一种基于回波阈值比较的OPC计数校正方法技术

一种基于回波阈值比较的OPC计数校正方法，可解决传统校准Coincidence现象的方法，复杂实时性差且成本较高的技术问题。基于OPC，还包括阈值电路，所述阈值电路包括放大电路、阈值比较电路、FPGA计数电路和单片机控制模块；放大电路与OPC的光电探测器电连接；阈值比较电路和FPGA计数电路­­­­分别与单片机控制模块连接；FPGA计数电路­­­­内设置粒子浓度计数值算法；通过单片机控制模块控制，由阈值比较电路鉴别单粒子还是多粒子，通过FPGA计数电路内的粒子浓度计数值算法进行测量计算得到粒子数浓度。本发明专利技术在测量硬件上增加了阈值电路，由小到大设定多个阈值，阈值的多少依据测量环境选择，可实时校正OPC计数的数浓度值，校准精度高，在FPGA计数电路内可简单实现，具有较高的商业应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于回波阈值比较的OPC计数校正方法
本专利技术涉及矿井各类抽放钻孔封孔领域，具体涉及一种基于回波阈值比较的OPC计数校正方法。
技术介绍
光学粒子计数器(OpticalParticleCounter，OPC)是一种用于测量气溶胶颗粒数浓度的单颗粒计数器，其工作时通常以稳定的流量抽取包含粒子的空气，当每个气溶胶粒子通过喷嘴输出经过激光束的焦点时会产生散射光，散射光会在探测器上产生光电信号，信号通过放大电路输出波形为具有一定幅值和脉宽的脉冲波形，通常粒子穿越激光产生的波形为高斯形状。当连续的脉冲产生后，进入累加器进行累加计数获得累加值，再根据测量时间和流量大小可获得单位体积内空气中粒子的数浓度。任何计数器的基本目的是尽可能准确地测量在给定时间段内发生的离散事件的数量,对OPC仪器来说，颗粒通过工作流体的冷凝成长为液滴，当液滴连续通过仪器的光学检测部分时产生离散事件，通过的液滴穿过空间限定的照明源，并散射足够的光能量以让光电检测器检测，产生离散事件。在这样的事件期间产生的电信号，通常是脉冲，并用适当的电路计数，如高速可编程数字器件FPGA。通常厂家希望OPC理想情况下，在任何给定的时间内，最多只有一个粒子将驻留在视体积内(由光源、包含液滴的流体流和光学映射到检测器的交集限定的三维区域，这三个区域的交点通常称为视体积、感测体积或测量体积)。然而在给定时刻，在观察体积中总是存在出现两个或更多个粒子的概率，由两个或多个以上的液滴产生的电信号根据大小和形状很难区分开来，而作为单个脉冲去计数，这种现象被称为巧合事件(coincidence)。Coincidence现象在数浓度低于104/cm3下影响可忽略，随着介质中颗粒浓度的增加，巧合事件的概率增加的尤为明显，在数浓度高于105/cm3时，造成的数浓度误差可达40％以上。国际仪器厂商，如TSI或GRIM公司对Coincidence误差的校准，主要通过后期数据处理的方式，通过软件校准。如R.JAENICKE(TheopticalparticlecounterCrosssensitivityandcoincidence,AerosolScience,1972,Vol.30,pp.95to111)首先提出Coincidence现象在给定流速的情况下，出现的概率符合泊松分布；AaronM.Collins(ANewCoincidenceCorrectionMethodforCondensationParticleCounters,AerosolScienceandTechnology,47:177–182,2013)基于以上成果，并使用了Lambert函数去计算从而达到精确校正的结果，该方法在TSI3760A一起中得以实现，在浓度3×104/cm3～8×104/cm3下，校正后误差小于4％；NobuyukiTakegawa(ModificationandlaboratoryevaluationofaTSIultrafinecondensationparticlecounter(Model3776)forairbornemeasurements，AerosolScienceandTechnology,2017,VOL.51,NO.2,235–245)通过实验的方法对Coincidence现象进行校准，过程为通过使用标准的高浓度气溶胶发生器，同时使用AE3068B和UCPC3776获得测量数据，在数浓度104/cm3～106/cm3之间使用大量数据进行拟合，通过拟合得出Coincidence的校准系数。TSI等公司在最新的仪器上通过在冷凝腔和碰嘴处增加鞘气结构，约束粒子从径向中间通过来减小Coincidence现象。综合以上所述，数据处理的方法无论对软件还是硬件来说都比较复杂，成本较高，实时性差，Nobuyuki的方法更需要提前对仪器做好标定。鞘气结构的增加虽然可显著减小Coincidence现象，但是成本和体积也显著上升，并且以前的老仪器不能进行更改。
技术实现思路
