CN100442055C - 一种微粒速度的激光散射测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微粒速度激光散射测量系统。该系统包括：两个激光发射器、两个接收探测器、电子信号处理器和管道。其中，激光发射器输出截面长条形的平行激光束；接收探测器将照射激光束汇聚到焦点由光吸收器吸收掉，将散射光汇聚后输入到光电探测器；激光发射器和接收探测器两两正对同轴安装。其优点在于：既保证激光具有一定的能量密度，又保证被测微粒不易逃脱光束的照射，同时，接收探测器采用前向散射探测，将探测灵敏度提高2～3个量级。

Description

一种微粒速度的激光散射测量系统

技术领域

本发明涉及一种激光测速系统，特别涉及一种微粒速度的激光散射测量系统。

背景技术

由于激光测速不会影响微粒的运动状态，因此目前对微米量级的微小颗粒进行速度测量的方法主要采用激光测速。激光测速主要有多普勒测速和散射测速两种方式。

参照文献1：《近代光学测试技术》，杨国光主编，浙江大学出版社，2002，第443页，多普勒测速方式是指：将一定频率的激光照射到微粒上，由于微粒的运动使得激光的散射光频率发生了变化，测量散射光和入射光的频率差，通过计算就可以获得微粒的运动速度。但是，目前多普勒测速存在的缺点是测量微粒速度不能超过2000m/s，而且该技术难度较大、造价高，推广应用也困难。

参照文献2：Single-Particle Laser Ablation Time-of-Flight MassSpectrometer(Dan Imre & Alla Zelenyuk，2001)，散射测速是指：在垂直于微粒的运动方向上，间隔一定距离放置两束激光；当微粒垂直穿过两束激光时，产生两次散射，测量两次散射的时间间隔和两束激光之间的距离，通过计算就可以获得微粒运动的速度。虽然与多普勒测速相比，散射测速方法技术难度较小、造价低，但是目前的散射测速方式主要是测量微粒的侧向散射光，其缺点是灵敏度低、信号弱、不易测量直径很小的高速微粒；而且，如果微粒没有按照预定路线飞行，就可能测不到散射或只测到一次散射，造成测速失败。

发明内容

本发明的目的之一是使微粒不易逃脱光束的照射而形成散射，提高速度测量的成功率；本发明的目的之二是获取微弱散射光，将探测灵敏度提高2～3个量级。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种微粒速度的激光散射测量系统，包括：至少两个激光发射器、至少两个接收探测器和一电子信号处理器；其中两个所述接收探测器与电子信号处理器连接；

其特征在于，还包括一提供微粒运动空间的密封管道；

在所述微粒运动空间的密封管道两侧分别安装两个所述激光发射器及两个所述接收探测器，并且两个所述激光发射器分别正对两个所述接收探测器，每个所述激光发射器与对应的所述接收探测器共轴；

所述接收探测器包括：一个凸透镜、一个光吸收器和一个光电探测器，所述凸透镜、所述光吸收器和所述光电探测器按顺序安置在一个遮光筒内，只留接收端进光；

所述激光发射器包括：一个光束截面呈圆形激光器、一个使得激光束纵向扩束而横向保持不变的凹柱面镜、一个使扩束后的激光束纵向汇聚成平行光而横向仍保持平行的凸柱面镜和一中间有矩形通光孔的光阑；其中所述光束截面呈圆形激光器、所述凹柱面镜、所述凸柱面镜和所述的光阑按顺序共轴放置在一个遮光筒内，只留发射端出光。

一种微粒速度的激光散射测量系统，包括：至少两个激光发射器、至少两个接收探测器、一电子信号处理器和一提供微粒运动空间的密封管道；在所述管道两侧分别安装两个所述激光发射器及两个所述接收探测器，并且两个所述激光发射器分别正对两个所述接收探测器，两两共轴；两个所述接收探测器与电子信号处理器连接；微粒在所述管道内运动；

在上述技术方案中，所述激光发射器发出的光束截面长而扁，成长条状；

在上述技术方案中，所述激光发射器包括：一个激光器、一凹柱面镜、一凸柱面镜和一光阑顺序共轴放置在一个遮光筒内，只留发射端出光；其中，所述激光器的光束截面呈圆形；所述凹柱面镜使得激光束纵向扩束、横向保持不变，扩束后的光束纵向发散而横向平行，其光束截面呈很扁的椭圆状；所述凸柱面镜使扩束后的激光束纵向汇聚成平行光，横向仍保持平行，其光束截面也呈很扁的椭圆状；所述光阑中间有一矩形通光孔，截面为椭圆的平行激光束经所述光阑后发出，此激光束是平行光，其截面呈扁矩形；

