CN101162194B - 测量尘埃粒子的光学传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测量尘埃粒子的低噪声光学传感器，由照明系统、散射光收集系统、光电转换器和气路系统组成；照明系统包括聚焦透镜、光敏感区和光陷阱；散射光收集系统包括旋转凹面反射镜、光敏感区、光阑和中继透镜组；气路系统由进气管、光敏感区和出气管构成。其中，光陷阱为双锥形结构，光敏感区与光阑分别位于旋转凹面反射镜的两个共轭位置处，光阑与光电转换器敏感面分别位于中继透镜组的两个共轭位置处，旋转凹面反射镜与中继透镜组组成的成像系统的总倍率的绝对值小于1。本发明具有噪声低、信噪比高、灵敏度高的优点，具有较强的推广意义。

Description

测量尘埃粒子的光学传感器

技术领域

本发明涉及一种低噪声光学传感器，可以用于测量空气中尘埃粒子的大小和质量浓度。

背景技术

测量尘埃粒子的光学传感器以尘埃粒子在光束中产生的光散射现象为原理，通过测量尘埃粒子产生的散射光强度而推知粒子的尺寸和空气中所含的尘埃粒子的质量浓度。

在先技术中，尘埃粒子计数器的光学传感器所采用的技术方案，可参见苏州净化设备厂吴俊民等人在1994年10月28日申请的发明专利“尘埃粒子计数器的光学传感器”(专利号为ZL94239551.4)。测量尘埃粒子的光学传感器通常由照明系统、散射光收集系统、光电转换器、气路系统组成，其中的照明系统、散射光收集系统和气路系统的轴线相交于光敏感区中心点。工作时，气路系统将被测空气吸入光学传感器中的光敏感区，其中的尘埃粒子在光束照明下产生与粒子尺寸成比例的散射光信号，散射光信号被散射光收集系统接收后入射于光电转换器上，光电转换器输出与散射光强度成正比的电信号，后续信号处理系统根据此电信号的幅度给出粒子尺寸和空气中尘埃粒子的质量浓度。由于尘埃粒子的散射光信号是及其微弱的，所以不允许杂光进入光电转换器，否则测量结果将是不可信的。

在先技术中，为了获得体积尽量小的光学传感器，通常把光学传感器的结构设计得十分简单，在照明系统与散射光收集系统中省去了必要的消除杂光的机构。比如：散射光收集系统结构简单，只有一个椭球面反射镜，即光敏感区和光电转换器分别位于椭球面反射镜的两个焦点位置，由于光电转换器直接面对光敏感区，而气路系统区中的进气管十分靠近光敏感区，由照明系统产生的衍射光被进气管阻挡而产生严重的杂光，这种杂光将直接进入光电转换器；以及照明系统中的光陷阱结构简单，只是单个锥形或直筒形结构，这种简单的光陷阱结构不能完全吸收照明光，使部分光线从光陷阱反射出来而进入散射光收集系统，使光电转换器接收到的杂光成分多，导致散射光信号的信噪比低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述在先技术的缺点，提供一种杂光过滤功能强、灵敏度高的测量尘埃粒子的光学传感器；本发明的另一目的在于提供一种低噪声的光学传感器。

本发明的目的通过以下技术解决方案来实现：

一种测量尘埃粒子的光学传感器，包括有照明系统、散射光收集系统、光电转换器和气路系统，所述的照明系统、散射光收集系统和气路系统的轴线相交于光敏感区中心点；在所述的照明系统中，沿半导体激光器组件发出的平行激光束前进方向上依次设置有聚焦透镜、光敏感区和光陷阱；所述的气路系统包括进气管、光敏感区和出气管；所述的散射光收集系统包括沿其轴线依次设置的旋转凹面反射镜、光敏感区、光阑、中继透镜组，所述的光敏感区与光阑分别位于旋转凹面反射镜的两个共轭位置处，所述的中继透镜组设置在光阑和光电转换器之间，光阑与光电转换器敏感面分别位于中继透镜组的两个共轭位置处。

所述的光陷阱为双锥形结构，沿激光束前进方向上依次为入口、中部和底部，其尺寸先从大变到小，再从小变到大。所述的光陷阱的内壁呈锯齿状结构。所述的光陷阱的内壁上涂有消光黑漆。

所述的旋转凹面反射镜与中继透镜组组成的成像系统的总倍率的绝对值小于1。

所述的聚焦透镜的焦点与光敏感区的中心点重合。

所述的光电转换器是光电二极管、光电池，或光电倍增管。

本发明的有益效果是：散射光收集系统中采用了光阑与中继透镜组，可以阻挡照明系统产生的衍射杂光和由光陷阱反射出来的杂光。光陷阱为双锥形结构，其对入射照明激光束的吸收效率高，因而照明系统产生的杂光很弱。旋转凹面反射镜与中继透镜组组成的成像系统的总倍率的绝对值小于1，减小了光电转换器输出电信号中的噪声。

附图说明

图1为本发明的主视图。

图2为图1中沿A-A向的剖视图。

其中：

1：半导体激光器组件、2：聚焦透镜、3：光敏感区、4：光陷阱、5：旋转凹面反射镜、6：光阑、7：中继透镜组、8：光电转换器、9：进气管、10：出气管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参阅图1和图2。本发明的测量尘埃粒子的低噪声光学传感器由照明系统、散射光收集系统、光电转换器和气路系统组成。所述的照明系统、散射光收集系统和气路系统的轴线AA、BB和CC相交于光敏感区中心点O₁。

