CN102297824B - 一种单光源生物气溶胶粒子检测装置 - Google Patents

一种单光源生物气溶胶粒子检测装置 Download PDF

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一种单光源生物气溶胶粒子检测装置，包括紫外光源、紫外光路单元、散射光检测单元、荧光检测单元和数字处理单元，紫外光路单元包括整形透镜组、反射镜和椭球镜，紫外光源发出的紫外光经所述整形透镜组整形准直后进入所述椭球镜的中心检测区，椭球镜收集散射光和激发荧光；反射镜反射通过所述椭球镜的中心检测区的椭圆形光斑，形成双光斑；散射光检测单元检测散射光信号，将该散射光信号放大后输出至所述数字处理单元；荧光检测单元检测荧光信号，将该荧光信号放大后输出至数字处理单元；数字处理单元接收并处理来自所述散射光检测单元和所述荧光检测单元的检测信号，得到检测结果。本发明在几乎不增加仪器设计成本的基础上大大提高仪器的检测灵敏度。

Description

一种单光源生物气溶胶粒子检测装置
技术领域
本发明涉及一种生物气溶胶粒子检测装置，尤其涉及一种能够同步检测生物气溶胶粒子大小和生物荧光特性的单光源生物气溶胶粒子检测装置。
背景技术
生物气溶胶粒子检测装置是检测大气环境中气溶胶颗粒特性的检测装置，它是以气溶胶颗粒在激光束中产生的光散射现象和荧光现象为原理设计而成的，即当空气中气溶胶粒子随采样气流通过光敏感区时，产生与其粒径相关的散射光脉冲以及与粒子荧光特性相关的荧光脉冲，光学系统将散射光和荧光收集于光电转换器件，光电转换器件将光脉冲信号变为相应的电脉冲信号，信号处理系统将电脉冲信号滤波放大，并经数字处理电路甄别计数处理后，得到各档粒径和荧光的气溶胶粒子数。
2009年4月1日公开的发明专利“气溶胶粒子激光分析仪”专利公开号：CN101398367A)，其散射光分析系统和荧光分析系统分别采用了不同的发射光源和光路，散射光发射光源采用连续红外光源，荧光发射光源采用紫外脉冲光源，该仪器光路复杂，体积也相对较大。该仪器最大的缺点在于：紫外脉冲光源的输出脉冲能量随着工作频率的变化而波动。在粒子浓度高时，紫外脉冲光源工作频率高，平均单个脉冲能量低；在粒子浓度低时，紫外脉冲光源工作频率低，平均单个脉冲能量高。这样检测粒子的浓度变化会导致荧光分析出现误差。.
现有技术还提供了一种连续光激光粒子分析仪，采用了一种连续光激光光源和一套光路系统同时激发粒子散射光和诱发荧光，可以同步分析监测微生物的粒子大小和生物两种特性，结构更加紧凑，可以实时在线分析空气中的生物气溶胶粒子并给出生物气溶胶粒子的数量和浓度。
但是该连续光激光粒子分析仪存在的问题如下：该仪器的散射部分的检测原理是通过测量气溶胶颗粒的散射光强度来确定颗粒粒度，由于粒子的形状差别很大，可以是球形、线形、片形等各种不规则的形状，有的表面光滑，有的表面粗糙，形成粒子的材料各异，对光的散射强度差异很大，利用散射光的强度检测的粒子大小不能准确反映粒子动力学粒径参数；激光光源的功率可能会随着温度的变化而变化，极易导致分析仪接收灵敏度的变化；仪器振动可能使得光路发生偏移导致仪器接收灵敏度发生变化；激光光源使用时间长会导致发射功率下降或者损坏，从而使仪器接收灵敏度减低；仪器中采用的光电转换器以及信号处理系统所用的器件均是温度敏感器件，温度特性交叉，当环境温度发生变化时，仪器的接收灵敏度会发生偏移，从而使测量数据与实际数据发生偏差。尽管也可以采用将光源分成两束光通过检测粒子通过双峰光波的飞行时间来计算粒子的空气动力学直径的方案，但是这样势必要加倍紫外激光光源的设计功率，增加了仪器的成本。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种单光源生物气溶胶粒子检测装置，这种检测装置是在气溶胶粒子激光分析仪(见专利文档，专利公开号：CN101398367A)椭球镜消光部分安装光反射镜的方法形成双光斑，检测粒子通过双光斑的飞行时间来计算粒子的空气动力学直径，克服了散射光强度检测方式粒子大小不能准确反映粒子动力学粒径参数的问题。同时也避免了检测粒子的浓度变化导致的荧光分析误差的问题，提高了检测的稳定度。同时采用积分保持方法计算双荧光峰强度积分，在几乎没有增加仪器设计成本的基础上大大提高仪器的检测灵敏度。
