CN104345018A - 一种基于探测器阵列的流式颗粒物测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种流体颗粒物检测领域，一种基于探测器阵列的流式颗粒物测量仪是检测液体中不同粒径的颗粒物的数量的装置，主要用于水体、油液、药液中微小不溶性颗粒物数量的检测；本发明的技术方案包含采用光阻法检测粒子的数量，采用光电二极管探测器阵列将光学敏感区分成多个不同的子区域，二极管探测器阵列的每个单元对应一个狭小的子光学敏感区域，从而提高不溶性粒子的粒度查出限。一种基于探测器阵列的流式颗粒物测量仪中的光源发射平行光照射在光电探测器阵列上，子光电转换电路将其转化成相应子区域的透射光强强度，由探测器单元选通装置进入多路比较通道，通过多路比较器进入对应的计数器，从而实现粒子计数。

Description

一种基于探测器阵列的流式颗粒物测量仪

技术领域

本发明属于颗粒物检测领域，涉及水体、油液、药液中微小不溶性颗粒物数量的检测，尤其应用于药液中的不同粒径范围内的不溶性颗粒物的统计检测。 

背景技术

对液体中颗粒物测量通常根据粒子特性采用间接测量的方法，其方法主要有沉降法、库尔特电阻法、光阻法、光散射法、光衍射法。 

沉降法根据悬浮液的浓度随时间的变化而测的颗粒的大小；库尔特电阻法根据粒子改变电极电阻的方式来测量颗粒的大小；光阻法、光散射法、光衍射法分别根据粒子对光源的遮挡面积、散射、衍射而测量颗粒的大小。 

光阻法是根据粒子对透过光敏区的平行光的遮光来计算的，粒子尺寸越大，对光敏区平行光的遮光越大，到达探测器的光强越小；粒子尺寸越小，对光敏区平行光的遮光越小，到达探测器的光强越大，有粒子遮光和无粒子遮光时平行光照射到探测器上引起的光强的差值反映了粒子的大小，当粒子尺寸非常小时，其差值不足以被后部电路所区分，这时就决定了光阻法的粒度的检出限；例如光敏区的尺寸是1000umx400um时，粒子是圆形且尺寸是10um，无遮光时平行光照射在探测器上，通过后面的放大电路的电压是4V，则粒子引起的遮光为10umX10um/1000umX400um＝1/4000，粒子遮光引起的光强变化是1mV，通过后部分的比较电路可以区分开，当粒子尺寸小于10um的检出限时，粒子遮光引起的光强变化小于1mV，探测电路将不能区分。 

为了能分辨更小的粒子、达到更小的检出限并对其进行计数，各个专利对其进行了较多的工作，专利CN101029863A采用光阻法，使用线阵CCD探测经过液体后的平行光，由于CCD像元的微小尺寸提高颗粒物的检出尺寸并计数，通常的CCD像元为14um，CCD像元灰度值为256，能探测到的颗粒物大小为1um；专利CN101105438A采用光纤锥作为传输介质，将透过光敏区的平行光用光纤传光，每个光纤对应一个狭小的光敏区区域，并用CCD相机对透过光纤锥、经过光纤隔离的光成像，从而提高颗粒物的检出限；如专利CN102608072A采用散射法，用挡光片遮挡透射光，在挡光片后用透镜收集散射光，检测经过粒子散射的光而计算粒子大小并计数，在2um尺度范围内的散射光强与粒径成线性关系，由于光波长对粒子的衍射效应，随着颗粒物的增大，散射光强与粒径不再成线性关系从而限制了大尺寸颗粒物的测量。 

通过CCD(或者CMOS)探测器解决方式，当粒子尺寸达到几个像元尺寸时，图像分辨较复杂，而且CCD探测电路的反应速度有一定的限制，为达到更快的检测速度、更高的粒子尺寸检出限，本专利采用光电二极管探测器阵列的方式将光学敏感区域划分成若干个子光学敏感区域，每个光电二极管探测器单元对应一个子光学敏感区域，处在相应子光学敏感区的粒子遮光只影响相应的探测器单元，在算法上减小了光学敏感区的面积，从而提高了系统的粒度检出限。 

