CN102564929A - 一种具有新型光敏区结构的大流量尘埃粒子计数传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有新型光敏区结构的大流量尘埃粒子计数传感器，在大功率半导体激光光源发出的光束前进的方向上，依次设有非球面镜、入射光阑、出射光阑和光陷阱，与光路垂直方向上设置球面反射镜、视场光阑、光电探测器，光敏区和光电探测器光敏面的位置分别位于该球面反射镜球心的两侧，并满足几何物像关系，气路系统由一个采样气嘴和一个出气嘴组成，采样气嘴的口径小于出气嘴的口径，且两者相对于光敏区不对称设置。本发明结构简单、体积小、计数效率高，粒径分辨率高，可以实现不低于50L/min大流量尘埃粒子采样的准确高效检测。

Description

一种具有新型光敏区结构的大流量尘埃粒子计数传感器

技术领域

 本发明涉及一种洁净度检测设备，特别是一种大流量、高信噪比、高粒径分辨率、小型化的具有新型光敏区结构的大流量半导体尘埃粒子计数传感器。

背景技术

尘埃粒子计数传感器是光散射计数法测量颗粒粒径分布所用的主要测量系统，广泛应用于电子、材料、制药、实验室等部门的洁净度检测。光学传感器是测量系统的核心部分。

在先进激光尘埃粒子计数传感器所采用的技术方案中，流量已达至50L/min，如苏州鸿基洁净科技有限公司在2010年7月12日申请的实用新型专利“一种大流量尘埃粒子计数器的光电传感器”（专利号为CN201780264U）。它包括一个腔体，在腔体的几何中心为原点的所述腔体的横向方向上设置有半导体激光器、柱形镜片、入射光阑、出射光阑及牛角形消光尾腔，半导体激光器和柱形镜片位于所述腔体的一侧，消光尾腔位于腔体的另一侧，柱形镜片使激光光源形成一光敏区，在腔体的纵向方向上设置有对称于光敏区分布的两个球面镜，在其中一个球面镜上设置有一小孔，小孔后方设置有相对应的光电接收装置。在腔体的纵向方向上还设置有气路系统，气路系统包括两路进气嘴和一出气嘴分布于光敏区两侧。

现有技术存在的问题是：气路系统采用两路进气嘴和一出气嘴，结构相对复杂，且气路位置固定不可调节；采用两个球面反射镜，使得粒子的散射光信号增强的同时杂散光信号也增强了，影响了信噪比的提高；采用在一个球面镜上一小孔的后方设置相对应的光电接收装置来接受散射信号，容易漏计数，计数效率受损，影响信噪比的提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有新型光敏区结构的尘埃粒子计数器的光学传感器，以实现采样量不低于50L/min时能准确高效的检测到尘埃粒子大小和数量。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种具有新型光敏区结构的大流量尘埃粒子计数传感器，包括光源、非球面镜、第一入射光阑、第二入射光阑、球面反射镜、出射光阑、光陷阱、视场光阑和光电探测器，光源采用大于等于100W的大功率半导体激光光源，在半导体激光光源发出的光束前进的方向上，依次设有非球面镜、第一入射光阑、第二入射光阑、出射光阑和光陷阱，与光路垂直方向上设置球面反射镜、视场光阑、光电探测器，光源发出截面为矩形的发散光束，矩形长边方向的光束经过非球面镜会聚于出射光阑的前端口，矩形短边方向的光束经过非球面镜会聚于出射光阑的后端口，形成了扁长的光敏区；光敏区和光电探测器光敏面的位置分别位于该球面反射镜球心的两侧，并满足几何光学的物像关系，视场光阑置于光电探测器的前面，采样气路由一个采样气嘴和一个出气嘴组成，采样气嘴口径比出气嘴的口径小，且相对于光敏感区不对称设置；视场光阑的视窗和光电探测器的尺寸相同。

