过电容器C2与电源负极接线脚v-及晶体三极管VT1的集电极共接相连，所述的晶体三极管VT1的基极上设置有控制输入电气接续点A，其发射极上设置有另一端接地的电流采样电阻R1，并在其与电流采样电阻R1一端的共接点上设有采样电压信号DIN输出电气接续点B；所述的采光反馈接线脚BG上设置有采光信号输出电气接续点C、并通过电阻R2接地；

所述的控制信号调制电路41中包含有来自微控制器1的光源模拟控制信号“MO”的输入电气接续点D、发送给+IND的光源实时控制信号输出电气接续点E、串联设置在输入电气接续点D和输出电气接续点E之间的隔离电阻R3和R4、并联设置与所述的输出电气接续点E相连的控制信号线与地之间的下拉电阻R5和R6、及开关三极管VT2和VT3，其中：所述的开关三极管VT2的基极上设置有控制输入电气接续点F，所述的开关三极管VT3的基极通过电容器C3接地，同时通过电阻R7分别与脉冲宽度调制信号“PWM”的输入电气接续点G、一端与+5V工作电压电气相连的上拉电阻R8、及一端接地的下拉电阻R9共接相连；

所述的光强控制处理电路42包含有内含比较运放模块A、滤波运放模块B、电压跟随运放模块C和比较运放模块D的运放集成模块U7及运放集成模块U7的外围电路，其中：所述的比较运放模块A上设置有信号输入脚+INA、信号输入脚-INA和信号输出脚OUTA，所述的信号输入脚+INA通过电容器C4接地、并通过电阻R10与信号PD相连的输入电气接续点H相连，所述的信号输入脚-INA通过电阻R11与来自微控制器1的DAC模拟信号输入电气接续点I相连、同时通过电阻R12与所述的信号输出脚OUTA电气相连，所述的信号输出脚OUTA与电阻R12的共接点上设有输出电气接续点J；

所述的滤波运放模块B上设置有信号输入脚+INB、信号输入脚-INB和信号输出脚OUTB，所述的信号输入脚+INB通过电容器C5接地，并通过电阻R13与电阻R14的一端、电容器C7的一端共接，电阻R14的另一端与来自驱动电路2的采样电压信号DIN输入电气接续点K相连，所述的信号输入脚-INB通过电阻R15接地，并通过电阻R16与信号输出脚OUTB、电阻R17的另一端及电容器C7的一端相共接，电阻R17的另一端除通过电容器C6接地外，同时还设有滤波信号LD的输出电气接续点L；

所述的电压跟随运放模块C上设置有信号输入脚+INC、信号输入脚-INC和信号输出脚OUTC，所述的信号输入脚+INC通过电容器C8接地，同时通过电阻R18与电阻R19的一端、电容器C9的一端相共接，电阻R19的另一端与采光反馈信号BG的输入电气接续点M相连，所述的信号输入脚-INC通过电阻R20接地，同时通过电阻R21与上设有输出电气接续点N的信号输出脚OUTC及电容器C9的另一端相共接；

所述的比较运放模块D上设置有信号输入脚+IND、信号输入脚-IND和信号输出脚OUTD，所述的信号输入脚+IND上设置有输入电气接续点O，所述的信号输入脚-IND上设置有输入电气接续点P，所述的信号输出脚OUTD上设置有输出电气接续点Q；

在电气连接状态下，所述的输入电气接续点A与输出电气接续点Q相连，所述的输出电气接续点B分别与输入电气接续点P及输入电气接续点K相连，所述的输出电气接续点C与输入电气接续点M相连，所述的输入电气接续点D与来自微控制器1的模拟控制信号MO相连，所述的输出电气接续点E与输入电气接续点O相连，所述的输入电气接续点F与输出电气接续点J相连，所述的输入电气接续点G与来自微控制器1的脉冲宽度调制信号PWM相连，所述的输入电气接续点H与输出电气接续点N相连，所述的输入电气接续点I与微控制器1 输出的DAC模拟信号相连，所述的输出电气接续点L与微控制器1中的ADC模数转换器相连。

