CN102507500A

CN102507500A - 激光环境散射率测量装置

Info

Publication number: CN102507500A
Application number: CN2011103116985A
Authority: CN
Inventors: 高爱华; 刘卫国; 闫丽荣
Original assignee: Xian Technological University
Current assignee: Xian Technological University
Priority date: 2011-10-14
Filing date: 2011-10-14
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2031-10-14
Also published as: CN102507500B

Abstract

本发明涉及激光散射特性研究领域，具体涉及一种激光环境散射率测量装置。现有技术存在的问题是在粉尘浓度高的场合无法获得信噪比高的激光环境散射率和在粉尘较少的场合下无法进行测量的问题。为了解决现有技术存在的问题，本发明提供的技术方案是：一种激光环境散射率测量装置，包括光学测量组件，所述光学测量组件包括激光光源、声光调制器、光束整形组件、透反镜、反射镜和积分球，其中激光光源、声光调制器、光束整形组件、透反镜和反射镜位于同一光路上，积分球上设置有3处开孔。本发明实现了激光环境散射率的准确测量，且精度高、测试方便迅速、适用范围广。

Description

激光环境散射率测量装置

技术领域

本发明涉及激光散射特性研究领域，具体涉及一种激光环境散射率测量装置。

背景技术

随着科技的进步，产品质量越来越高，过去一些在普通环境下进行的激光测量已不能满足产品指标的要求。例如用激光散射法测量超光滑表面粗糙度、高反射镜散射率测量、全反射棱镜的散射光测量，激光高吸收率测量等微弱激光测量场合，被测信号激光非常微弱，此时环境中灰尘颗粒的散射影响不能忽略，有时灰尘颗粒产生的散射甚至会大于信号光，对环境颗粒散射率的检测对于正确评价被测量的大小意义重大。

目前用光散射法测量微粒的散射方法主要是基于米氏散射理论，用光全散射法测量微粒尺寸，它是通过测量出射光强度来进行计算的，且测量条件苛刻，计算复杂。（西安电子科技大学硕士学位论文，2011年1月，光散射法在颗粒测量中的应用，21-28）

与本发明最相关的已有技术是：光散射测尘仪器的最新成果-LD-5C型微电脑激光粉尘仪。其光散射的核心部分是：激光照射暗室中的粉尘产生散射光，经前向接收并转换成与散射光强度及粉尘浓度成正比的每分钟脉冲计数，最后通过仪器的微处理器计算出粉尘质量浓度。（环境与健康杂志，2008年3月第25卷第3期，267-269）LD型激光粉尘仪适合测量环境中粉尘变化比较大的场合，对于同一种测量场合，粉尘的细微区别无法区分，没有给出测量数据，说明其分辨率有限。具体测量数据如下表：

Figure 2011103116985100002DEST_PATH_IMAGE002

以上公知技术中，光探测器接收的均是激光经颗粒散射后的出射光强信号，相对于散射光，出射光信号功率依然很大，此时光电探测器不能选用灵敏度高，噪声小的微弱光电探测器，造成从探测原理上不能获得信噪比高的测量结果。

上述激光粉尘仪适合测量粉尘浓度高的场合，对于普通实验室等粉尘很少的场合，激光散射损耗很小，可以忽略不计，此仪器不实用，或者说测量不出此时的光散射信号。此仪器的另一个缺点是光源功率的不稳定会极大地影响测量结果。例如一般的激光器（激光二极管）其功率稳定度为±4%数量级，如果粉尘造成的光散射在此范围内变化，此仪器将难以测出。

综上所述，现有技术存在的问题是在粉尘浓度高的场合无法获得信噪比高的激光环境散射率和在粉尘较少的场合下无法进行测量的问题。

发明内容

本发明要提供一种在普通环境下对空气中灰尘颗粒的激光散射率测量装置。

一种激光环境散射率测量装置，包括光学平台19、计算机20和控制组件，所述光学平台19上安装有光学平板18，光学平板18上设置有光学测量组件，其特征在于：

所述光学测量组件包括激光光源1、声光调制器2、光束整形组件3、透反镜4、反射镜5和积分球9，其中激光光源1、声光调制器2、光束整形组件3、透反镜4和反射镜5位于同一光路上，积分球9上设置有3处开孔，分别是第一开孔6、第二开孔7和第三开孔11，第一开孔6与第二开孔7的中心连线穿过积分球9的球心，第二开孔7的外侧设置有陷光器8，第三开孔11处设置有第一光电探测器12，第一光电探测器12的前端设置有保护挡板10，保护挡板10的表面与积分球内表面处理相同；

