CN101634622B - 用于粒子计数器的侧向散射光传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于粒子计数器的侧向散射光传感装置，包括液路部分和光路部分，所述液路部分包括鞘流流动室；所述鞘流流动室包括自进样整流段始依次同轴连通的进样整流段、加速段和由透明材料制成的检测段；所述进样整流段包括样本液进样模块、鞘液进样模块和整流模块；所述样本液进样模块包括相互连通的样本液进样管和进样针；所述整流模块内开设有鞘流导孔；所述鞘液进样模块包括与所述鞘流导孔连通的鞘流进样管；所述进样针穿装在与其同轴的所述鞘流导孔内，所述鞘流导孔与所述进样针之间形成供鞘流液体通过的环空。本发明能够提高测量的准确性。

Description

用于粒子计数器的侧向散射光传感装置

技术领域

本发明涉及一种粒子计数器，特别涉及一种用于粒子计数器的侧向散射光传感装置。

背景技术

液体粒子计数器可以对悬浮于液体中的不溶性粒子进行快速的测量，测量精度很高。由于是在极洁净的仪器内部空间应用光学原理完成亚微米级颗粒的测量，它较其它测量微粒的方法性能更精确、更方便，所以它有极广泛的应用。目前要求控制的粒子粒径越来越小，如注射液由蒸馏液转变为超纯水、半导体工业和其它电子工业中超纯去离子水中粒子测量以及超纯化学试剂中粒子测量等等，其中大部分测量要求最小检测粒子粒径在0.1～0.5μm之间。因此，目前液体粒子计数器普遍采用了激光散射法，其检测粒径下限不低于0.05μm，该方法是目前较为成熟的粒径测量方法。其原理为当激光照射在液体中，遇到颗粒物时就会发生散射，其散射的程度和颗粒物尺寸大小有关。当尺寸增大时，其表面积也相应增大，散射光的强度也会随之增大，这样只要测定出散射光的强度就可以推知微粒大小。

现有产品化的液体粒子计数器，如PMS公司的液体光学粒子计数器、ROIN公司的液体激光粒子计数器等等，液路部分的流动室均采用直流结构；已有专利和文章，如ROIN公司拥有的、名称为“粒子计数器”，公开号为CN101124471A的发明专利和PMS公司的技术文档“Summary of principles involved in the measurement of particles in liquids”以及天津大学高志红、刘俊杰等的论文“液体粒子计数器测量原理及校准方法”中，提到的液路流动室也都采用了直流结构。这种流动室结构简单，易于实现，但是存在明显的缺陷。主要表现在两方面：一是液体中粒子易积聚，直流结构无法解决这个问题；二是液路流动室测量区激光测量斑照明强度分布不可能完全均匀，这就导致了不同粒径的不溶性粒子经过测量光斑时可能得到相同的散射光强度信号，影响测量的准确性。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种能够提高检测准确性的用于粒子计数器的侧向散射光传感装置。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种用于粒子计数器的侧向散射光传感装置，包括液路部分和光路部分，所述液路部分包括鞘流流动室；所述鞘流流动室包括自进样整流段始依次同轴连通的进样整流段、加速段和由透明材料制成的检测段；所述进样整流段包括样本液进样模块、鞘液进样模块和整流模块；所述样本液进样模块包括相互连通的样本液进样管和进样针；所述整流模块内开设有鞘流导孔；所述鞘液进样模块包括与所述鞘流导孔连通的鞘流进样管；所述进样针穿装在与其同轴的所述鞘流导孔内，所述鞘流导孔与所述进样针之间形成供鞘流液体通过的环空，所述环空的出液端与所述进样针的出液端平齐；所述加速段内设置有收口结构；所述检测段内设置有毛细导孔；所述进样针的出液端与所述收口结构的进液端平齐，所述收口结构的出液端与所述毛细导孔的进液端平齐。

所述收口结构为锥台形，所述毛细导孔的横截面为圆形。

所述毛细导孔的直径为200-400μm。

所述光路部分包括光源及其前向光路和侧向光路，所述前向光路包括在所述光源发出的光束前进方向上在所述检测段的两侧分别设置的入射透镜组和光陷阱，所述入射透镜组将所述光源发出的光束聚焦在所述毛细导孔内的检测区；所述侧向光路包括同轴分别胶合在所述检测段相对两个外壁上的反射镜和透射镜，所述透射镜侧设置有侧向光收集透镜组和侧向检测器。

所述前向光路和所述侧向光路成90°夹角。

所述反射镜为平凸球面反射镜，所述透射镜为平凸球面透射镜。

本发明具有的优点和积极效果是：1、改变了以往的直流结构进样，改用鞘流结构进样，即由洁净无杂质的鞘液包裹着待测样本液的进样方式。通过控制样本液、鞘液的流速和合理设计流动室的结构参数，可将样本液聚集在检测段毛细导孔的中心线上，在这样的情况下，可有效防止样品液的扩散，保证样本液中的待测粒子在经过检测段时顺序沿直线通过，避免了粒子积聚同时经过检测段时造成信号叠加的干扰，减小了因测量光斑照明强度不均匀造成的影响，从而提高测量的准确性。2、采用多路散射光收集结构：在流动室检测段外壁、与透镜相对一侧胶合介质均一的平凸球面反射镜，将反向散射光收集并汇聚至检测器方向，大大提高了散射光收集效率；3、检测段外侧壁胶合平凸球面透镜，该透镜起到准直作用，使散射光通过透镜后为平行光或近似平行光，大大简化了光路，显著提高了散射光收集效率；4、在粒子测量中，由于前向散射光动态范围大且极易受干扰，因此在本发明的光路中仅测量侧向散射光，检测精度高。