本发明提供了一种单光源生物气溶胶粒子检测装置，包括紫外光源、紫外光路单元、散射光检测单元、荧光检测单元和数字处理单元，其中，
所述紫外光路单元包括整形透镜组、反射镜和椭球镜，其中，
所述紫外光源发出的紫外光经所述整形透镜组整形准直后进入所述椭球镜的中心检测区，所述椭球镜用来收集散射光和激发荧光；
所述反射镜安装于所述椭球镜的中心检测区后，且所述反射镜的中心轴和紫外光发射方向之间形成一夹角以在该中心检测区形成紧邻的双光斑；
所述中心检测区到反射镜面的距离为L，双光斑的中心距为D，该角度为1/2arctg(D/L)；
所述散射光检测单元、所述荧光检测单元分别从所述椭球镜的两个垂直于入射紫外光的方向上和所述紫外光路单元连接；
所述数字处理单元，分别与所述散射光检测单元、所述荧光检测单元连接；
所述散射光检测单元，用于检测散射光信号，并将该散射光信号输出至所述数字处理单元；
所述荧光检测单元，用于检测荧光信号，并将该荧光信号输出至所述数字处理单元；
所述数字处理单元，接收并处理来自所述散射光检测单元和所述荧光检测单元的检测信号。
实施时，所述反射镜是反射棱镜并且所述整形透镜组输出的光束为准直光束，或者所述反射镜是球面反射镜或非球面反射镜并且所述整形透镜组输出的光束为非严格准直光束。
实施时，所述数字处理单元包括飞行时间测量电路、门控电路、同步信号积分保持器、同步A/D转换器和同步通道甄别与计数器，其中，
所述散射光检测单元分别与所述飞行时间测量电路的输入端、所述门控电路的输入端连接；
所述飞行时间测量电路的输出端与所述同步通道甄别与计数器的输入端连接；
所述门控电路的输出端分别与所述同步信号积分保持器的控制端、所述同步A/D转换器的控制端、所述同步通道甄别与计数器的控制端连接；
所述同步A/D转换器的输出端与所述同步通道甄别与计数器的输入端连接；
所述荧光检测单元的输出端与所述同步信号积分保持器的输入端连接；
所述散射光检测单元，用于检测并放大散射光的散射双峰信号；
所述飞行时间测量电路和所述门控电路接收所述散射光检测单元输出的放大后的散射双峰信号；
所述飞行时间测量电路计时测量并量化气溶胶粒子通过所述双光斑的散射飞行时间，并将量化后的散射飞行时间传送至所述同步通道甄别与计数器；
所述门控电路产生门控信号并将其输出至所述同步信号积分保持器的控制端，所述荧光检测单元输出荧光信号至所述同步信号积分保持器的输入端；
所述同步信号积分保持器以该门控信号作为该荧光信号的保持控制信号，而对该荧光信号进行同步积分保持，并将经同步积分保持后的荧光信号输出至所述同步A/D转换器；
所述门控电路输出门控信号至所述同步A/D转换器的控制端和所述同步通道甄别与计数器的控制端；
所述同步A/D转换器将该经同步积分保持后的荧光信号量化成数字荧光信号，并将该数字荧光信号传送至该同步通道甄别与计数器；
所述同步通道甄别与计数器，用于对量化后的散射飞行时间以及数字荧光信号进行通道甄别和计数处理。
实施时，所述数字处理单元还包括双口随机存储器和中央处理器；
所述同步通道甄别与计数器的输出端通过所述双口随机存储器与所述中央处理器连接；
所述同步通道甄别与计数器将通道计数结果存储到所述双口随机存储器对应的甄别通道地址对应的存储空间，所述中央处理器通过该甄别通道地址串行读取所述双口随机存储器中的通道计数结果并显示。
与现有技术相比，本发明能够大大降低由于测试灵敏度变化导致的测试结果偏差，解决激光光源的能量起伏、光路偏移发生的检测功率变化、光源长时间使用导致的激光发射功率下降以及仪器使用环境温度不同造成的检测结果摆动等原因造成的最终测量结果误差问题。同时荧光检测部分采用积分保持方法计算双荧光峰强度积分，同样功率的激光光源情况下荧光检测灵敏度提升了一倍。
附图说明
图1是本发明所述的单光源生物气溶胶粒子检测装置的构成原理图。
图2是本发明所述的单光源生物气溶胶粒子检测装置的紫外光路单元的光路图。
