CN101819128A - 一种抗积灰干扰的激光粉尘检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗积灰干扰的激光粉尘检测装置，包括激光器和两个用以检测含尘气体的两个检测暗室，两个检测暗室之间通过气流连接管道相互联通，特点是将激光器的出射光分成两路相同光强的光，再分别经扩束透镜进入两个检测暗室，然后分别通过聚焦透镜将从检测暗室中出射的光汇聚到各自的多元光纤分布板上，设置两个光电探测器分别接收多元光纤分布板中心光强和其余部分光强，气流连接管道上设置有隔光结构，其中的一个检测暗室中设置有积灰补偿玻璃，优点在于采用前散射检测方法，利用聚焦透镜和多元光纤分布板的恰当配置，实现散射光和透射光的分离，从而提高检测精度；并巧妙利用积灰补偿玻璃，可实时检测积灰程度，减轻积灰的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光粉尘检测装置，尤其是涉及一种抗积灰干扰的激光粉尘检测装置。
背景技术
目前国内外用于检测环境中粉尘浓度的方法有多种，包括取样法、称重法、β射线法、光学法等等，前三类方法一般设备复杂、体积大，不利于在线测量，而光学法中采用散射法和透射法，因激光光源的多种优点得到广泛应用，例如(如国内生产的LD-5C型微电脑激光粉尘仪、AIM-2000激光粉尘浓度仪、JFC-1激光粉尘浓度仪)，这些仪器由于都能在线测量，具有自动连续取样，数据有代表性，抗干扰能力较强。
中国专利200620000174.9公开了一种激光测量粉尘浓度的装置，通过采用扩束和分光检测的方式克服了中国专利CN85109253A中使用双光源带来的缺点；中国专利200710199228.8公开了一种后向散射型光电粉尘浓度探测器，该技术方案的探测器位于设备壳体之外，能直接对外界粉尘做较精确的检测；中国专利02266662.1公开了一种激光粉尘浓度检测装置，实现了双参量测量，提高了对粉尘光效应的检测，减弱了粒径对测量值的影响。但以上方法均未考虑激光光路窗口积灰对测量精度的影响。中国专利200420047907.5公开了一种激光粉尘浓度检测装置，采用抽气泵在激光光路出口和入口处形成一道气幕对光路窗口进行自动清洁，提高了检测精度。中国专利20082012269.1公开了具有湿度连续自动修正功能的激光粉尘检测仪、中国专利02235130.2公开的激光粉尘仪也具有类似的装置。此类设备较为复杂，而且在长期的在线测量时并不能保证光路窗口的清洁度。
在测量粉尘浓度的散射法和透射法之间，透射法只适用于高浓度场合，如大于几百mg/m3；在低浓度情况下，激光的透射率很高，设备必须有非常高的灵敏度才能获得较高的测量精度，因此粉尘浓度低的情况下一般采用散射法。中国专利200620000174.9、200420047907.5公开的激光测量粉尘浓度的装置，在光电检测端检测到的光强实际包含了透射光和散射光成分，因此测量的准确度必然受到影响；中国专利02235130.2公开的激光粉尘仪在相对于光源的凸透镜中心处设置凹陷的吸光槽，剔除了透射光对测量精度的影响，但不能确保消除光路窗口积灰的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够实现散射光和透射光的分离，从而提高检测精度，并且能够减轻光路窗口积灰对散射光、透射光影响，可实时检测积灰程度，可以随时了解设备的积灰情况的抗积灰干扰的激光粉尘检测装置。