优选的，所述的第一入射光阑、第二入射光阑放置于光敏区之前，出射光阑和光陷阱放置于光敏区之后。

优选的，所述的第一入射光阑、第二入射光阑、出射光阑和视场光阑都是专门的喇叭口式光阑，保持尖锐角度，且内侧表面采用发黑处理。

优选的，所述的光电探测器采用与光源光波相匹配的高灵敏度光电二极管。

优选的，所述的采样气路中的一个采样气嘴和一个出气嘴都是具有水平过渡的扁平气嘴。

优选的，所述的采样气路中的采样气嘴在与出气嘴平行的方向上可调节。

优选的，所述的采样气路中的采样气嘴和出气嘴相对于光敏区不对称设置，采样气嘴距离光敏区较近，出气嘴距离光敏区较远。

本发明与现有技术相比，其显著优点：本发明中大功率半导体激光器发出截面为矩形的发散光束经过短焦距非球面镜后，矩形长边方向的光束会聚于出射光阑的前端口，矩形短边方向的光束会聚于出射光阑的后端口，从而形成了扁长的光敏区；采样气路中的采样气嘴口径小于出气嘴口径，且两者相对于光敏区不对称设置，气路的不对称设计可以减小气流阻力，减少气流在光敏区的扩散，从而减小粒子出现在弱光区的概率；调节采样气嘴位置使得全部的空气粒子的通过光敏区，从而大大提高了粒子计数效率，通过本发明可以实现采样量不低于50L/min的尘埃粒子的准确高效的检测。

附图说明

图1是本发明的一种具有新型光敏区结构的大流量尘埃粒子计数传感器结构示意图。

图2是本发明的一种具有新型光敏区结构的大流量尘埃粒子计数传感器结构剖视图。

图3是本发明的气路系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细、完整的描述。

请参阅图1、图2。图1和图2是本发明所公开的一种具有新型光敏区结构的大流量尘埃粒子计数传感器的结构示意图。可看出本发明是一个直角散射型光学系统，包括照明系统、散射光收集系统、气路系统。

照明系统由半导体激光器1、非球面镜2、第一入射光阑3、第二入射光阑4、出射光阑7、光陷阱8组成，其中第一入射光阑3、第二入射光阑4放置于光敏区5的前面，出射光阑7放置于光敏区5的后面。光源1采用大于等于100mW大功率半导体激光光源，大功率照明增强了散射信号的幅度，从而提高了系统的计数效率和粒径分辨率。光源发出截面为矩形的发散光束，经过短焦距非球面镜2二维聚焦，请参阅图1矩形长边方向的光束经过非球面镜2会聚于出射光阑7的前端口，请参阅图2矩形短边方向的光束经过非球面镜2会聚于出射光阑7的后端口，形成了扁长的光敏区5。这种设计在保证光敏区5光强均匀的基础上，能够让全部的尘埃粒子通过光敏区5，提高传感器的计数效率等。激光光束穿过光敏区5后进入光陷阱8，并被光陷阱8吸收。其中照明系统的光阑皆为喇叭形，保持尖锐角度，既可以防止杂散光的产生，又可以消除光路上的杂散光，这种设计大大提高了传感器的信噪比。

散射光收集系统主要有球面反射镜6、视场光阑9、高灵敏度光电二极管10。所述光敏区5与光电探测器10之间距离为2mm—5mm。所述光敏区5和光电探测器10的光敏面分别位于球面反射镜6球心的两侧，并满足几何光学的物像关系。当被测气体通过光敏区5时，尘埃粒子产生的散射光的一半直接进入高灵敏度的光电二极管10，另一半经过球面反射镜6反射后会聚在高灵敏度光电二极管10上，极大可能的提高了散射光的收集效率。所述视场光阑9置于光电探测器10的前面，视场光阑9为专门的喇叭口式遮挡光阑，以保证光路中的杂散光不能直接进入探测器，而粒子的散射光信号经过球面反射镜6反射的光不被遮挡。所述视场光阑9内侧表面采用发黑处理，减少散射光反射，从而提高了传感器的信噪比。所述光电探测器10采用与光源光波相匹配的高灵敏度光电二极管。

