作者 刘松良  广州数控设备有限公司(广东 广州 510165)

刘松良(1978-)，男，硕士，工程师，研究方向：嵌入式。

摘要：滤纸式烟度计广泛应用于柴油车的年检、路检;它采用光电法确定清洁滤纸染黑的程度，从而测量柴油车的烟度排放值。通过大量的试验数据分析光电二极管、发光二极管、热敏电阻三者之间的线性相关函数，研发出用于滤纸式烟度计的新型线性光电检测头;与传统硒光电池和白炽灯泡作为光电检测头相比，新型光电检测头更经济、更方便、更稳定。

0 引言

　　滤纸式烟度计核心元器件硒光电池价格昂贵，其次，硒光电池易受光、热、潮湿和各种有害气体的损害，使用越久，越容易衰老，灵敏度下降，以至于在紫色光中产生电流太小，无法工作，在无色的溶液中也无法将光密度调至零点，此时必须更新硒光电池。所以国内需有一种新技术替代传统的硒光电池。

　　光电二极管在发光二极管LED的光线照射下，所产生的电流如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电压信号，而且这个电压信号随着光的变化而相应变化，这就可以把光信号转换成电压信号，从而把光电二极管和LED做成整套光电检测装置。

　　光电二极管和LED的灵敏度与温度有负相关性，热敏电阻与温度也有负相关性。当温度上升且LED的供电电压不变时，热敏电阻阻值变小，LED输出光强增强。

　　基于以上因素，滤纸式烟度计新型检测头采用的方案为：光电二极管检测LED的光信号并转换成电信号，同时由热敏电阻补偿整个电信号受温度影响产生的电压漂移。

1 新型检测头原理和结构

　　如图1所示为新型检测头结构图，LED为绿色发光二极管，代替白炽灯;用光电二极管代替硒光电池;温度补偿用热敏电阻;结构上，光电二极管置于正中心，周边放3个LED，他们之间的距离为2 mm;光电二极管、LED和热敏电阻全部放置在滤纸式烟度计探头内。

　　如图2所示为新型检测头电路原理图。LED的功率在50 mW以内，功率与照度成正比，并且关系为3.95 Lx/mW;第一级电流/电压变换器非常关键，采用运算放大器TL072，这样电压的输出幅度尽可能大，而失调电流的漂移和偏置电流都很小。

2 温度对新型检测头的影响

　　2.1 温度与检测头输出电压关系

　　滤纸式烟度计在使用的过程中，由于抽取的烟气温度很高，所以烟度计检测头的温度会逐渐上升;而检测头输出电压受温度影响很大，如图3所示。

　　如图3，将检测器的温度补偿范围定为10～60 ℃，线性拟合方程 Y=c0+c1*X，式中：Y为输出电压，X为温度变化值;根据测量数据可以得出：随着温度变化，c0的变化不大，主要是灵敏度c1的变化。得出检测器的灵敏度c1与温度的系数如下：

(1)

　　2.2 温度补偿的方法

　　2.2.1 热敏电阻补偿

　　随着烟度计检测头的温度上升，还需要保持烟度卡值与检测头输出电压线性相关性，需要增加合适的热敏电阻。

　　最简单的补偿方法是将图1中的R3用一个具有与检测头相同温度系数的NTC热敏电阻替代，则可以解决滤纸式烟度计温度漂移的问题。NTC热敏电阻温度系数算法如下：

(2)

　　β=3940的NTC热敏电阻温度系数(25℃时)按上式算，约为-3.8%。所以只采用一个NTC热敏电阻无法得到较好的温度补偿效果。

　　当没有合适的热敏电阻时，可采用热敏电阻的组合方法：(1)两个相同温度系数的热敏电阻并联或串联;(2)热敏电阻与一般电阻的串联;(3)热敏电阻与一般电阻的并联。本文采用后两种方法组合，如图4所示。

　　2.2.2 滤纸式烟度计温度补偿方法