附图说明

图1是本发明鞘流流动室三维外形图；

图2是本发明鞘流流动室进样整流段剖面示意图；

图3是本发明鞘流流动室加速段和检测段剖面示意图；

图4是本发明光路部分示意图；

图5是本发明在侧向散射光收集面上Light Tools照度分析散射图。

图中：1、进样整流段，2、整流模块，3、样本液进样管，4、螺帽压头，5、注射头，6、进样针，7、进样针后盖，8、鞘液进样管，9、加速段，10、检测段，11、透镜，12、反射镜，13、光源，14、入射透镜组，15、光陷阱，16、侧向光收集透镜组，17、侧向检测器，18、检测区。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

本发明一种用于粒子计数器的侧向散射光传感装置包括液路部分和光路部分。

上述液路部分核心器件为鞘流流动室，图1为其三维外形图，它主要包括进样整流段1、加速段9和检测段10三部分。其中进样整流段1剖面图如图2所示。样本液进样管3竖直放置，其上端采用法兰盘结构；螺帽压头4有通孔和外螺纹结构，样本液进样管3从其通孔穿过，并通过其外螺纹与注射头5的内螺纹装配连接，同时法兰盘被螺帽压头4挤压紧，起到了液路密封的作用。所述注射头5上端连接有进样针6，例如：注射头5上端与进样针6的下端采用过盈配合连接，二者均被进样针后盖7所包裹并密封。上述进样针后盖7上端与整流模块2通过螺纹连接，下端与注射头5通过螺纹连接，并在其外侧壁打胶密封。所述整流模块2内部设有鞘流导孔，进样针6穿装在鞘流导孔内，与该孔同轴且二者上端相平齐，鞘流导孔与进样针6之间形成供鞘流液体通过的环空。鞘液进样管8水平放置，其末端同样采用法兰盘结构，也通过螺帽压头4挤紧与整流模块2相连，并与鞘流导孔相通构成鞘流液路。样本液进样管3、注射头5的通孔及进样针6构成样本液液路。上述鞘流导孔和样本液液路同轴。鞘流流动室的加速段9和检测段10剖面示意图如图3所示，其中加速段9外形为锥台形，内部设有锥台形加速孔，加速孔下沿与进样针6的出液端平齐，上沿与检测段10的毛细导孔的进液端平齐。检测段10的外形为一个长方体，在其纵向中心位置有一横截面为圆形的毛细导孔，毛细导孔进液端与加速段锥台形加速孔的上沿拼接，平滑过渡无突变。上述鞘流流动室检测段毛细导孔采用了易加工，精度易保证的圆孔结构，直径可为200-400μm；最好为：200μm；图中，A为样本液，B为鞘液，鞘液包裹着样本液通过加速孔时，液流会被压缩逐渐变窄变细。

本发明的液路部分中，进样流速为0.012m/s，鞘液流速为0.06m/s，检测段流速为4.88m/s，计算验证雷诺数，符合层流条件，检测段毛细导孔中心流速为7.32m/s，样本流被聚集后的直径约为25μm，与待测粒子的直径大致相当。样本液进样管3和鞘液进样管8分别选用内径0.75mm和1.5mm的聚四氟乙烯导管(PTFE)。整流模块2内部，鞘流导孔直径2.0mm；样本流导孔，即进样针6内径为0.6mm，进样针6是壁厚为0.15mm的不锈钢毛细圆管。加速段9内部锥台形加速孔的下沿直径2.0mm，上沿直径0.2mm，锥台高1.0mm。检测段10外形尺寸为4.2mm×4.2mm×6.5mm，检测段10内的毛细导孔直径为200μm。上述样本液进样流量为0.1～0.5ml/min，鞘液进样流量为6～12ml/min；最好是，样本液进样流量为0.2ml/min，鞘液进样流量为9ml/min。

优选地，液路部分中样本液和鞘液的注入可以使用精度高、脉动小的注射泵或稳压瓶；样本液路和鞘流液路中可设置流量传感器、采样装置等。

上述样本液液路、鞘流液路中脉动的消除可以通过在液路中串联缓冲装置。

上述鞘流流动室进样整流段采用金属或塑料材质，加速段和检测段及检测段上胶合的反射镜12和透镜11均采用熔融石英或各种光学玻璃材质，要求介质统一，反射镜表面镀铝/银/金，表面涂二氧化硅等抗氧化层。

