CN103575638A - 一种光散射式粒子计数器及其粒径分布算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光散射式粒子计数器，包括传感器本体、光路、气路、光电转换模块、前置放大电路，所述光路包括激光光源，所述激光光源发出光束的前进方向依次设有准直透镜组、光阑、光敏区、光陷阱；气路沿气体的流动方向依次括进气管、光敏区、出气管、泵；光陷阱内设置有多个呈一定空间位置滤波片，所述滤波片共有N片，所述N为大于0的整数，所述滤波片中第n-1滤波片与所述第n-1光束呈锐角度，所述第n-1的滤波片吸收部分后引导剩下一部分第n光束以锐角度射向第n滤波片，其中n为依次取为从2到N的整数。由于光陷阱的改进，极大效率的吸收了激光光源透过光阑的光束，使得传感器本体光敏区内的杂散光大为减少，提高了计数的准确性和可靠性。

Description

一种光散射式粒子计数器及其粒径分布算法

技术领域

本发明涉及一种光散射式粒子计数器及其算法，具体涉及到一种用于测量洁净空气中粒径分布的光散射式粒子计数器及其粒径分布算法。

背景技术

目前现有的光散射式粒子计数器的技术方案，如苏州华达仪器设备有限公司拥有的公开号为CN101162195A的发明专利--《尘埃粒子计数器及其使用方法》和中国人民解放军军事医学科学院卫生装备研究所拥有的公开号为CN101639435A的发明专利--《粒子计数器》，主要如下：测量尘埃粒子的光电传感器通常由照明系统、散射光收集系统、光电转换器、气路系统组成，其中照明系统、散射光收集系统和气路系统的轴线相交于光敏区中心点，工作时，气路系统将待测空气吸入光电传感器中的光敏区，其中尘埃粒子在光束照明下产生与粒子尺寸成比例的散射光信号，散射光信号被散射光收集系统接收后入射于光电转换器上，光电转换器输出与散射光信号强度成正比的信号，后续信号处理系统根据此信号的幅值给出粒子尺寸。

在现有技术方案中，散射光收集系统皆是采用曲面反射镜将粒子散射光反射至探测器光敏区，由于激光光源中心光斑周围有杂散光存在，曲面反射镜易将密闭腔内的杂散光引入测量系统，在实际应用中影响传感器的信噪比与可靠性。另外，在测量中单分散粒子产生的是幅值符合正态分布的随机离散电压脉冲信号，其电压脉冲信号幅值不仅仅是粒径的单值函数，还受随机因素的影响。随机因素包括激光光源存在发光功率的不稳定性、光敏区光强分布不均匀性、粒子的运动路径以及姿态等。上述专利中仅根据电压脉冲信号幅值甄别粒子粒径大小、统计粒子群粒径分布，算法简单，会导致计数器准确性的降低。

所以，上述的光散射式粒子计数器存在进一步改进空间。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高信噪比和高精度的光散射式粒子计数器以及一种更为严密、准确的粒径分布算法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种光散射式粒子计数器，包括传感器本体、光路、气路、光电转换模块、前置放大电路、主控板、显示器、存储模块，所述光路包括激光光源，所述激光光源发出光束的前进方向依次设有准直透镜组、光阑、光敏区、光陷阱；所述气路沿气体的流动方向依次包括进气管、光敏区、出气管、泵；所述气路、光路和光电转换模块的轴线相交于光敏区中心点，且两两垂直；所述光电转换模块通过前置放大电路与所述主控板相连接，所述主控板分别与所述显示器和所述存储模块相连接，其特征在于：所述光陷阱包括一光陷阱罩并安装于所述传感器本体上，并且与所述光阑相对应，从而将所述光束引导入所述光陷阱内，所述光陷阱内设置有多个呈一定空间位置滤波片，所述滤波片共有N片，所述N为大于0的整数，所述滤波片组中第n-1滤波片与所述第n-1光束呈锐角度，所述第n-1的滤波片吸收部分后引导剩下一部分第n光束以锐角度射向第n滤波片，其中n为依次取为从2到N的整数。