气路系统主要由一个采样气嘴13、一个出气嘴14构成，抽气泵将外界被测气体通过采样气嘴13吸入传感器内，带有被测尘埃粒子的采样气流通过光敏区5，从而得到粒子的散射光信号。所述一个采样气嘴13和一个出气嘴14都是具有水平过渡的扁平气嘴，两者相对于光敏区5不对称安装。请参阅图3所述采样气嘴13的口径小于出气嘴14的口径；采样气嘴13与光敏区5相距                                               ；出气嘴14与光敏区5相距

。调节采样气嘴与出气嘴平行方向上的位置，可以使全部的被测尘埃粒子通过光敏区5。这样的不对称设计可以减小气流阻力，减少气流在光敏区5的扩散,从而减小粒子出现在弱光区的概率，可以大大提高传感器的粒子分辨率，满足不低于50L/min大流量尘埃粒子采样的准确高效检测。

本发明公开了一种具有新型光敏区结构的大流量尘埃粒子计数传感器，所述光学传感器对聚苯乙烯标准粒子进行标定的结果表明：本光学传感器的最小可探测粒径为0.3 um，采样流量可以做到高于50L/min，计数效率达到100%，分辨率优于90%（0.3um分档，0.5um分档对Duke Scientific Corporation 提供的0.3um、0.4um、0.5um、0.6um标准粒子的测量结果），这些性能远优于在先技术。

Claims (6)

1.一种具有新型光敏区结构的大流量尘埃粒子计数传感器，包括光源[1]、非球面镜[2]、第一入射光阑[3]、第二入射光阑[4]、球面反射镜[6]、出射光阑[7]、光陷阱[8]、视场光阑[9]和光电探测器[10]；在激光器光源[1]发出的光束前进的方向上，依次设有非球面镜[6]、第一入射光阑[3]、第二入射光阑[4]、出射光阑[7]和光陷阱[8]；与光路垂直的方向上依次设有球面反射镜[6]、视场光阑[9]和光电探测器[10]；光源[1]发出截面为矩形的发散光束，矩形长边方向的光束经过非球面镜[2]会聚于出射光阑[7]的前端口，矩形短边方向的光束经过非球面镜[2]会聚于出射光阑[7]的后端口，形成了扁长的光敏区[5]；光敏区[5]和光电探测器[10]的光敏面的位置分别位于该球面反射镜[6]球心的两侧，并满足几何光学的物像关系；视场光阑[9]置于光电探测器[10]的前面；采样气路由一个采样气嘴[13]和一个出气嘴[14]组成，采样气嘴[13]的口径小于出气嘴[14]的口径，且相对于光敏感区[5]不对称设置。

2.根据权利要求1所述的一种具有新型光敏区结构的大流量尘埃粒子计数传感器，其特征在于：光源[1]采用大于或等于100W的大功率半导体激光光源。

3.根据权利要求1所述的一种具有新型光敏区结构的大流量尘埃粒子计数传感器，其特征在于：第一入射光阑[3]、第二入射光阑[4]放置于光敏区[5]的前面，出射光阑[7]放置于光敏区[5]的后面，光阑皆为喇叭形。

4.根据权利要求1所述的一种具有新型光敏区结构的大流量尘埃粒子计数传感器，其特征在于：视场光阑[9]的视窗和光电探测器[10]的尺寸相同，视场光阑[9]为喇叭口式遮挡光阑，且其内侧表面采用发黑处理。

5.根据权利要求1所述的一种具有新型光敏区结构的大流量尘埃粒子计数传感器，其特征在于：光电探测器[10]采用与光源光波相匹配的高灵敏度光电二极管。

6.根据权利要求1所述的一种具有新型光敏区结构的大流量尘埃粒子计数传感器，其特征在于：气路系统包括一个采样气嘴[13]和一个出气嘴[14]，两者均为水平过渡的扁平气嘴；采样气嘴[13]与光敏区[5]相距                                               

；出气嘴[14]与光敏区[5]相距；采样气嘴[13]在与出气嘴[14]平行的方向上可调节。

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