发明内容

该发明专利采用光阻法测量透过光敏区域的平行光的遮光光强来计算粒子尺寸，通过光电探测器阵列17将光学敏感区域划成为若干个子光学敏感区域，每个子光学敏感区对应相应的光电探测器单元，从而在算法上减小光学敏感区域，提高系统的粒子尺寸检 出限。 

本发明专利采用恒定光功率的激光为光源5，经过准直透镜6的折光作用，配合光阑7形成平行光，平行光经过微型尺寸的光学敏感区，透过光学敏感区的平行光通过扩束镜16后将透射光的尺寸放大并照射在相应的光电探测器阵列17上，探测器阵列17中的每个探测器单元对应部分平行光束。 

光电探测器阵列17由若干个光电探测器单元并行排列，每个探测器单元的信号由后部的电路放大模块探测并形成多路并行的子光学敏感区信号子模块，子模块通过逐路选通后与对应的参考电压相比较并进入多路放大器，每路放大器对应不同粒度的粒子数量通道，当子模块信号小于对应参考电压，则说明子光学敏感区的粒子直径大于参考电压所对应的粒度，其路比较器输出低电平，该通道对应粒径等级的粒子数增加。 

对于处在两个光电探测器单元之间的粒子，通过电路时序的方式解决，使得粒子处在某个探测子敏感区域内。 

附图说明

图1为一种基于探测器阵列的流式颗粒物测量仪的传感器的剖面图； 

图2为一种基于探测器阵列的流式颗粒物测量仪的传感器光路图； 

图3为一种基于探测器阵列的流式颗粒物测量仪的流程图； 

图4为一种基于探测器阵列的流式颗粒物测量仪的阵列式光电探测器图； 

图5为一种基于探测器阵列的流式颗粒物测量仪的阵列式光电探测器放大电路原理图； 

图6为一种基于探测器阵列的流式颗粒物测量仪的多路比较电路图 

图7为一种基于探测器阵列的流式颗粒物测量仪的恒亮度光源电路图 

具体实施方式

下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。 

图1是一种基于探测器阵列的流式颗粒物测量仪的传感器剖面图，待测液通过管路流进光滑的鞘流喷嘴2，从而通过狭小的光敏区域(光敏区的面积是1000umx400um)。 

光源5经过准直透镜6变成平行光，通过光阑7取其中心部分照射在光敏区域，透过光敏区域的光经过扩束镜16后，照射在光点探测器阵列17上。 

图2是一种基于探测器阵列的流式颗粒物测量仪的光路图，亮度恒定的光源5经过准直透镜6的折光后变成平行光，光阑7取其平行光的中心部分以保证光源的均匀性，均匀的平行光穿过光敏区照射在探测器端，将光敏区划分成若干个子光敏区，每个子光敏区对应一个探测器单元，无粒子遮挡子区域的平行光到达探测器单元的能量较大，有粒子遮光子区域的平行光达到探测器单元的能量较小，每个探测器单元对应一个较小的子光敏区域，粒子在子光敏区域的遮光占据自光敏区域的所有光强较大，从而提高了颗粒物监测仪设备的低粒度粒子的检出限。 

图3是一种基于探测器阵列的流式颗粒物测量仪的流程图，微控制器控制电机搅拌容器内的液体，使溶解于液体中的药液或其它溶质均匀溶解在溶液中，这时控制蠕动泵通过负压抽取液样，液样通过管路经过样品池，这时光源透过光学敏感区并入射到后部的光点接收模块，后部放大器对光电接收模块的信号进行放大、滤波等信号处理，该信 号与多路比较器进行比较，将比较结果送入多路计数通道，通过微控制器记录不同通道的粒子的数量，并将不同粒度的数量上传至上位机，上位机将相应数据显示在界面并通过打印机打印出来。 

多路比较器的参考电压由微控制器控制DA模块输出模拟电压，由多路分压电路对其进行分压获得。 

图4是一种基于探测器阵列的流式颗粒物测量仪的阵列式光电探测器图，本实施例中采用16路硅光电二极管阵列作为光点探测器阵列，每个探测器单元尺寸大小是0.9mmX1.45mm，相邻的两个探测器单元间距0.1mm，探测器的光学敏感波长范围是190nm-1100nm，1和10管脚为光电二极管阵列的公共接地端，其余管脚对应相应的探测器单元的输出端。 