所述光陷阱罩内壁表面上涂有一吸收所述激光光谱的材料，有利于进一步提高吸收率。

所述锐角取为10～80度，有利于进一步提高吸收率和引导剩余的光束进入下一片滤波片。

所述光陷阱罩底部内壁有一定的弧度，有利于滤波片的多次反射吸收。

所述光散射式粒子计数器的粒径分布算法，其具体步骤如下：

第一步：设定a、b为实数，c为整数，n为任意整数且n∈[1，c]，D_n为实数，所述光散射式粒子计数器的粒径测量范围[a，b]，分成c档，第n档的粒径区间为[D_n，D_n+1]，设定每一档的粒径区间长度相等即D_n+1-D_n＝D_n-D_n-1，将粒径为D_n和

的标准单分散粒子群先后通入所述光散射式粒子计数器，对每种标准单分散粒子群对应的计数器输离散电压脉冲信号幅值进行分组数据记录并将所有实验数据去奇异值处理后得到其分布范围[u_min，u_max]；

第二步，通过对所述第一步实验数据的统计得到粒径为D_n的标准单分散粒子群的电压脉冲信号幅值概率分布曲线N(D_n，u，σ)，u和σ分别为粒径为D_n的标准单分散粒子群电压脉冲信号幅值的数学期望值和标准差；

第三步，根据标准单分散粒子群的电压脉冲信号幅值概率分布曲线N(D_n，u，σ)，计算电压脉冲信号幅值u_s对应的颗粒粒径属于第n档的相对概率P₀(n，us)，P₀(n，us)等于第n档区间内三种标准粒子其电压脉冲信号幅值在区间[u_s-Δu，u_s+Δu]内的概率平均值，K为经验值，可以取50～200；

第四步，所述us对应的粒子粒径属于第n档的概率 $P(n,\mathrm{us})=$

$P_0(n,\mathrm{us})/\underset{n=1}{\overset{c}{\mathrm{\Σ}}}{P}_0(n,\mathrm{us}),n=\mathrm{1,2}...c;$

第五步，将所述P(n，us)作为颗粒计数值累加到第n档。

与现有技术相比，本发明的优点在于：由于光陷阱的改进，极大效率的吸收了激光光源透过光阑的光束，使得传感器本体光敏区内的杂散光大为减少，降低了光电二极管输出信号的噪声和本底值，提高了传感器的信噪比，大大的提高精度和效率；基于实验得到标准单分散粒子群的幅值概率分布曲线，采用粒径分布算法分析计算粒径分布，提高了计数的准确性和可靠性。

附图说明

图1和图2为光散射式粒子计数器结构示意图；

图3为传感器本体剖视图；

图4为传感器本体俯视图；

图5为光陷阱结构图；

图6为粒径分布算法步骤图；

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1至4所述的光散射式粒子计数器，一种光散射式粒子计数器，包括传感器本体1、光路2、气路3、光电转换模块4、前置放大电路5、主控板6、显示器7、存储模块8，所述光路包括激光光源21，在该激光光源发出的光束的前进方向依次设有准直透镜组22、光阑23、光敏区24、光陷阱25；所述气路沿气体的流动方向依次包括进气管31、光敏区24、出气管33、泵34；所述光电转换模块包括光电转换模块壳体41，光电转换模块还包括固接于光电转换模块壳体中的聚焦透镜42、光电二极管43；所述气路3、光路2和光电转换模块4的轴线相交于光敏区24中心点，且两两垂直；所述光电转换模块4通过前置放大电路5与所述主控板6相连接，所述主控板6与所述显示器7相连接，其特征在于：所述传感器本体1开设有一中空并带有数个通孔的腔室，所述光阑23将所述腔室分为A腔室11和B腔室12，所述激光光源21安装于所述A腔室11，所述B腔室12相对应的开设有第一通孔13和第二通孔14，所述进气管31穿过第一通孔13，所述出气管33穿过第二通孔14，从而使进气管31与出气管33相对并形成所述光敏区24，所述光阑23前端口连通所述A腔室11并与所述激光光源21相对应，所述光阑23的后端口连通所述B腔室12并与所述光敏区24相对应，所述B腔室12开设有一与所述光敏区24连通的第三通孔15，所述第三通孔15上安装有所述光电转换模块4。

优选地，所述A腔室11的内部开设有一环形台阶111将所述的A腔室11分为第一腔室112和第二腔室113，所述激光光源21插入所述第一腔室112并卡紧，所述准直透镜组22装配入所述第一腔室112并位于所述激光光源21和所述环形台阶111之间，这样子有利于使激光光源21射出的激光束更加集中平行，提高光源的准直度，有利于进一步提高测量精度。