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种抗积灰干扰的激光粉尘检测装置，包括激光器和用以检测含尘气体的第一检测暗室和第二检测暗室，所述的第一检测暗室和所述的第二检测暗室之间通过气流连接管道相互联通，所述的气流连接管道的轴线与所述的激光器的出射光平行，所述的第一检测暗室的入口设置有第一遮光装置，所述的第二检测暗室的入口设置有第二遮光装置，所述的第一检测暗室设置有第一入光窗口和第一出光窗口，所述的第二检测暗室设置有第二入光窗口和第二出光窗口，所述的第一入光窗口和所述的第一出光窗口及所述的第二入光窗口和所述的第二出光窗口上均设置有防尘玻璃，所述的激光器的出射方向上依次设置有第一半透半反镜、第二半透半反镜和反射镜，所述的第一入光窗口前设置有第一扩束透镜，所述的第二入光窗口前设置有第二扩束透镜，所述的第一出光窗口后设置有第一聚焦透镜，所述的第二出光窗口后设置有第二聚焦透镜，所述的第一半透半反镜的反射光路上设置有第一光电探测器，所述的第一扩束透镜设置在所述的第二半透半反镜的反射光路上，所述的第二扩束透镜设置在所述的反射镜的反射光路上，所述的第一聚焦透镜后的焦点处设置有第一多元光纤分布板，所述的第一多元光纤分布板上设置有接收所述的第一多元光纤分布板中心光强的第二光电探测器和接收所述的第一多元光纤分布板中心光强之外的其余部分光强的第三光电探测器，所述的第二聚焦透镜后的焦点处设置有第二多元光纤分布板，所述的第二多元光纤分布板上设置有接收所述的第二多元光纤分布板中心光强的第四光电探测器和接收所述的第二多元光纤分布板中心光强之外的其余部分光强的第五光电探测器，所述的气流连接管道上设置有隔光结构，所述的第二入光窗口与所述的第二出光窗口之间设置有积灰补偿玻璃。
所述的隔光结构包括与所述的气流连接管道的轴线平行偏移的平行部和相互平行设置在所述的平行部两端的与所述的平行部垂直的第一弯折部和第二弯折部和与第一弯折部。
所述的积灰补偿玻璃与所述的防尘玻璃的厚度是相同的。
所述的第一半透半反镜的反射光路上设置有第三多元光纤分布板，所述的第一光电探测器接收所述的第三多元光纤分布板上的所有光强。
与现有技术相比，本发明的优点在于采用前散射检测方法，利用聚焦透镜和多元光纤分布板的恰当配置，实现散射光和透射光的分离，从而提高检测精度；本发明巧妙利用积灰补偿玻璃，可实时检测积灰程度，使用人员可以随时了解设备的积灰情况，减轻光路窗口积灰对散射光、透射光的影响。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
一种抗积灰干扰的激光粉尘检测装置，包括激光器1和用以检测含尘气体的第一检测暗室2和第二检测暗室3，第一检测暗室2和第二检测暗室3之间通过气流连接管道4相互联通，气流连接管道4的轴线与激光器1的出射光平行，第一检测暗室2的入口设置有第一遮光装置21，第二检测暗室3的入口设置有第二遮光装置31，第一检测暗室2设置有第一入光窗口22和第一出光窗口23，第二检测暗室3设置有第二入光窗口32和第二出光窗口33，第一入光窗口22和第一出光窗口23及第二入光窗口32和第二出光窗口33上均设置有防尘玻璃5，激光器1的出射方向上依次设置有第一半透半反镜6、第二半透半反镜7和反射镜8，第一入光窗口22前设置有第一扩束透镜9，第二入光窗口32前设置有第二扩束透镜10，第一出光窗口23后设置有第一聚焦透镜11，第二出光窗口33后设置有第二聚焦透镜12，第一半透半反镜6的反射光路上设置有第三多元光纤分布板13，第三多元光纤分布板13上设置有第一光电探测器(未显示)用于接收第三多元光纤分布板13上的所有光强，第一扩束透镜9设置在第二半透半反镜7的反射光路上，第二扩束透镜10设置在反射镜8的反射光路上，第一聚焦透镜11后的焦点处设置有第一多元光纤分布板14，第一多元光纤分布板14上设置有接收第一多元光纤分布板14中心光强的第二光电探测器15和接收第一多元光纤分布板14中心光强之外的其余部分光强的第三光电探测器16，第二聚焦透镜12后的焦点处设置有第二多元光纤分布板17，第二多元光纤分布板17上设置有接收第二多元光纤分布板17中心光强的第四光电探测器18和接收第二多元光纤分布板17中心光强之外的其余部分光强的第五光电探测器19，气流连接管道上设置有隔光结构50，隔光结构50由与气流连接管道5的轴线平行偏移的平行部51和相互平行设置在平行部51两端的与平行部51垂直的第一弯折部52和第二弯折部53构成，第二入光窗口32与第二出光窗口33之间设置有积灰补偿玻璃20，积灰补偿玻璃20与防尘玻璃5的厚度相同。
