CN102519850A - 能实时检测微粒粒度及形状特征的光学传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能实时检测微粒粒度及形状特征的光学传感器，包括激光器、扩束准直系统、光阑、光陷阱、进气与出气通道、纯净气样稀释通道、旋转对称椭腔镜、透镜、光电倍增管、组合光电管探测器，激光束以与旋转对称椭腔镜对称轴成一小角度射入到椭腔镜内，并与样气流汇聚于椭腔镜的一焦点，样气流沿垂直于对称轴方向导入，大空间角范围的散射光射向椭腔镜的另一焦点，在此焦点后的物镜像平面上置一组合光电探测器，用于检出粒度大小及形状信息。本发明结构合理，工作效果好。

Description

能实时检测微粒粒度及形状特征的光学传感器

技术领域

本发明涉及一种光学传感器。

背景技术

微粒检测技术被广泛地应用于工矿企业、大气环境、医学与科研领域。其检测技术主要有光学法、电学法、动力学法，其中光学法以测量范围广、不接触样品、快速、可自动化实时而被最广泛地应用。光学法又包括线扫描和场扫描技术，线扫描技术检测下限可至亚微米级、适用于浓度不高及稀薄的环境，典型的仪器如库尔特仪。而场扫描技术多适用于较大微粒且浓度较高的环境，典型的仪器如马尔文仪。这些仪器用来测量微粒粒度，但对形状的检测几乎是空白。本发明属于线扫描技术。利用线扫描技术的测量仪器的核心部分是光学传感器，目前已有仪器的光学传感器的散射光接受技术主要有 ：前向接受系统（最大采样角范围：±2.5º~±25º），如库尔特仪、ROYCO粒子计数器；侧向接受系统（最大采样角范围：75º~115º），如ROYCO粒子计数器、半旋转椭圆或二次曲面集光镜（最大采样角范围： 2.5º~175º,或±15º~±105º），如Climet、国产激光粒子计数器。由于实际微粒的非球形性及空间取向的不定性，大空间角范围的散射光接受可以大大弱化这两种效应对粒度测量的影响，此外，对亚微米特别是微米以上级微粒，前向散射占据了大部分的能量，因此，前向接受可以得到微粒的主要信息。上述已有仪器仅对粒度大小进行检查，不能对形状进行检测，此外，由于在接受角范围方面均有一定的局限性，因而精度有限，特别是仪器的重复性不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构合理，工作效果好的能实时检测微粒粒度及形状特征的光学传感器。

本发明的技术解决方案是：

一种能实时检测微粒粒度及形状特征的光学传感器，其特征是：包括旋转对称椭腔镜，椭腔镜由金属制成、且内表面经抛光处理并镀有反射膜，在椭腔镜的外框上固装激光器，激光器射出的光束经第一反射镜后入射到第一透镜上，并形成扩束，在第一透镜后设置起消杂作用的第一光阑，在第一光阑后设置使入射光成为平行光束的第二透镜，第二透镜后设置减少光束截面积的第二光阑，第二光阑后设置使光束沿与椭腔镜长轴成小角方向入射到光敏区的第二反射镜，第二反射镜反射的光束截面线度与进出气通道线度一致，在第二反射镜后设置防止杂散光进入椭腔镜腔内的第三光阑，入射光束与样气流汇于光敏区，即椭腔镜的一焦点处，原方向入射光束射入光陷阱；所述光陷阱由金属制成，且内壁涂有吸光材料，并固定在椭腔镜的外框体内；样气的进、出气通道与椭腔镜长轴垂直，在样气进气通道外套装稀释纯净气通道，且稀释纯净气通道出口比样气进气通道出口更靠近光敏区；在椭腔镜的另一焦点后设置一物镜，该物镜接受大立体角范围的散射光被椭腔镜面反射至该焦点后的光线，在物镜的像平面上置一组合探测器，检测信号经组合探测器输出后放大、处理。

