随着工业的发展，在提高生产效率的同时，产尘量及作业场所的粉尘浓度也在不断的增加。尤其是在煤矿厂和工业生产的烟道中都会产生大量的粉尘，粉尘散布到我们的周围，对人体、产品质量、环境、生态平衡很都有影响。因此，粉尘浓度的在线监测对确保人身安全和提高环境质量具有极其重要的意义。
在多种粉尘测量的方法中，基于光学方法来测量粉尘浓度的测试仪具有灵敏度高、响应速度快、寿命长等特点。本文提出了基于红外吸收原理测量粉尘浓度的传感器，传感器采用差分结构，能消除光源不稳定和光电器件零漂移等因素的影响，从而获取准确的粉尘测量浓度。
理论基础：光通过介质时，会与介质发生相互作用，除了被介质散射外，还会被介质吸收，其中吸收关系符合Lambert-Beer 定律。当平行光通过均匀介质时，以Lambert-Beer 定律为基础，通过测量入射光强和出射光强，经过计算得到粉尘浓度。
系统的组成结构和工作原理：
红外吸收粉尘传感器采用空间双光路结构，其中测量探测器所测量的信号与粉尘的浓度有关，而参考探测器所测量的信号没有受到被测气体浓度的影响。传感器的红外光源采用周期性的开关工作方式，即用单片机发出的脉冲来控制红外光源的发光和熄灭，得到合适频率的红外光。测量探测器所测得的测量信号和参考探测器所测得的参考信号分别经过放大滤波电路并行进入单片机中，可在同一时刻得到两路探测信号。这样，光源熄灭得到两路信号，包含了温度和背景光信号造成的波动。光源打开时又得到两路信号，这两路信号中分别包含光源的波动、测量光路的扰动、探测器和电子器件扰动等干扰因素所造成的误差。通过对这4路信号进行处理，就可以抵消上述各种干扰，得到更准确的测量结果。
系统结构的设计：红外光源性能好坏直接关系到光路系统的稳定性以及红外探测器对光信号的接收与处理。选择IRL715光源，输出谱线从可见光到红外光5μm处，输出稳定，使用寿命长，尤其是在间歇状态下。本文中光源采用960nm。驱动电路简单，用LM317驱动，用低频控制增强光源辐射，减缓老化。
采用封闭、内壁镀防腐蚀红外全反射膜的气室，设有进气泵、出气泵。在进气泵处放干燥剂，防止水蒸气对红外光的影响。小型渐变折射率透镜组成的气体气室使入射光经过透镜后先聚焦，然后再传输到另一面透镜上，这样，发散的反射光不能够返回光路，由此产生的相干噪声就可以消除，信号的噪声比也因此提高了5倍。结构如下图所示：
探测器是红外检测系统中的核心元件，它将通过测量气室被待测气体吸收后剩余的光能转换为某种形式的信号( 电压或电流等) 测量使用。本设计中光电探测器选择硅光电池有效面积为10mm×10mm，波长范围320～1100nm，峰值960nm，响应时间3μs。
微弱信号的检测系统有前置放大电路和主放大电路两部分组成。由于前置放大电路主要起到了电流转换电压的作用，经过其放大的信号还不能满足采样电压的要求，因此还需要设计主放大器电路，前置放大电路选择ICL7650芯片，该芯片采用CMOS工艺集成的斩波稳零高精度运算大器，输入电阻1012Ω，偏置电流25℃时为1.5pA，失调电压1V，失调电压温度系数0.01，共模抑制比130dB，具有其他高阻运算放大器没有的自动稳零优点，也能很好地解决抑制温漂和放大微弱直流信号或缓慢变化的信号，所以适合作微电流放大器。主放大电路采用AD620 芯片，AD620 具有精度高、低噪声、低功耗，使用简单等优点，只需外接一个可变电阻便可构成一个高精度的运算放电路，应用十分广泛。
系统采用MSP430F149单片机进行控制，该单片机16位数据宽度，数据处理更为有效，并且内部集成了12位的ADC模块，采样速度快，最高可达200Ksps，同时也简化了系统的设计，不必再选A/D转换器进行连接设计。显示部分采用LCD1602模块。
在建好的粉尘浓度实验室进行了一些实验，实验用的粉尘是气煤煤粉，从实验数据的拟合直线看出，其线性相关系数为0.9926，说明粉尘浓度与2F/(F－1)非常符合线性关系，验证了以Lambert-Beer 定律为原理的吸收式双光路粉尘浓度测量方法的可靠性。同时也可以看出，当粉尘浓度很低时，该种方法测得的粉尘浓度值误差很大，因此说明吸收式方法不宜测量低浓度的粉尘。
本文提出了基于红外吸收原理测量粉尘的新算法，根据算法建立的数学模型结构简单，层次清楚，适合于粉尘传感器浓度的测量。结构上采用单光源、双光路、双气室结构，消除了同性干扰的影响干扰的影响，提高了检测精度。