本专利技术提出的一种基于回波阈值比较的OPC计数校正方法，可解决传统校准Coincidence现象的方法，复杂实时性差且成本较高的技术问题。为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种基于回波阈值比较的OPC计数校正方法，包括：基于OPC，所述OPC包括光电探测器；包括阈值电路，所述阈值电路包括放大电路、阈值比较电路、FPGA计数电路和单片机控制模块；所述放大电路与OPC的光电探测器电连接；所述放大电路、阈值比较电路及FPGA计数电路依次电连接；所述阈值比较电路和FPGA计数电路分别与单片机控制模块连接；所述FPGA计数电路内设置粒子浓度计数值算法；通过单片机控制模块控制，由阈值比较电路作为粒子通道产生脉冲个数和脉宽，所述脉冲数和脉宽进入FPGA计数电路进行计算输出，实时校正OPC计数的粒子浓度值。进一步的，所述阈值比较电路包括相互并联连接的阈值比较电路一、阈值比较电路二及阈值比较电路三；所述粒子浓度计数值算法如下：假设流量为Q，测量时间间隔为Δt，1个标准冷凝粒子产生的脉冲宽度为Cnt_width，则经阈值比较电路一(1)产生的浓度计数值为：经阈值比较电路二(2)产生的浓度计数值为：经阈值比较电路三(3)产生的浓度计数值为：则粒子总浓度值为：其中，针对阈值比较电路一、阈值比较电路二及阈值比较电路三的阈值通道，进入FPGA后分别产生计数值Cnt1、Cnt2、Cnt3及脉冲宽度值Cnt1_width1、Cnt2_width2、Cnt3_width3。进一步的，所述计数值Cnt1、Cnt2、Cnt3采用累加器计算。进一步的，所述脉冲宽度值Cnt1_width1、Cnt2_width2、Cnt3_width3采用高速时钟来计算。进一步的，所述测量时间间隔为Δt≤0.5秒。进一步的，所述阈值比较电路一的阈值为放大器输出最大值的1/4。进一步的，所述阈值比较电路二的阈值为放大器输出最大值的2/4。进一步的，所述阈值比较电路三的阈值为放大器输出最大值的3/4。由上述技术方案可知，本专利技术在测量硬件上增加了阈值电路，由小到大设定多个阈值，阈值的多少依据测量环境选择。当不同的粒子回波脉冲和阈值进行比较时，每个阈值通道都会产生脉冲个数和脉宽，这些脉冲数和脉宽进入FPGA进行计算输出，可实时校正OPC计数的数浓度值。该方法校准精度高，在FPGA计数电路内可简单实现，具有较高的商业应用价值。附图说明图1是本专利技术实施例的结构示意图；图2(a)是本专利技术实施例1个粒子产生的脉冲经过三路阈值电路比较后产生方波信号；图2(b)是本专利技术实施例2个和3个粒子经过三路阈值电路比较后产生方波信号。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。市面上比较新的商业OPC，为减小Coincidence现象，均减小了喷嘴直径，并在喷嘴处增加了鞘气，该方法较为有效，但在测量高浓度粒子时，还是不能完全消除Coincidence现象。基于统计的方法可修正测量数据，但是实时性较差，不适合在线测量常场合。因此本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于回波阈值比较的OPC计数校正方法，其特征在于：基于OPC，所述OPC包括光电探测器；还包括阈值电路，所述阈值电路包括放大电路、阈值比较电路、FPGA计数电路和单片机控制模块；所述放大电路与光电探测器电连接；所述放大电路、阈值比较电路及FPGA计数电路依次电连接；所述阈值比较电路和FPGA计数电路分别与单片机控制模块连接；所述FPGA计数电路内设置粒子浓度计数值算法；通过单片机控制模块控制，由阈值比较电路作为粒子通道产生脉冲个数和脉宽，所述脉冲数和脉宽进入FPGA计数电路进行计算输出，实时校正OPC计数的粒子浓度值。

【技术特征摘要】
1.一种基于回波阈值比较的OPC计数校正方法，其特征在于：基于OPC，所述OPC包括光电探测器；还包括阈值电路，所述阈值电路包括放大电路、阈值比较电路、FPGA计数电路和单片机控制模块；所述放大电路与光电探测器电连接；所述放大电路、阈值比较电路及FPGA计数电路依次电连接；所述阈值比较电路和FPGA计数电路分别与单片机控制模块连接；所述FPGA计数电路内设置粒子浓度计数值算法；通过单片机控制模块控制，由阈值比较电路作为粒子通道产生脉冲个数和脉宽，所述脉冲数和脉宽进入FPGA计数电路进行计算输出，实时校正OPC计数的粒子浓度值。2.根据权利要求1所述的基于回波阈值比较的OPC计数校正方法，其特征在于：所述阈值比较电路包括相互并联连接的阈值比较电路一(1)、阈值比较电路二(2)及阈值比较电路三(3)；所述粒子浓度计数值算法如下：假设流量为Q，测量时间间隔为Δt，1个标准冷凝粒子产生的脉冲宽度为Cnt_width，则经阈值比较电路一(1)产生的浓度计数值为：经阈值比较电路二(2)产生的浓度计数值为：经阈值比较电路三(3)产生的浓度计数值为：则粒子总浓度值为：其中，针对阈值比较电路一(1)、阈...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵欣，王文誉，桂华侨，石磊，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽,34