本发明光路部分示意图如图4所示，光源13发出的光束经过入射透镜组14整形聚焦测量光斑于鞘流流动室检测段10毛细导孔内的检测区18，该检测区18为光路和液路的交汇处。待测粒子在鞘流包裹下排队顺序通过检测区时，在汇聚光斑照射下发出散射光，前向散射光被光陷阱15吸收；在与前向光路垂直的侧向光路方向，散射光的收集一方面通过透镜11和侧向光收集透镜组16整形聚焦于侧向检测器17，另一方面通过反射镜12将反向散射光收集并汇聚至检测器方向。侧向光路的方向并不限于与前向光路垂直，也可成其它夹角。上述透镜11最好为平凸球面透镜，反射镜12最好为平凸球面反射镜。

优选地，所述光源13采用激光器，并且将入射透镜组14固化于激光器中，要求聚焦激光测量斑于检测区18。入射透镜组中可包括柱面透镜，用于将测量光斑进行一维压缩，从而获得长短轴比率更大的椭圆截面光斑，使光斑短轴方向尺寸与待测粒子尺寸相当，同时为调试方便使其长轴尺寸与流动室检测段毛细导孔尺寸相当。本实施例中，椭圆光斑的短轴可为20～50μm，长轴≮200μm，优选地，椭圆光斑短轴为30μm，长轴为200μm，其中短轴方向与流动室检测段粒子流流动方向一致，长轴方向与粒子流动方向和光束传播方向所构成的平面相垂直。

流动室检测段外壁胶合有介质均一的平凸球面透镜11，该透镜起到准直作用，与透镜11相对一侧胶合介质均一的平凸球面反射镜12，将反向散射光收集并汇聚至检测器方向，大大提高了散射光收集效率。透镜11直径为6mm，有效孔径＞90％；反射镜12直径为8mm，胶合时保持在与透镜11同轴的位置。根据通过透镜11后的散射光准直度，侧向光收集透镜组16采用一片或多片透镜用于光线整形聚焦，透镜直径均为9mm，检测器方向最外侧的透镜用于汇聚散射光线到检测器，其焦距为12mm。图5为在侧向散射光收集面C上使用10000条光线追迹时的Light Tools照度分析散射图，由图可知在经过透镜11的准直作用后散射光基本平行，可以大大简化光路。

综上所述，本发明的光路部分包括光源及其前向光路和侧向光路，前向光路包括入射透镜组14和光陷阱15。入射透镜组14用于将光源发出的光束整形，使其聚焦于检测区18；光陷阱用于吸收光源自身发射光和前向散射光。侧向光路与前向光路最好成90°夹角，侧向光路包括流动室检测段上的平凸球面反射镜12及平凸透镜11、侧向光收集透镜组16和侧向检测器17。所述侧向光收集透镜组16与流动室检测段上的平凸球面反射镜12及平凸透镜11同轴且位于透镜11一侧，用于收集侧向散射光并使其聚焦于侧向检测器17。

上述光源13可采用功率较高的光源组件，优选地，可以是半导体激光器组件或者固体激光器组件，激光器波长为375nm或者405nm或者780nm；上述侧向检测器采用高灵敏度的光电二极管，或者金属封装的微型光电倍增管，或者固态光电倍增管，其检测带宽不小于5MHz。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于液体粒子计数器的侧向散射光传感装置，包括液路部分和光路部分，其特征在于，所述液路部分包括鞘流流动室；所述鞘流流动室包括自进样整流段始依次同轴连通的进样整流段、加速段和由透明材料制成的检测段；所述进样整流段包括样本液进样模块、鞘液进样模块和整流模块；所述样本液进样模块包括相互连通的样本液进样管和进样针；所述整流模块内开设有鞘流导孔；所述鞘液进样模块包括与所述鞘流导孔连通的鞘流进样管；所述进样针穿装在与其同轴的所述鞘流导孔内，所述鞘流导孔与所述进样针之间形成供鞘流液体通过的环空，所述环空的出液端与所述进样针的出液端平齐；所述加速段内设置有收口结构；所述检测段内设置有毛细导孔；所述进样针的出液端与所述收口结构的进液端平齐，所述收口结构的出液端与所述毛细导孔的进液端平齐；所述光路部分包括光源及其前向光路和侧向光路，所述前向光路包括在所述光源发出的光束前进方向上在所述检测段的两侧分别设置的入射透镜组和光陷阱，所述入射透镜组将所述光源发出的光束聚焦在所述毛细导孔内的检测区；所述侧向光路包括同轴分别胶合在所述检测段相对两个外壁上的反射镜和透射镜，所述透射镜侧设置有侧向光收集透镜组和侧向检测器。

2.根据权利要求1所述的用于液体粒子计数器的侧向散射光传感装置，其特征在于，所述收口结构为锥台形，所述毛细导孔的横截面为圆形。

3.根据权利要求2所述的用于液体粒子计数器的侧向散射光传感装置，其特征在于，所述毛细导孔的直径为200-400μm。

4.根据权利要求1所述的用于液体粒子计数器的侧向散射光传感装置，其特征在于，所述前向光路和所述侧向光路成90°夹角。

5.根据权利要求1所述的用于液体粒子计数器的侧向散射光传感装置，其特征在于，所述反射镜为平凸球面反射镜，所述透射镜为平凸球面透射镜。

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