进、出气通道的直径为2mm。

组合探测器由4个探测器组成，其中在中心位置即物镜的像点处是探测粒度的光电倍增管，另三个分别置于等边三角形的三顶点处的是主要用来检出微粒形状信息的光电管。

本发明的工作原理是：半导体激光器发出的光束经扩束准直及光阑消杂光后，形成了一在光束截面上强度近于均匀的平行光，其入射至旋转对称椭腔镜的一焦点处，且入射方向与该椭腔镜的旋转对称长轴成一小角度，在该焦点处与经稀释的样气流相遇，即形成光敏区，由于增加了光敏区光强的均匀性，这样减小了由于微粒在光敏区位置不同的影响。由于采用了纯净气稀释法，减少了微粒在光敏区重叠的可能性以及在腔内的残留，提高了微粒计数及粒度的测量准确性；微粒在该处的散射光被旋转对称椭腔镜面反射至另一焦点，其散射角范围可达±2.5º~±145º,或±170º~±180º，而沿原入射方向的光射入光陷阱而被湮灭。包括前向在内的大空间角范围的接受设计，既保证了采集了微粒散射光的主要信息，又使得在测量粒度时，最大限度地减小了微粒形状及空间取向的影响。在整个椭腔镜内除了进出气通道外，别无它物，这样减少了杂散光的产生，而多个光阑的设置也减少了杂散光的影响，这样提高了仪器的信噪比。在此焦点后置一物镜作为收集透镜，在物镜像平面上置4个探测器， 其中一个在此透镜的像点，其它三个置于等边三角形的三顶点，位于像点处的光电倍增管作为测量粒度的主探测器，另三个探测器用来检测粒的形状，其原理是只要形状非球形，三角形三顶点的接受器就有不同的信号，对此三信号进行比较运算，可检测微粒形状，此外，这些信号也同时被用来作为微粒粒度检测信号的补充。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：1、既能测量微粒粒度又能同时标定微粒形状。2、不同与已有的前向透镜接受系统，采用椭腔镜接受，大大扩展了散射角的接受范围，最大限度地减小了微粒形状及空间取向对微粒粒度测量的影响。也不同与已有的侧向椭腔镜或二次曲面集光镜接受系统，采用从前向开始的散射接受设计，保证了微粒散射光的主要信息的接受，提高了测量精度。3、采用了纯净气稀释法，减少了微粒在光敏区重叠的可能性，提高了微粒计数、粒度及形状的测量准确性，同时也减少了腔内的残留与污染。4、椭腔镜内除了进出气通道，别无他物，最大限度地减少了杂散光的产生，提高了仪器的信噪比。5、扩束准直、光阑系统增加了光敏区光强的均匀性，减小了由于微粒在光敏区位置不同的影响，同时也减少了杂散光的影响。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

图2是图1中组合探测器10的具体布置示意图。

具体实施方式

参见图1，由于半导体激光器1体积小，可固定在旋转对称椭腔镜10的外框上，其射出的光束经反射镜2后入射到透镜3上，并形成扩束，光阑4起消杂作用，透镜5使入射光成为平行光束，光阑6减小光束截面积，并使光束截面上各处强度均匀化，反射镜7使光束沿与椭腔镜长轴成小角方向准确入射到光敏区，此光束截面线度与进出气通道线度一致，直径2mm，光阑8防止杂散光进入腔内。整个光束产生及入射系统结构紧凑。入射光束与样气流汇于光敏区，即椭腔镜的一焦点处，原方向入射光束，射入光陷阱14，其由金属制成且内壁涂有吸光材料，并固定在旋转对称椭腔镜的外框体内。样气由11进气通道导入，经出气通道13流出，进出气通道与转对称椭腔镜的长轴垂直，稀释纯净气通道12外裹在进气通道上，其出口并比进气通道出口更靠近光敏区，这样达到稀释样气且减少微粒残留腔内的目的。椭腔镜由金属制成，内表面进行抛光处理并镀有反射膜，大立体角范围的散射光被椭腔镜面反射至另一焦点，并被该焦点后接受物镜9所接受，在物镜9的像平面上置一组合探测器15，检测信号经组合探测器15输出后放大、处理。

参见图2，组合探测器15由4个探测器组成，其中在中心位置即物镜9的像点处是光电倍增管16，它是探测粒度的主探测器，另三个分别置于等边三角形的三顶点处的是光电管17、18、19，它们主要用来检出微粒形状信息，同时也用来作为粒度信息的补充；光电倍增管16位于上述等边三角形的中点。

Claims (3)

1. 一种能实时检测微粒粒度及形状特征的光学传感器，其特征是：包括旋转对称椭腔镜，椭腔镜由金属制成、且内表面经抛光处理并镀有反射膜，在椭腔镜的外框上固装激光器，激光器射出的光束经第一反射镜后入射到第一透镜上，并形成扩束，在第一透镜后设置起消杂作用的第一光阑，在第一光阑后设置使入射光成为平行光束的第二透镜，第二透镜后设置减少光束截面积的第二光阑，第二光阑后设置使光束沿与椭腔镜长轴成小角方向入射到光敏区的第二反射镜，第二反射镜反射的光束截面线度与进出气通道线度一致，在第二反射镜后设置防止杂散光进入椭腔镜腔内的第三光阑，入射光束与样气流汇于光敏区，即椭腔镜的一焦点处，原方向入射光束射入光陷阱；所述光陷阱由金属制成，且内壁涂有吸光材料，并固定在椭腔镜的外框体内；样气的进、出气通道与椭腔镜长轴垂直，在样气进气通道外套装稀释纯净气通道，且稀释纯净气通道出口比样气进气通道出口更靠近光敏区；在椭腔镜的另一焦点后设置一物镜，该物镜接受大立体角范围的散射光被椭腔镜面反射至该焦点后的光线，在物镜的像平面上置一组合探测器，检测信号经组合探测器输出后放大、处理。

2. 根据权利要求1所述的能实时检测微粒粒度及形状特征的光学传感器，其特征是：进、出气通道的直径为2mm。

3. 根据权利要求1或2所述的能实时检测微粒粒度及形状特征的光学传感器，其特征是：组合探测器由4个探测器组成，其中在中心位置即物镜的像点处是探测粒度的光电倍增管，另三个分别置于等边三角形的三顶点处的是主要用来检出微粒形状信息的光电管。

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