工作时，所述的晶体三极管VT1的工作受控于比较运放模块D的输出“OUTD”，具有按需控制激光光源实时工作电流通/断的功能；所述的开关三极管VT2的工作受控于比较运放模块A的输出“OUTA”，具有在导通状态下强制拉低光源模拟控制信号“MO”、使激光光源处熄灭状态，而在断开状态下确保光源模拟控制信号“MO”正常输出、使激光光源处发光状态的功能；所述的开关三极管VT3的工作受控于所述的脉冲宽度调制信号“PWM”，其载波信号线上设置有上拉电阻R8和下拉电阻R9,能确保开关三极管VT3在无脉冲宽度调制信号“PWM”输入时，将基极电压钳位在2.5V、使之在默认情况下处导通状态，从而将光源模拟控制信号“MO”拉低，确保关闭激光光源，起保护光源的作用，而当有脉冲宽度调制信号“PWM”输入时，其集电极上有脉冲宽度调制信号“PWM”输出、并与光源模拟控制信号“MO”叠加、在电气接续点E上生成带载波的光源实时控制信号，再经与之相连的电气接续点O输入到比较运放模块D的+IND脚；所述的带载波的光源实时控制信号经互连的电气接续点E和O输出至比较运放模块D的+IND脚，然后与信号输入脚-IND上的光源采样电压信号DIN相比较，其比较结果由OUTD脚输出、经互连的电气接续点Q和A至晶体三极管VT1的基极，由此控制晶体三极管VT1的通/断，当+IND脚上的光源实时控制信号大于-IND脚上的光源采样电压信号DIN时，OUTD输出高电平，驱使晶体三极管VT1导通、激光光源通电工作、发光；当光源采样电压信号DIN大于光源实时控制信号时，说明光源工作电流过大，则OUTD输出低电平，驱使晶体三极管VT1断开、激光光源瞬间断电、变暗，对光源起过流保护作用；之后即使比较运放模块D+IND脚上的光源实时控制信号大于-IND脚上的光源采样电压信号DIN，于是OUTD又恢复输出高电平，使光源继续通电发光；此外，从所述的采光反馈接线脚BG上采集获得的采光反馈信号“BG”先经互连的电气接续点C和M、及串联的隔离电阻R18和R19后接入比较运放模块C的“+INC”脚，“-INC”脚一路串接电阻R20后接地、另一路串接电阻R21后接“OUTC”脚，由此构成1.41倍的放大器电路，使所述的光源采光反馈信号“BG”经一级放大后输出“PD”信号；所述的“PD”信号经互连的电气接续点N和H后再经电阻R10接至比较运放模块A的“+INA”脚,由微控制器1通过电气接续点I输入的“DAC”模拟信号经过电阻R11后接至“-INA”2脚,再串联电阻R12后接至“OUTA”脚,由此构成其运算结果输出为OUTA=PD-(DAC-PD)=2PD-DA的减法器电路，其输出“OUTA”信号经互连的电气接续点J和F发送至开关三极管VT2基极、控制开关三极管VT2的通/断；当光源采光反馈信号值较大时，经过所述的放大器和减法器电路处理后输出的“OUTA”信号值大于开关三极管VT2的导通电压值、驱使开关三极管VT2导通，将经隔离电阻R2和R3后的光源模拟控制信号“MO”强制拉为低电平，从而使比较运放模块D的输出OUTD为低电平，驱使晶体三极管VT1断开、光源熄灭，缩短光源发光时间，实现降低光源输出功率的光强自动控制；反之，当光源采光反馈信息过弱、经放大器和减法器电路处理后获得的“OUTA”信号值小于形状开关三极管VT2的导通电压时，驱使开关三极管VT2断开，光源模拟控制信号“MO”正常输出，使比较运放模块D上输出OUTD为高电平，从而驱使晶体三极管VT1导通，光源恢复发光工作，之后依此类推，实现激光光源在光源采光反馈信号的闭环自动控制下不断地按需自动调整光源的输出功率，驱使激光光源光强趋于恒定；此外，采样电压信号DIN中的一路经互连的电气接续点B和K输送至滤波运放模块B，经滤波处理后输出的OUTB采样电压信号经电气接续点L输送至微控制器1，有助于提高微控制器1输出控制信号的稳定度。