所述控制组件包括第一锁相放大器14、第二锁相放大器15、同步数据采集单元16和波形发生器17，计算机20控制波形发生器17输出方波信号，此方波信号用于声光调制器2的调制驱动，同时此方波信号被送至第一锁相放大器14和第二锁相放大器15中；透反镜4的反射光由其光路上设置的第二光电探测器13后转换成电信号，此电信号经第二锁相放大器15后输出去噪后的电压信号，该电压信号经同步数据采集单元16采集后送入计算机20；所述第一光电探测器12输出电信号经第一锁相放大器14后输出去噪后的电压信号，该电压信号经同步数据采集单元16采集后送入计算机20。

上述激光光源1发出的激光以布喇格角射入声光调制器2，声光调制器2的一级衍射光作为测量用的入射光，计算机20控制波形发生器17输出方波信号，此方波信号用于声光调制器2的调制驱动。

上述声光调制器2和光束整形组件3之间设置衰减片。这样就可用于对灰尘浓度高的场合进行测量。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、实现了激光环境散射率的准确测量，精度高：

本发明直接收集激光在环境中的某段光路上的全部散射光信号进行测量，同时利用信噪比高、灵敏度高的微弱光电探测器（如光电倍增管、雪崩光电二极管）来进行散射光的探测，从而可以获得极高的信噪比。本发明弥补了目前该领域定量测量的空白，用于间接评定灰尘颗粒的浓度，具有重要的现实意义。

2、适用范围广：本发明装置不仅适合灰尘浓度高的测量场合，也适宜灰尘浓度低的测量场合。

3、本发明测试方便迅速，精度高，能迅速定量检测空气中灰尘颗粒的散射率。

附图说明:

图1是本发明测量装置结构示意图；

图2和图3是普通实验室环境下的灰尘颗粒对激光的散射率实时测量波形。

附图标记说明如下：

1-激光光源、2-声光调制器、3-光束整形组件、4-透反镜、5-反射镜、6-第一开口、7-第二开口、8-陷光器、9-积分球、10-保护挡板、11-第三开口、12-第一光电探测器、13-第二光电探测器、14-第一锁相放大器、15-第二锁相放大器、16-同步数据采集单元、17-波形发生器、18-光学平板、19-光学平台、20-计算机。

具体实施方式：

下面将结合附图和实施例对本发明进行详细地说明。

参见图1，本发明提供一种激光环境散射率测量装置，包括光学平台19、计算机20和控制组件，所述光学平台19上安装有光学平板18，光学平板18上设置有光学测量组件，其特征在于：

在上述的声光调制器2和光束整形组件3之间设置衰减片，即可用于对灰尘浓度高的场合进行测量。

利用本测量装置可以分辨出同一环境下灰尘颗粒的变化。参见图2和图3，图中显示的是同一环境下进行实时在线测量的两次测量结果。从图中可见，同次测量波动小，最大最小值差不到3个ppm，说明仪器的测量精度高。对实测的数据做处理后，本装置的测量精度可达1ppm。

Claims

1.一种激光环境散射率测量装置，包括光学平台（19）、计算机（20）和控制组件，所述光学平台（19）上安装有光学平板（18），光学平板（18）上设置有光学测量组件，其特征在于：所述光学测量组件包括激光光源（1）、声光调制器（2）、光束整形组件（3）、透反镜（4）、反射镜（5）和积分球（9），其中激光光源（1）、声光调制器（2）、光束整形组件（3）、透反镜（4）和反射镜（5）位于同一光路上，积分球（9）上设置有3处开孔，分别是第一开孔（6）、第二开孔（7）和第三开孔（11），第一开孔（6）与第二开孔（7）的中心连线穿过积分球（9）的球心，第二开孔（7）的外侧设置有陷光器（8），第三开孔（11）处设置有第一光电探测器（12），第一光电探测器(12)的前端设置有保护挡板(10)，保护挡板(10)的表面与积分球内表面处理相同；

所述控制组件包括第一锁相放大器(14)、第二锁相放大器(15)、同步数据采集单元(16)和波形发生器(17），计算机（20）控制波形发生器（17）输出方波信号，此方波信号用于声光调制器（2）的调制驱动，同时此方波信号被送至第一锁相放大器（14）和第二锁相放大器（15）中；透反镜（4）的反射光由其光路上设置的第二光电探测器（13）后转换成电信号，此电信号经第二锁相放大器（15）后输出去噪后的电压信号，该电压信号经同步数据采集单元（16）采集后送入计算机（20）；所述第一光电探测器（12）输出电信号经第一锁相放大器（14）后输出去噪后的电压信号，该电压信号经同步数据采集单元（16）采集后送入计算机（20）。

2.根据权利要求1所述一种激光环境散射率测量装置，其特征在于：所述激光光源（1）发出的激光以布喇格角射入声光调制器（2），声光调制器（2）的一级衍射光作为测量用的入射光，计算机（20）控制波形发生器（17）输出方波信号，此方波信号用于声光调制器（2）的调制驱动。

3.根据权利要求1或2所述一种激光环境散射率测量装置，其特征在于：上述声光调制器（2）和光束整形组件（3）之间设有衰减片。