图3是本发明所述的单光源生物气溶胶粒子检测装置的数字处理单元的工作原理图。
具体实施方式
本发明提供了一种单光源生物气溶胶粒子检测装置，包括紫外光源11、紫外光路单元12、散射光检测单元13、荧光检测单元14和数字处理单元15，其中，
所述紫外光源11采用紫外激光器或紫外LED发射紫外光；
所述紫外光路单元12包括椭球镜；
所述紫外光路单元12将所述紫外光源11发出的紫外光整形，并将整形后的紫外光聚焦于所述椭球镜的中心检测区；
所述散射光检测单元13、所述荧光检测单元14分别从所述椭球镜27的两个垂直于入射紫外光的方向27a，27b上和所述紫外光路单元12相连；
所述散射光检测单元13，用于检测散射光信号，并将该散射光信号输出至所述数字处理单元；
所述荧光检测单元14，用于检测荧光信号，并将该荧光信号输出至所述数字处理单元；
所述数字处理单元15，分别与所述散射光检测单元13、所述荧光检测单元14连接，接收所述散射光检测单元13和所述荧光检测单元14的输出信号并计算、显示检测结果。
图2是本发明所述的紫外光路单元12的光路图，所述紫外光路单元12包括整形透镜组22、反射镜25和椭球镜27，具体结构与气溶胶粒子激光分析仪(见专利文档，专利公开号；CN101398367A)相似，其中，
所述紫外光源11发出的紫外光23经所述整形透镜组22整形准直后进入紫外光路单元的椭球镜27的中心检测区，所述椭球镜27用来收集散射光23a和激发荧光23b，紫外光路单元中的反射镜25安装于所述椭球镜27的中心检测区后且所述反射镜25的中心和紫外光发射方向重合，反射通过所述椭球镜27的中心检测区的椭圆形光斑28，形成双光斑29。一定立体角范围内的散射光和荧光经椭球镜聚焦后分别被所述散射光检测单元13和所述荧光检测单元14接收。
所述反射镜25可以是反射棱镜，但是需要所述整形透镜组22输出的光束为准直光束。
所述反射镜25还可以是球面反射镜或非球面反射镜，这时所述整形透镜组22输出的光束不需要为准直光束。
图3是所述数字处理单元15的工作原理图，所述数字处理单元15包括飞行时间测量电路31、门控电路32、同步信号积分保持器33、同步A/D转换器34、同步通道甄别与计数器35、双口随机存储器36和中央处理器37，其中，
所述散射光检测单元13分别与所述飞行时间测量电路31的输入端、所述门控电路32的输入端连接；
所述飞行时间测量电路31的输出端与所述同步通道甄别与计数器35的输入端连接；
所述门控电路32的输出端分别与所述同步信号积分保持器33、所述同步A/D转换器34、所述同步通道甄别与计数器35的控制端连接；
所述同步A/D转换器34的输出端与所述同步通道甄别与计数器35的输入端连接；
所述荧光检测单元14的输出端与所述同步信号积分保持器33的输入端连接；
所述同步通道甄别与计数器35的输出端通过所述双口随机存储器36与所述中央处理器37连接；
所述飞行时间测量电路31和所述门控电路32接收所述散射光检测单元13输出的放大后的散射双峰信号；
所述飞行时间测量电路31计时测量并量化气溶胶粒子通过所述双光斑的散射飞行时间，并将量化后的散射飞行时间传送至所述同步通道甄别与计数器35；
所述门控电路32产生门控信号并将其输出至所述同步信号积分保持器33的控制端，所述荧光检测单元14输出荧光信号至所述同步信号积分保持器33的输入端；
所述门控电路32输出门控信号至所述同步通道甄别与计数器35和所述同步A/D转换器34；
所述同步信号积分保持器33以该门控信号作为该荧光信号的保持控制信号，而对该荧光信号进行同步积分保持，并将经同步积分保持后的荧光信号输出至所述同步A/D转换器34；
所述门控电路32输出门控信号至所述同步A/D转换器34的控制端和所述同步通道甄别与计数器35的控制端；
所述同步A/D转换器34将该经同步积分保持后的荧光信号量化成数字荧光信号，并将该数字荧光信号传送至该同步通道甄别与计数器35；
所述同步通道甄别与计数器35，用于对量化后的散射飞行时间以及数字荧光信号进行通道甄别和计数处理；