图5一种基于探测器阵列的流式颗粒物测量仪的阵列式光电探测器放大电路原理图，采用2级放大的方式提取子光敏区的透射光信号，前级采用I/V方式将光电探测器单元的电流信号转化为电压信号，后级放大电路采用电压放大器的方式对前级电压放大，并采用可调电阻方式自行调节放大倍数。 

本实施例中采用16路光电探测器放大模块，输出CMP_INi进入多通道比较器。 

图6是一种基于探测器阵列的流式颗粒物测量仪的多路比较电路图，采用电子开关的方式逐路选择16路光电放大的信号，并进入多通道比较器。 

多通道的比较器采用比较电路的方式与每个CMPIN进行比较，当CMPIN电压小于Refi时，比较输出为低电平，该通道计数增加，在本实施例中采用多路集成运放LM339构成比较器电路U9，多路参考电压Refi由单片机控制Max518输出模拟电压DAOUT，再由多路分压电路(P6和R21分压输出Ref1、P9和R24分压输出Ref2、P11和R28分压输出Ref3、P13和R30分压输出Ref4)对DAOUT进行分压构成。 

设置不同的参考电压Refi分别对应不同粒度的粒子，本实施例中的参考电压后的比较器输出分别对应≥1μm、≥2μm、≥5μm、≥10μm、≥20μm、≥30μm、≥50μm、≥70μm、≥100μm、≥150μm、≥200μm、≥300μm、≥400μm、500μm、1000um。 

图7是一种基于探测器阵列的流式颗粒物测量仪的恒亮度光源的一种电路图，采用恒流源的方式使得经过光源的电流恒定，从而保证光源亮度恒定，通过U1的线性稳压器将光源的供电电压稳定，由于某种原因电压升高(降低)时，经过NPN电路的C端(集电极端)的电流相应增加(减小)，从而在R5上的电压降将升高(降低)，从而保证JP1(光源两端)电压恒定。 

Claims (6)

1.一种基于探测器阵列的流式颗粒物测量仪，其特征在于，包含：

光学测量装置，采用光学方法检测不同尺寸的颗粒物数量。

电路模块，将光学测量模块的信号转化为不同尺寸等级的颗粒物的计数脉冲。

控制及显示装置，采用微控制器控制蠕动泵对液体进行在线取样，控制电机搅拌液体使其均匀。

2.根据权利要求1所述一种基于探测器阵列的流式颗粒物测量仪，其特征在于：

采用光阻法探测不同粒度粒子的数量，采用光电探测器阵列17探测不溶性颗粒物经过光阻法传感器后的光强。

3.根据权利要求2所述一种基于探测器阵列的流式颗粒物测量仪的光学测量装置中探测器阵列17，其特征在于：

探测器阵列17由多个探测器单元构成。

4.根据权利要求2所述一种基于探测器阵列的流式颗粒物测量仪的光学测量装置，光源5经过透镜6后变成平行平行光束，经过光阑7获取均匀的平行光照射在液体2上，透过液体2的光被扩束镜16扩束后照射在光电探测器阵列17上，扩束镜将通过狭缝的透射光的截面尺寸放大，投射到探测器阵列17上，其特征在于：

探测器阵列17的每个探测器单元对应光学敏感区域的某段狭小部分的平行光，将待测液通过的光学敏感区域分成若干个(和探测器单元数相同)子光学敏感区域，每个探测器单元的透射光的强度反映了待测液在子光学敏感区域的粒子的遮光特性，多个探测器单元可构成线性的探测器阵列，也可排成面阵探测器阵列。

5.根据权利要求1所述一种基于探测器阵列的流式颗粒物测量仪的电路模块，其特征在于：

包含光电探测器阵列中对应探测单元的信号放大模块、探测单元逐路选择模块、不同粒度粒子的比较模块。

6.根据权利要求1所述一种基于探测器阵列的流式颗粒物测量仪的控制及显示装置，采用微控制器的方式控制光源使其恒定光强、控制蠕动泵和搅拌电机；记录不同探测单元的透射光强度；以及与上位机通信，实现1um-1000um粒度范围内不同等级的粒子数记数。