进一步优选地，所述光电转换模块4位于所述光敏区24上方，所述光电二极管43光敏面位于所述聚焦透镜42焦点处，所述聚焦透镜42可以使分散的散射光集中起来提高光电二极管43的灵敏度。

优选地是，B腔室12开设与所述光阑23相对应的第四通孔16，所述光陷阱25插入所述第四通孔16并与所述光阑23相对应，所述光陷阱25包括一光陷阱罩251并安装于所述传感器本体1上，并且与所述光阑23相对应，从而将所述光束引导入所述光陷阱25内，如图5所示，所述光陷阱罩251内设置有多个呈一定空间位置滤波片组252，所述滤波片组252共有N片，所述N为大于０的整数，所述滤波片组252中第n-1滤波片2521与所述第n-1光束211呈锐角度，所述第n-1的滤波片2521吸收部分后引导剩下一部分第n光束212以锐角度射向第n滤波片2522，其中n为依次取为从2到N的整数。图4为N等于4的光陷阱结构图。所述光陷阱罩251内壁表面上涂有一吸收所述激光光谱的材料。所述锐角取为10～80度。所述光陷阱罩251底部内壁有一定的弧度。上述结构，将极大效率的吸收了入射光束，降低了传感器腔室内的杂散光和光电转换器的噪声。

所述前置放大电路5包括多级滤波放大电路、电磁屏蔽罩壳，用以去除噪声并获得较高的信噪比；

所述主控板6采用STM32单片机作为处理芯片，所述STM32单片机将所述前置放大电路5输出的电压脉冲信号A/D采样后存入存储模块8，需要计算所采样空气中颗粒的粒径分布时主控板读取存储模块数据并根据预存粒径分布算法，计算出所采样空气中颗粒粒径分布；

如图6所示，所述粒径分布算法具体如下：

第一步：设定a、b为实数，c为整数，n为任意整数且n∈[1，c]，D_n为实数，所述光散射式粒子计数器的粒径测量范围[a，b]，分成c档，第n档的粒径区间为[D_n，D_n+1]，设定每一档的粒径区间长度相等即D_n+1-D_n＝D_n-D_n-1，将粒径为D_n、

的多种标准单分散粒子群先后通入所光散射式述粒子计数器，对每种标准单分散粒子群对应的计数器输离散电压脉冲信号幅值进行分组实验数据记录并将所有实验数据去奇异值处理后得到其分布范围[u_min，u_max]；

第二步，通过对所述第一步实验数据的统计得到粒径为D_n的标准单分散粒子群的电压脉冲信号幅值概率分布曲线N(D_n，u，σ)，u和σ分别为粒径为D_n的标准单分散粒子群电压脉冲信号幅值的数学期望值和标准差；

第三步，根据标准单分散粒子群的电压脉冲信号幅值概率分布曲线N(D_n，u，σ)，计算电压脉冲信号幅值u_s对应的颗粒粒径属于第n档的相对概率P₀(n，us)，P₀(n，us)等于第n档区间内三种标准粒子其电压脉冲信号幅值在区间[u_s-Δu，u_s+Δu]内的概率平均值，

K为经验值，可以取50～200；

第四步，所述u_s对应的粒子粒径属于第n档的概率 $P(n,\mathrm{us})=$

$P_0(n,\mathrm{us})/\underset{n=1}{\overset{c}{\mathrm{\Σ}}}{P}_0(n,\mathrm{us}),n=\mathrm{1,2}...c;$

第五步，将所述P(n，us)作为颗粒计数值累加到第n档；

所述主控板连接有降压模块，所述降压模块另一端与220V电源相连接，此降压模块首先将220V降到36V，用以提供泵的工作电压，之后再将36V降低到5V的单片机工作电压用以给主控板供电；

主控板上设置有与PC机通信的MAX232芯片；

应用上述的光散射式粒子计数器测量洁净空气中颗粒粒径分布的方法如下所示：

1，启动所述泵34在所述B腔室12产生负压，含有颗粒的待测空气在压差作用下，以均匀的速度先后通过进气管31、光敏区24、出气管33；

2，待测空气中的颗粒进入所述光敏区后对所述激光光源21发射的激光束产生光散射现象，产生与颗粒尺寸成比例的散射光强，所述散射光经过所述聚焦透镜42，投射到所述光电二极管43；