所述同步通道甄别与计数器35将通道计数结果存储到所述双口随机存储器36对应的甄别通道地址对应的存储空间，所述中央处理器37通过该甄别通道地址串行读取所述双口随机存储器36中的通道计数结果并显示。
以上所述实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部分进行的改变和等同变换都应包含在本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种单光源生物气溶胶粒子检测装置，其特征在于，包括紫外光源、紫外光路单元、散射光检测单元、荧光检测单元和数字处理单元，其中，
所述紫外光路单元包括整形透镜组、反射镜和椭球镜，其中，
所述紫外光源发出的紫外光经所述整形透镜组整形准直后进入所述椭球镜的中心检测区，所述椭球镜用来收集散射光和激发荧光；
所述反射镜安装于所述椭球镜的中心检测区后，且所述反射镜的中心轴和紫外光发射方向之间形成一夹角以在该中心检测区形成双光斑；
所述中心检测区到反射镜面的距离为L，该双光斑的中心距为D，该夹角角度为1/2arctg(D/L)；
所述散射光检测单元、所述荧光检测单元分别从所述椭球镜的两个垂直于入射紫外光的方向上和所述紫外光路单元连接；
所述数字处理单元，分别与所述散射光检测单元、所述荧光检测单元连接；
所述散射光检测单元，用于检测散射光信号，并将该散射光信号输出至所述数字处理单元；
所述荧光检测单元，用于检测荧光信号，并将该荧光信号输出至所述数字处理单元；
所述数字处理单元，接收并处理来自所述散射光检测单元和所述荧光检测单元的检测信号。
2.如权利要求1所述的单光源生物气溶胶粒子检测装置，其特征在于，所述反射镜是反射棱镜并且所述整形透镜组输出的光束为准直光束，或者所述反射镜是球面反射镜或非球面反射镜并且所述整形透镜组输出的光束为非严格准直光束。
3.如权利要求1所述的单光源生物气溶胶粒子检测装置，其特征在于，所述数字处理单元包括飞行时间测量电路、门控电路、同步信号积分保持器、同步A/D转换器和同步通道甄别与计数器，其中，
所述散射光检测单元分别与所述飞行时间测量电路的输入端、所述门控电路的输入端连接；
所述飞行时间测量电路的输出端与所述同步通道甄别与计数器的输入端连接；
所述门控电路的输出端分别与所述同步信号积分保持器的控制端、所述同步A/D转换器的控制端、所述同步通道甄别与计数器的控制端连接；
所述同步A/D转换器的输出端与所述同步通道甄别与计数器的输入端连接；
所述荧光检测单元的输出端与所述同步信号积分保持器的输入端连接；
所述散射光检测单元，用于检测并放大散射光的散射双峰信号；
所述飞行时间测量电路和所述门控电路接收所述散射光检测单元输出的放大后的散射双峰信号；
所述飞行时间测量电路计时测量并量化气溶胶粒子通过所述双光斑的散射飞行时间，并将量化后的散射飞行时间传送至所述同步通道甄别与计数器；
所述门控电路产生门控信号并将其输出至所述同步信号积分保持器的控制端，所述荧光检测单元输出荧光信号至所述同步信号积分保持器的输入端；
所述同步信号积分保持器以该门控信号作为该荧光信号的保持控制信号，而对该荧光信号进行同步积分保持，并将经同步积分保持后的荧光信号输出至所述同步A/D转换器；
所述门控电路输出门控信号至所述同步A/D转换器的控制端和所述同步通道甄别与计数器的控制端；
所述同步A/D转换器将该经同步积分保持后的荧光信号量化成数字荧光信号，并将该数字荧光信号传送至该同步通道甄别与计数器；
所述同步通道甄别与计数器，用于对量化后的散射飞行时间以及数字荧光信号进行通道甄别和计数处理。
4.如权利要求3所述的单光源生物气溶胶粒子检测装置，其特征在于，
所述数字处理单元还包括双口随机存储器和中央处理器；
所述同步通道甄别与计数器的输出端通过所述双口随机存储器与所述中央处理器连接；
所述同步通道甄别与计数器将通道计数结果存储到所述双口随机存储器对应的甄别通道地址对应的存储空间，所述中央处理器通过该甄别通道地址串行读取所述双口随机存储器中的通道计数结果并显示。
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