如图1所示，在所述的照明系统中，沿半导体激光器组件1发出的平行激光束前进方向上，依此置有聚焦透镜2、光敏感区3和光陷阱4，聚焦透镜2的焦点与光敏感区的中心点O₁重合。

所述的光陷阱4为双锥形结构，即由入口DD、中部EE和底部FF构成，其尺寸从入口DD变小到中部EE，再从中部EE变大到底部FF，光陷阱内壁加工成锯齿状并涂消光黑漆。这种双锥形结构的光陷阱的作用是，入射照明激光束首先从入口DD处进入第一个锥形DD-EE，经第一个锥形DD-EE内壁多次反射后进入第二个锥形EE-FF，由于中部EE的尺寸小于底部FF，所以进入第二个锥形EE-FF的光线很难反射出来，即在第二个锥形EE-FF内经多次反射后被完全吸收。

所述的散射光收集系统包括沿其轴线依次设置的旋转凹面反射镜5、光敏感区3、光阑6、中继透镜组7，所述的中继透镜组7设置在光阑6和光电转换器8之间。

所述的光敏感区3与光阑6分别位于旋转凹面反射镜5的两个共轭位置O₁和O₂处，即光敏感区3与光阑6满足物像关系。光阑6的通光口径与光敏感区3的尺寸对应，即如果旋转凹面反射镜5的成像倍率为α倍，光敏感区3的尺寸为a×b，则光阑6的尺寸为αa×αb。光阑6的作用是只允许光敏感区3内尘埃粒子发出的散射光通过，而阻挡光敏感区3以外的杂光进入后续光路。

所述的光阑6与光电转换器8的敏感面分别位于中继透镜组7的两个共轭位置处，即光阑6与光电转换器8的敏感面满足物像关系。中继透镜组7以一定倍率β将光阑6成像于光电转换器8的敏感面上，中继透镜组7的成像倍率为β。

在所述的散射光收集系统中，由旋转凹面反射镜5与中继透镜组7组成的成像系统的总倍率α×β的绝对值小于1，即旋转凹面反射镜5与中继透镜组7将光敏感区3缩小后成像于光电转换器8的敏感面上。这样，可以使用敏感面面积小的光电转换器。敏感面面积小的光电转换器可以减小暗噪声，获得高的信噪比。

如图2所示，所述的气路系统由进气管9、光敏感区3和出气管10构成。

本发明的工作过程如下：

半导体激光器组件1发出的平行激光束经聚焦透镜2聚焦于光敏感区3，照明光敏感区3内的尘埃粒子，最后进入光陷阱4，被吸收掉；待测尘埃粒子经进气管9进入光敏感区3，在激光束照射下产生与其尺寸成比例的散射光信号，然后由出气管10流出；散射光经旋转凹面反射镜5反射后成像于光阑6处，经光阑6消除杂光后由中继透镜组7成像于光电转换器8的敏感面上，光电转换器8输出与尘埃粒子产生的散射光强度成正比的电信号；根据电信号的幅度可以得到被测尘埃粒子的尺寸与空气中尘埃粒子的质量浓度。

除上述优选实施方案之外，本发明尚有多种具体的实施方式。凡采用等同替换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (6)

1.一种测量尘埃粒子的光学传感器，包括有照明系统、散射光收集系统、光电转换器(8)和气路系统，所述的照明系统、散射光收集系统和气路系统的轴线相交于光敏感区中心点；在所述的照明系统中，沿半导体激光器组件(1)发出的平行激光束前进方向上依次设置有聚焦透镜(2)、光敏感区(3)和光陷阱(4)；所述的气路系统包括进气管(9)、光敏感区(3)和出气管(10)；其特征在于：所述的散射光收集系统包括沿其轴线依次设置的旋转凹面反射镜(5)、光敏感区(3)、光阑(6)、中继透镜组(7)，所述的光敏感区(3)与光阑(6)分别位于旋转凹面反射镜(5)的两个共轭位置处，所述的中继透镜组(7)设置在光阑(6)和光电转换器(8)之间，光阑(6)与光电转换器(8)敏感面分别位于中继透镜组(7)的两个共轭位置处，所述的光陷阱(4)为双锥形结构，沿激光束前进方向上依次为入口、中部和底部，其尺寸先从大变到小，再从小变到大。

2.根据权利要求1所述的测量尘埃粒子的光学传感器，其特征在于：所述的光陷阱(4)的内壁呈锯齿状结构。

3.根据权利要求2所述的测量尘埃粒子的光学传感器，其特征在于：所述的光陷阱(4)的内壁上涂有消光黑漆。

4.根据权利要求1所述的测量尘埃粒子的光学传感器，其特征在于：所述的旋转凹面反射镜(5)与中继透镜组(7)组成的成像系统的总倍率的绝对值小于1。

5.根据权利要求1所述的测量尘埃粒子的光学传感器，其特征在于：所述的聚焦透镜(2)的焦点与光敏感区(3)的中心点重合。

6.根据权利要求1所述的测量尘埃粒子的光学传感器，其特征在于：所述的光电转换器(8)是光电二极管、光电池，或光电倍增管。

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