CN102564928A - 光学粒子计数器的传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学粒子计数器的传感器，包括激光器、光纤、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、微型光电倍增管。激光束经光纤均匀化处理后，形成具有良好均匀性、截面呈扁平形的平行光束，并以与旋转对称椭腔镜对称轴成一小角度方向射入到椭腔镜内，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，大立体角范围的散射光射向椭腔镜的另一焦点，在此焦点后的光电探测器，用于对粒子大小进行分级并计数。本发明布局巧妙，结构合理，工作效果好。

Description

光学粒子计数器的传感器

技术领域

本发明涉及一种光学传感器。

背景技术

光学粒子计数器被广泛地应用于工矿企业、大气环境、医学与科研领域。该类测量仪器的核心部分是光学传感器，其基本原理是接受粒子的散射光信号，并将其转换成电信号，然后按大小分级进行计数。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：º±2.5º~±25），如库尔特仪、ROYCO粒子计数器；侧向接受系统（最大采样角范围：º75º~115），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： º,2.5º~175或º±15º~±105），如Climet、国产激光粒子计数器。上述已有仪器主要存在两个方面的问题：一是在接受角范围方面存在一定的局限性。由于实际粒子的非球形性及空间取向的不定性，在某一角度或小的立体角范围接受的光信号幅度将存在很大的不定性，因而对粒子大小的测量产生影响，大立体角范围的散射光接受可以大大弱化这两种效应；对亚微米特别是微米以上级粒子，前向散射占据了大部分的能量，因此，采用前向接受可以得到粒子的主要信息。上述仪器有的在这两方面均存在缺陷，有的在其中之一方面存在缺陷。二是光敏区的光束均匀性较差。如果光敏区的光束均匀性不佳，同一粒子在光敏区不同位置产生的光信号幅度将有较大差别，这将影响仪器对粒子大小的甑别，上述仪器有的尽管也采取了一些措施，但光敏区照射光的均匀性依然较差。综上所述，已有的仪器精度有限，特别是仪器的重复性不高。

本发明的目的在于提供一种结构合理，工作效果好，且造价不高的光学粒子计数器的传感器。

本发明的技术解决方案是：

一种光学粒子计数器的传感器，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聚焦透镜后汇聚于一光纤的入射端面，该光纤呈梯度折射率分布，沿圆周环绕在椭腔镜的外框上，该光纤的输出端发出的光束经准直透镜后形成平行光束，在准直透镜后设置使该平行光束沿与椭腔镜长轴成小角方向入射到光敏区的反射镜，且反射镜后设置使入射光束截面呈扁平形状的矩形光阑，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接收粒子的散射光信号的探测器，且在该焦点处设置一防止杂散光进入探测器的光阑，探测器接收的信号输出后被放大、处理。

样气的进、出气通道的直径为2.0 mm。

探测器为微光电倍增管，激光器为功率50~100 mW的半导体激光器。

所述光纤采用沿圆周绕行2周的梯度折射率分布的光能传输光纤。光纤长度为1.8 m，光纤直径1 mm，光纤两端面作抛光处理，其环绕半径为0.12 m。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：1、不同与已有的前向透镜接受系统，采用椭腔镜接受，大大扩展了散射光接受的立体角，最大限度地减小了粒子形状及空间取向对粒子粒度测量的影响。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，保证了粒子散射光的主要信息的接受，提高了测量精度。2、采用了巧妙且合理布局的光纤均匀化光束设计，大大提高了激光束的光束均匀性，同时构成简洁、成本低廉、方便实用、不受运输的影响。3、采用了纯净气稀释法，减少了粒子在光敏区重叠的可能性，提高了粒子计数及大小的测量准确性，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。

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中光纤均匀化光束的具体布置示意图。

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11的外框上，其射出的光束经会聚透镜2后会聚到光纤接口3上，光纤从3将光束引入到另一光纤接口4上，准直透镜5将从接口4引入的光变成具有良好的均匀性的平行光束，反射镜6使平行光束沿与椭腔镜长轴成小角方向准确入射到光敏区，矩形光阑8使入射光束截面呈扁平形状，其截面宽度为0.6 mm，光阑8同时也防止了杂散光进入腔内。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10，光陷阱10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12进气通道导入，经出气通道14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13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粒子残留腔内的目的。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，并被该焦点后的探测器7接受，在该焦点处设一光阑9，防止杂散光进入探测器7，探测器7得到的检测信号输出后被放大、处理。

参见图2，梯度折射率分布的光能传输光纤长度为1.8 m,光纤直径1 mm,该光纤将光束从A端输入，然后沿圆周环绕2周从B端输出，光纤两端面作抛光处理，其环绕半径为0.12 m，这样可得到均匀效果良好且平行的光束，整个圆周环绕在椭腔镜（虚线区域）周围，其设计巧妙、布局合理。

本发明的工作原理是：半导体激光器射出的光束经第一透镜聚焦于一梯度折射率分布的光能传输光纤的输入端面，该光纤沿圆周环绕椭腔镜2周，其光纤的长度为1.8 m,光纤直径1 mm, 环绕半径0.12 m，输出端光束经准直透镜后形成平行光束，且其光束的均匀性良好，均匀光斑平顶因子可达0.8，该光束经矩形光阑后形成截面宽度为0.6 mm的扁平形光束，然后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2.0 mm0.6 mm扁平圆柱形光敏区，由于大大提高了光敏区光束的均匀性，这样大大减小了由于粒子在光敏区位置不同的影响。粒子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º±2.5º~±145，这样包括前向在内的大立体角范围的接受设计，既保证采集了粒子散射光的主要信息，又最大限度地减小了粒子形状及空间取向的影响。由于采用了纯净气稀释法，减少了粒子在光敏区重叠的可能性以及在腔内的残留，提高了粒子计数的准确性。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，同时光阑的设置也减少了杂散光的影响，因此仪器的信噪比得到了提高。与样气流相交的入射光束截面呈扁平形，可以尽量使输出信号的各脉冲宽度基本一致，这有利于后续电路在低噪声下放大电脉冲。

Claims (5)

1. 一种光学粒子计数器的传感器，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聚焦透镜后汇聚于一光纤的入射端面，该光纤呈梯度折射率分布，沿圆周环绕在椭腔镜的外框上，该光纤的输出端发出的光束经准直透镜后形成平行光束，在准直透镜后设置使该平行光束沿与椭腔镜长轴成小角方向入射到光敏区的反射镜，且反射镜后设置使入射光束截面呈扁平形状的矩形光阑，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接收粒子的散射光信号的探测器，且在该焦点处设置一防止杂散光进入探测器的光阑，探测器接收的信号输出后被放大、处理。

2. 根据权利要求1所述的光学粒子计数器的传感器，其特征是：样气的进、出气通道的直径为2.0 mm。

3. 根据权利要求1或2所述的光学粒子计数器的传感器，其特征是：探测器为微光电倍增管，激光器为功率50~100 mW的半导体激光器。

4. 根据权利要求1或2所述的光学粒子计数器的传感器，其特征是：所述光纤采用沿圆周绕行2周的梯度折射率分布的光能传输光纤。

5. 根据权利要求4所述的光学粒子计数器的传感器，其特征是：光纤长度为1.8 m，光纤直径1 mm，光纤两端面作抛光处理，其环绕半径为0.12 m。

Images