作者 劉松良 廣州數控設備有限公司(廣東 廣州 510165)
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201804/379041.htm劉松良(1978-)，男，碩士，工程師，研究方向：嵌入式。
摘要：濾紙式煙度計廣泛應用於柴油車的年檢、路檢;它採用光電法確定清潔濾紙染黑的程度，從而測量柴油車的煙度排放值。通過大量的試驗數據分析光電二極體、發光二極體、熱敏電阻三者之間的線性相關函數，研發出用於濾紙式煙度計的新型線性光電檢測頭;與傳統硒光電池和白熾燈泡作為光電檢測頭相比，新型光電檢測頭更經濟、更方便、更穩定。
0 引言
濾紙式煙度計核心元器件硒光電池價格昂貴，其次，硒光電池易受光、熱、潮溼和各種有害氣體的損害，使用越久，越容易衰老，靈敏度下降，以至於在紫色光中產生電流太小，無法工作，在無色的溶液中也無法將光密度調至零點，此時必須更新硒光電池。所以國內需有一種新技術替代傳統的硒光電池。
光電二極體在發光二極體LED的光線照射下，所產生的電流如果在外電路上接上負載，負載上就獲得了電壓信號，而且這個電壓信號隨著光的變化而相應變化，這就可以把光信號轉換成電壓信號，從而把光電二極體和LED做成整套光電檢測裝置。
光電二極體和LED的靈敏度與溫度有負相關性，熱敏電阻與溫度也有負相關性。當溫度上升且LED的供電電壓不變時，熱敏電阻阻值變小，LED輸出光強增強。
基於以上因素，濾紙式煙度計新型檢測頭採用的方案為：光電二極體檢測LED的光信號並轉換成電信號，同時由熱敏電阻補償整個電信號受溫度影響產生的電壓漂移。
1 新型檢測頭原理和結構
如圖1所示為新型檢測頭結構圖，LED為綠色發光二極體，代替白熾燈;用光電二極體代替硒光電池;溫度補償用熱敏電阻;結構上，光電二極體置於正中心，周邊放3個LED，他們之間的距離為2 mm;光電二極體、LED和熱敏電阻全部放置在濾紙式煙度計探頭內。
如圖2所示為新型檢測頭電路原理圖。LED的功率在50 mW以內，功率與照度成正比，並且關係為3.95 Lx/mW;第一級電流/電壓變換器非常關鍵，採用運算放大器TL072，這樣電壓的輸出幅度儘可能大，而失調電流的漂移和偏置電流都很小。
2 溫度對新型檢測頭的影響
2.1 溫度與檢測頭輸出電壓關係
濾紙式煙度計在使用的過程中，由於抽取的煙氣溫度很高，所以煙度計檢測頭的溫度會逐漸上升;而檢測頭輸出電壓受溫度影響很大，如圖3所示。
如圖3，將檢測器的溫度補償範圍定為10～60 ℃，線性擬合方程 Y=c0+c1*X，式中：Y為輸出電壓，X為溫度變化值;根據測量數據可以得出：隨著溫度變化，c0的變化不大，主要是靈敏度c1的變化。得出檢測器的靈敏度c1與溫度的係數如下：
(1)
2.2 溫度補償的方法
2.2.1 熱敏電阻補償
隨著煙度計檢測頭的溫度上升，還需要保持煙度卡值與檢測頭輸出電壓線性相關性，需要增加合適的熱敏電阻。
最簡單的補償方法是將圖1中的R3用一個具有與檢測頭相同溫度係數的NTC熱敏電阻替代，則可以解決濾紙式煙度計溫度漂移的問題。NTC熱敏電阻溫度係數算法如下：
(2)
β=3940的NTC熱敏電阻溫度係數(25℃時)按上式算，約為-3.8%。所以只採用一個NTC熱敏電阻無法得到較好的溫度補償效果。
當沒有合適的熱敏電阻時，可採用熱敏電阻的組合方法：(1)兩個相同溫度係數的熱敏電阻並聯或串聯;(2)熱敏電阻與一般電阻的串聯;(3)熱敏電阻與一般電阻的並聯。本文採用後兩種方法組合，如圖4所示。
2.2.2 濾紙式煙度計溫度補償方法
採用NTC熱敏電阻代替圖2中的R3後，因為LED光源功率的溫度係數與NTC熱敏電阻溫度係數相反，所以熱敏電阻正好起到溫度補償作用。從檢測頭的溫度試驗獲得其靈敏度的溫度係數α為-0.43%/℃，要補償溫度對檢測器靈敏度的影響，可以用-0.43%/℃，200 Ω的熱敏電阻代替圖1中的R3。
因為沒有合適的NTC熱敏電阻，根據熱敏電阻組合方法，設計上用NTC電阻與熱敏電阻並聯的方法解決;同時為了達到LED功率與照度成正比，並且關係為3.95 Lx/mW，再串聯一個一般的NTC電阻，如圖4所示。
2.2.3 軟體補償的方法
由於檢測頭在高煙度值(8.5~10 Rb)和低煙度值(0~0.5 Rb)測量時存在不同的溫度漂移係數(為-0.43%/℃±10%)，此時，可以採用熱敏電阻測量檢測頭檢測室內的溫度，然後通過軟體的算法進行溫度補償。溫度補償的軟體算法為：
(3)
即：是一個有量綱的數;調校儀器時，必須記錄當時的環境溫度T0，T0用攝氏溫度表示。
2.3 溫度補償的結果
FQ儀器用的MF11-1 kΩ±10%(β=3900)熱敏電阻並聯220 Ω電阻，再與51 Ω的電阻串聯，根據熱敏電阻溫度係數的算法得出溫度補償係數ξ為-0.44%/℃，可以抵消光電二極體和LED受溫度影響的溫度係數α(-0.43%/℃)，補償後的檢測頭靈敏度基本不受溫度變化的影響。同時採用軟體補償方法補償低煙度值和高煙度值的非線性誤差。
試驗表明，採用上述光敏電阻硬體補償和軟體補償後，檢測頭輸出電壓不受溫度變化，並保持很好的線性相關性，達到設計要求。
3 整機試驗
如圖5，煙度卡0值是指一層濾紙加聚四氟乙烯;光電二極體有兩種：型號為MBC-3127CF(2K)的輸出與煙度卡值的關係為基本線性關係，型號PG-3127CF(3B)差些，最終選用型號為MBC-3127CF(2K)的光電二極體。
通過試驗驗證：在恆溫條件下，光電二極體輸出電壓與發光二極體照度之間成線性關係;新型檢測頭的電壓輸出(V)與煙度卡值(Rb)為線性關係。
4 結論
整機聯調實驗表明，煙度計測量誤差保證在±2%F.S.，滿足了濾紙式煙度計的性能要求。由於新型光電檢測頭的使用壽命更長，性能更穩定，在推向市場十多年中，產生了良好的社會效益和經濟效益。
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本文來源於《電子產品世界》2018年第5期第49頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處。