进入第一检测暗室2的光经含尘气体发生散射和透射，其透射光完全通过第一出光窗口23，进入第一聚焦透镜11，散射光的一部分也通过第一出光窗口23，进入第一聚焦透镜11，第一聚焦透镜11的焦点处设置第一多元光纤分布板14，第一多元光纤分布板14的中心点的光强由第二光电探测器15接收，其余各环的光强送第三光电探测器16。
进入第一检测暗室3的光经含尘气体并经积灰补偿玻璃20，其透射光完全通过第二出光窗口33，进入第二聚焦透镜12，散射光的一部分也通过第二出光窗口33，进入第二聚焦透镜12，第二聚焦透镜12的焦点处设置第二多元光纤分布板17，第二多元光纤分布板17的中心点的光强由第四光电探测器18接收，其余各环的光强送第五光电探测器19。
本发明的工作原理是：利用激光前向小角度散射原理，聚焦透镜放置在透射光照射的方向上可以获得较高的散射光强；利用几何光学原理，经含尘气体的散射光通过聚焦透镜后不能在焦点处聚集，其绝大部分能量将分布在多元光纤分布板的平面上，其中心点的光强因该点面积很小，所以照射到该点的散射光强十分微小；经过含尘气体的透射光完全聚集在聚焦透镜的焦点上，因在气体粉尘浓度不是太大的情况下，透射光一般远大于散射光，所以置于该焦点处的多元光纤分布板的中心点获得的光强基本为透射光；通过这样安排可以将散射光和透射光基本分开。
激光发生器发出的激光经第一半透半反镜6后，均匀分为两部分，其反射光送入第三多元光纤分布板13，得到的光强除以2，即可得到每个检测暗室的入射光强I0；其透射光经第二半透半反镜7后再次均匀分成两部分，其反射光经第一扩束透镜9，得到一束平行光，该平行光经第一检测暗室2的第一入光窗口进入第一检测暗室2，再经含尘气体后，部分发生散射，为散射光；部分继续直行，为透射光，两种混合光经第一检测暗室2的第一出光窗口后，到达第一聚焦透镜11。根据几何光学原理，经含尘气体的散射光通过第一聚焦透镜11后不能在焦点处聚集，其绝大部分能量将分布在第一多元光纤分布板14的圆形平面上；经过含尘气体的透射光完全聚集在第一聚焦透镜11的焦点上，因在气体粉尘浓度不是太大的情况下，透射光强度一般远大于散射光，而第一多元光纤分布板14中心点的光强因该点面积很小，所以照射到该点的散射光强十分微小，所以置于该焦点处的第一多元光纤分布板14的中心点获得的光强基本为透射光，记为I1t，其余各环处得到的光强为散射光，记为I1s；
经第二半透半反镜7后的透射光，经反射镜8后，通过第二扩束透镜10扩束，得到一束平行光。该平行光经第二检测暗室3的第二入光窗口32进入第二矩形检测暗室3，再经含尘气体后，部分发生散射，为散射光；部分继续直行，为透射光，两种混合光经过第二检测暗室3内部的积灰补偿玻璃20后再次前行，经由第二出光窗口33后，到达第二聚焦透镜12。与前述类似，在第二多元光纤分布板17中心点获得的光强基本为透射光，记为I2t，其余各环处得到的光强为散射光，记为I2s；
与第一检测暗室2内部的工作过程不同点是，通过第二检测暗室3的光路仅多出了一片积灰补偿玻璃20的影响。根据前述设定条件，第二检测暗室3内的积灰补偿玻璃20与各光路窗口的防尘玻璃5完全一样，且其厚度远小于检测暗室入光窗口与出光之间的距离，所以在玻璃干净时，它对透射光和散射光的影响可以忽略不计，即I1t＝I2t，I1s＝I2s。此时，入射光强I0和I1t或I2t决定了透射浓度ρt，入射光强I0和I1s或I2s决定了散射浓度ρs；在粉尘浓度低时可以采用散射浓度ρs，在粉尘浓度高时可以采用透射浓度ρt，从而扩展了粉尘浓度的测量范围。