3，所述前置放大电路5对所述光电二极管43输出的微弱电信号滤波放大后输出电压脉冲信号；

4，所述主控板6上的STM32单片机将电压脉冲信号幅值A/D采样后存入存储模块8；

5，需要计算待测空气中颗粒粒径分布时，所述主控6板读取存储模块8中数据并根据预存粒径分布算法，计算出颗粒粒径分布。

Claims (6)

1.一种光散射式粒子计数器，包括传感器本体(1)、光路(2)、气路(3)、光电转换模块(4)、前置放大电路(5)、主控板(6)、显示器(7)、存储模块(8)，所述光路(2)包括激光光源(21)，所述激光光源(21)发出光束的前进方向依次设有准直透镜组(22)、光阑(23)、光敏区(24)、光陷阱(25)；所述气路(3)沿气体的流动方向依次包括进气管(31)、光敏区(24)、出气管(33)、泵(34)；所述气路(3)、光路(2)和光电转换模块(4)的轴线相交于光敏区(24)中心点，且两两垂直；所述光电转换模块(4)通过前置放大电路(5)与所述主控板(6)相连接，所述主控板(6)分别与所述显示器(7)和所述存储模块(8)相连接，其特征在于：所述光陷阱(25)包括一光陷阱罩(251)并安装于所述传感器本体(1)上，并且与所述光阑(23)相对应，从而将所述光束引导入所述光陷阱(25)内，所述光陷阱(25)内设置有多个呈一定空间位置滤波片(252)，所述滤波片(252)共有N片，所述N为大于0的整数，所述滤波片(252)中第n-1滤波片(2521)与所述第n-1光束(211)呈锐角度，所述第n-1的滤波片(2521)吸收部分后引导剩下一部分第n光束(212)以锐角度射向第n滤波片(2522)，其中n为依次取为从2到N的整数。

2.根据权利要求1所述的光散射式粒子计数器，其特征在于：所述光陷阱罩(251)内壁涂有一吸收所述激光光谱的材料。

3.根据权利要求1所述的光散射式粒子计数器，其特征在于：所述锐角取为10～80度。

4.根据权利要求1所述的光散射式粒子计数器，其特征在于：所述光陷阱罩(251)底部内壁有一定的弧度。

5.根据权利要求1所述的光散射式粒子计数器，其特征在于：所述滤波片组共有4片滤波片，即N为4。

6.一种应用权利要求1所述光散射式粒子计数器的粒径分布算法，其特征在于：所述

第一步：设定a、b为实数，c为整数，n为任意整数且n∈[1，c]，D_n为实数，所述光散射式粒子计数器的粒径测量范围[a，b]，分成c档，第n档的粒径区间为[D_n，D_n+1]，设定每一档的粒径区间长度相等即D_n+1-D_n＝D_n-D_n-1，将粒径为D_n和的标准单分散粒子群先后通入所述光散射式粒子计数器，对每种标准单分散粒子群对应的计数器输离散电压脉冲信号幅值进行分组数据记录并将所有实验数据去奇异值处理后得到其分布范围[u_min，u_max]；

第二步，通过对所述第一步实验数据的统计得到粒径为D_n的标准单分散粒子群的电压脉冲信号幅值概率分布曲线N(D_n，u，σ)，u和σ分别为粒径为D_n的标准单分散粒子群电压脉冲信号幅值的数学期望值和标准差；

第三步，根据标准单分散粒子群的电压脉冲信号幅值概率分布曲线N(D_n，u，σ)，计算电压脉冲信号幅值u_s对应的颗粒粒径属于第n档的相对概率P₀(n，us)，P₀(n，us)等于第n档区间内三种标准粒子其电压脉冲信号幅值在区间[u_s-Δu，u_s+Δu]内的概率平均值，

K为经验值，可以取50～200；

第四步，所述u_s对应的粒子粒径属于第n档的概率 $P(n,\mathrm{us})=$

$P_0(n,\mathrm{us})/\underset{n=1}{\overset{c}{\mathrm{\Σ}}}{P}_0(n,\mathrm{us}),n=\mathrm{1,2}...c;$

第五步，将所述P(n，us)作为颗粒计数值累加到第n档。

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