在上述技术方案中，所述激光发射器的最宽的光束侧面垂直于所述密封管道的中轴线。

在上述技术方案中，所述接收探测器包括：一个凸透镜、一个光吸收器、一个光电探测器按顺序安置在一个遮光筒内，只留接收端进光。

在上述技术方案中，所述光吸收器放置在所述凸透镜的焦点附近。

在上述技术方案中，所述光吸收器放置在所述凸透镜的焦点处。

本发明的工作过程为：当微粒在密封管道中飞行时，首先进入第一束激光产生第一次微粒散射，经一定距离后，进入第二束激光产生第二次散射；两次散射光信号分别经接收探测器接收并转换为电信号，然后送入电子信号处理器；电子信号处理器首先测量出两个信号的时间间隔t，然后根据两激光束之间的距离L，按照v＝L/t计算获得微粒的飞行速度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.激光束采用单方向扩束，使得光束截面长而扁，呈长条状，对微粒而言，形成一道激光墙，一方面，微粒不易逃脱光束的照射而形成散射，保证速度测量的成功率，另一方面，单方向扩束可以不过多降低光束的能量密度，保证散射光具有足够的强度以利于信号探测。

2.探测方式采用前向散射探测，根据入射激光和散射光发散度的不同，有效的吸收掉强入射光，获取微弱散射光，将探测灵敏度提高2～3个量级，使得该系统可以测量尺度在微米量级、速度可以达到每秒十公里以上的微粒运动速度。

附图说明

图1为微粒的激光散射特性示意图；

其中：101表示激光束

102表示第一微粒、103表示不同方向上第一微粒的散射强度曲线；

104表示第二微粒、105表示不同方向上第二微粒的散射强度曲线；

106表示第三微粒、107表示不同方向上第三微粒的散射强度曲线；

图2为本发明的微粒速度激光测量系统的结构图；

其中：201表示第一激光发射器、202表示第一接收探测器；

203表示第二激光发射器、204表示第二接收探测器；

205表示电子信号处理器；

206表示第一发射激光束、207表示第二发射激光束；

208表示第一次微粒散射、209表示第二次微粒散射；

210表示微粒飞行路线、211表示管道；

图3为本发明中的激光发射器结构图；

其中：301表示激光器、302表示凹柱面镜、303表示凸柱面镜；

304表示光阑、305表示激光发射器遮光筒；

306表示第一光束截面；307表示第二光束截面；

308表示第三光束截面、309表示第四光束截面；

图4为本发明中的接收探测器结构图；

其中：401表示凸透镜、402表示光吸收器；

403表示光电探测器、404表示接收器遮光筒。

具体实施方式

本发明主要体现在两个方面：1)在激光发射器方面：光束采用单方向扩束，使得光束截面长而扁，呈长条状，对微粒而言，形成一道激光墙，一方面，微粒不易逃脱光束的照射而形成散射，保证了速度测量的成功率，另一方面，单方向扩束可以不过多降低光束的能量密度，保证散射光具有足够的强度以利于信号探测；2)在接收探测器方面：采用前向散射探测，根据入射激光和散射光发散度的不同，有效的吸收掉强入射光，获取微弱散射光，将探测灵敏度提高2～3个量级。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

通常，微粒对激光束的散射是各向异性的，对球形微粒来说，其散射强度以激光的传播方向呈轴对称分布，不同尺度的微粒对激光的散射在不同方向上强度分布也各不相同。如图1所示，激光束101由左向右传播，通常用q来对微粒大小进行分类，q＝2πr/λ(r微粒半径，λ激光波长)，当q＜＜1时，如第一微粒102在不同方向的散射强度曲线103，其前向和后向散射强度稍大于侧向散射强度；当q≈1时，如第二微粒104在不同方向的散射强度曲线105，其前向散射是后向和侧向散射强度100倍以上；当q＞＞1时，如第三微粒106在不同方向的散射强度曲线107，其各向散射强度呈现复杂的花样，但从总体效果看，前向散射是后向和侧向散射强度1000倍以上。由此可见，如采用可见光(波长范围400～700nm)探测微米尺度的微粒散射时，满足q＞＞1的关系，因此采用前向散射探测将会大大提高探测灵敏度，但最关键的问题是：采用前向散射探测必须解决好回避强入射激光的问题。对于这一问题的解决，后面将详述。