因防尘玻璃并不完全防尘，长期在恶劣环境工作，防尘玻璃有可能因水汽或其他因素附着积灰，此时第一检测暗室2和第二检测暗室3的两光路窗口的防尘玻璃以及第二检测暗室3内部的积灰补偿玻璃20都会有附着积灰，若不及时处理将对检测结果产生重大影响。因两检测暗室的工作环境一致，所以它们的光路窗口积灰分布一致，第二检测暗室3内部的积灰补偿玻璃20两面也应有与各光路窗口一致的积灰分布，这样积灰对透射光和散射光的影响必须考虑。此时，经过第二检测暗室3的透射光和散射光均将小于经过第一检测暗室2的透射光和散射光，即I1t＞I2t，I1s＞I2s。在积灰不是十分严重时，经过第一检测暗室2的透射光I1t和经过第二检测暗室3的透射光I2t，差别不大，除非有高灵敏度的器件才能区分；而经过第一检测暗室2的散射光I1s和经过第二检测暗室3的散射光I2s，将会有较大的差别，容易检测。其差别是，I1s经过了两层积灰的衰减，而I2s则经过了四层积灰的衰减，所以I1s-I2s就是积灰补偿玻璃的两层积灰的衰减量，记为Ih，通过检测Ih的大小就可以近似得知检测暗室光路窗口的积灰情况，为及时处理提供依据；因此时I1s是经过两层积灰衰减后的散射光强，所以真正的散射光强近似为I1s+Ih＝2I1s-I2s，这样就基本抵消了积灰对散射光强的影响，提高了检测精度。
本发明经上述结构安排还可以获得额外的优势，即设备的自检功能，具体如下：正常情况下，因第一检测暗室2和第二检测暗室3的工作环境一样，所以有I0＞＝I1t＞＝I2t，I1s＞＝I2s，如果在设备工作过程中发现I1t或I2t在一段时间内明显大于I0，或I2t明显大于I1t，或I2s明显大于I1s，则可以认为设备已经出现了故障，此时得到的检测数据不再可靠。
Claims (4)
1.一种抗积灰干扰的激光粉尘检测装置，包括激光器和用以检测含尘气体的第一检测暗室和第二检测暗室，所述的第一检测暗室和所述的第二检测暗室之间通过气流连接管道相互联通，所述的气流连接管道的轴线与所述的激光器的出射光平行，所述的第一检测暗室的入口设置有第一遮光装置，所述的第二检测暗室的入口设置有第二遮光装置，所述的第一检测暗室设置有第一入光窗口和第一出光窗口，所述的第二检测暗室设置有第二入光窗口和第二出光窗口，所述的第一入光窗口和所述的第一出光窗口及所述的第二入光窗口和所述的第二出光窗口上均设置有防尘玻璃，所述的激光器的出射方向上依次设置有第一半透半反镜、第二半透半反镜和反射镜，所述的第一入光窗口前设置有第一扩束透镜，所述的第二入光窗口前设置有第二扩束透镜，所述的第一出光窗口后设置有第一聚焦透镜，所述的第二出光窗口后设置有第二聚焦透镜，所述的第一半透半反镜的反射光路上设置有第一光电探测器，所述的第一扩束透镜设置在所述的第二半透半反镜的反射光路上，所述的第二扩束透镜设置在所述的反射镜的反射光路上，其特征在于所述的第一聚焦透镜后的焦点处设置有第一多元光纤分布板，所述的第一多元光纤分布板上设置有接收所述的第一多元光纤分布板中心光强的第二光电探测器和接收所述的第一多元光纤分布板中心光强之外的其余部分光强的第三光电探测器，所述的第二聚焦透镜后的焦点处设置有第二多元光纤分布板，所述的第二多元光纤分布板上设置有接收所述的第二多元光纤分布板中心光强的第四光电探测器和接收所述的第二多元光纤分布板中心光强之外的其余部分光强的第五光电探测器，所述的气流连接管道上设置有隔光结构，所述的第二入光窗口与所述的第二出光窗口之间设置有积灰补偿玻璃。
2.如权利要求1所述的一种抗积灰干扰的激光粉尘检测装置，其特征在于所述的隔光结构包括与所述的气流连接管道的轴线平行偏移的平行部和相互平行设置在所述的平行部两端的与所述的平行部垂直的第一弯折部和第二弯折部。
3.如权利要求1所述的一种抗积灰干扰的激光粉尘检测装置，其特征在于所述的积灰补偿玻璃与所述的防尘玻璃的厚度相同。
4.如权利要求1所述的一种抗积灰干扰的激光粉尘检测装置，其特征在于所述的第一半透半反镜的反射光路上设置有第三多元光纤分布板，所述的第一光电探测器接收所述的第三多元光纤分布板上的所有光强。
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| 《东南大学学报》 19990131 陆勇等 双光路光散射法在线测量粉尘浓度的实验研究 69-73 全文 第29卷, 第1期 2 * |
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