本实施例提供的微粒速度的激光散射测量系统，如图2所示，包括两个激光发射器201和203、两个接收探测器202和204、电子信号处理器205以及微粒飞行的密封管道211。在管道211两侧分别安装激光发射器201和203及接收探测器202和204，且激光发射器201和203分别正对接收探测器202和204，两两共轴，而且发射激光束206和207的较宽的侧面垂直于微粒飞行路线210。两个激光发射器201和203之间的距离为20cm；密封管道211的直径为10cm，长度大于20cm。密封管道211还可以是其它形状，比如长方体形，本实施例采用圆筒形。

激光发射器201和203的结构如图3所示，激光器301所发出平行激光，其光束截面306呈圆形，经凹柱面镜302纵向扩束、横向保持不变，扩束后的光束纵向发散而横向平行，其光束截面307呈很扁的椭圆状，再经凸柱面镜303纵向汇聚成平行光，横向仍保持平行，其光束截面308也呈很扁的椭圆状，光阑304中间有一矩形通光孔，截面为椭圆的平行激光束经光阑304后，输出所需要的激光束，此激光束是平行光，但其截面309呈扁矩形。遮光筒305将激光器301、凹柱面镜302、凸柱面镜303和光阑304按顺序避光密封，只留发射端出光。激光发射器201的发射功率为60mW，激光束206和207的矩形截面的长度为4cm，宽度为3mm。在具体应用中，激光束206和207的矩形截面的长度和宽度之比及其数值与激光器发射功率、接收探测器202和204的响应时间、待测微粒的大小和速度等因素有关，不限于本实施例给出的参数。

接收探测器202和204的结构如图4所示，当微粒飞入激光束时，产生激光散射。散射光的方向是以微粒为中心向各个方向呈辐射状散射，当然，各个方向的散射强度不同，散射光的强度曲线沿激光的传播方向呈轴对称分布，如图1所示。在凸透镜401的汇聚作用下，由激光发射器201或203发出的平行激光汇聚到焦点位置，被处于焦点位置的光吸收器402吸收掉，这一过程解决了回避强入射激光的问题；而发散的微粒散射光经凸透镜401汇聚后，光束稍微收缩，除一小部分被光吸收器402遮挡住外，大部分散射光进入光电探测器403，将光信号转变为电信号，从而实现前向散射探测。遮光筒404将凸透镜401、光吸收器402、光电探测器403按顺序避光密封，只留接收端进光。光探测器的响应时间为8-10ns。

电子信号处理器205由常规电路组成，接收两个接收探测器202和204分别输出的电信号，并测量两个电信号的时间间隔t，然后根据激光束206和207之间的距离L＝20cm，按照v＝L/t计算微粒的飞行速度，并通过一显示模块显示出结果。

本实施例的工作过程为：当微粒在管道211内沿飞行路线210飞行时，首先进入激光束206产生第一次微粒散射208，经一定距离后，进入激光束207产生第二次散射209，两次散射光信号分别经接收探测器202和204接收并转换为电信号，然后送入电子信号处理器205，电子信号处理器测量、计算并显示微粒的飞行速度。

本实施例测量微粒直径大小为：50～1000um，微粒速度范围：8～20km/s。

Claims (3)

1.一种微粒速度的激光散射测量系统，包括：至少两个激光发射器、至少两个接收探测器和一电子信号处理器；其中两个所述接收探测器与电子信号处理器连接；

其特征在于，还包括一提供微粒运动空间的密封管道；

在所述微粒运动空间的密封管道两侧分别安装两个所述激光发射器及两个所述接收探测器，并且两个所述激光发射器分别正对两个所述接收探测器，每个所述激光发射器与对应的所述接收探测器共轴；

所述接收探测器包括：一个凸透镜、一个光吸收器和一个光电探测器，所述凸透镜、所述光吸收器和所述光电探测器按顺序安置在一个遮光筒内，只留接收端进光；

所述激光发射器包括：一个光束截面呈圆形激光器、一个使得激光束纵向扩束而横向保持不变的凹柱面镜、一个使扩束后的激光束纵向汇聚成平行光而横向仍保持平行的凸柱面镜和一中间有矩形通光孔的光阑；其中所述光束截面呈圆形激光器、所述凹柱面镜、所述凸柱面镜和所述的光阑按顺序共轴放置在一个遮光筒内，只留发射端出光。

2.根据权利要求1所述的微粒速度的激光散射测量系统，其特征在于，所述光吸收器放置在所述凸透镜的焦点处。

3.根据权利要求1所述的微粒速度的激光散射测量系统，其特征在于，所述激光发射器发出的光束截面呈条形，其中条形光束截面最宽的光束侧面垂直于所述微粒运动空间的密封管道的中轴线。

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