CN105115880B - 高精度光电尘埃颗粒检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度光电尘埃颗粒检测装置及其方法，照明光路包括光源、第一掩膜及第一透镜，射光收集系统包括第二透镜、第二掩膜及感光元件，第一掩膜和第二掩膜上开设有呈“吕”字形设置的透光通道；测量腔包括上下对称叠合设置的第一光敏感区域及第二光敏感区域，第一光敏感区域的边长小于第二光敏感区域，第一光敏感区域与第二光敏感区域的厚度均大于最大可测量粒径，且第一光敏感区域与第二光敏感区域之间设有间隙d。本实用可有效地消除边界效应带来的误差，以相对简单可靠的系统达到较高的测量精度、低成本、可精确检测小尺寸的空气颗粒。

Description

高精度光电尘埃颗粒检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及尘埃粒子检测技术领域，特别涉及一种高精度光电尘埃颗粒检测装置及检测方法。

背景技术

光电尘埃粒子检测基本原理是光学传感器的探测光电经尘埃粒子散射后被光敏元件接收并产生脉冲信号，该脉冲信号被输出并放大，然后进行数字信号处理，通过与标准粒子信号进行比较，将对比结果用不同的参数表示出来。空气中的微粒在光的照射下会发生光散射。光散射和微粒大小、光波波长、微粒折射率及微粒对光的吸收特性等因素有关。但是就散射光强度和微粒大小而言，微粒散射光的强度随微粒的表面积增加而增大。这样只要测定散射光的强度就可推知微粒的大小，实际上，每个粒子产生的散射光强度很弱，是一个很小的光脉冲，需要通过光电转换器的放大作用，把光脉冲转化为信号幅度较大的电脉冲，然后再经过电子线路的进一步放大和甄别，从而完成对大量电脉冲的计数工作。此时，电脉冲数量对应于微粒的个数，电脉冲的幅度对应于微粒的大小。检测装置会有一测量腔是进行微粒观测的空间，被采集的空气要从测量腔内穿过。仪器的光学系统使光源经透镜、狭缝照射到测量腔中，形成一个光敏感区。当空气中的尘埃通过光敏感区时，会散射出一部分光能量，被与入射光成一角度的集光透镜收集，再投射到光检测器上。然而现今市场上的光散射式光电尘埃粒子检测装置，普遍存在如下问题：a、当尘埃边缘通过光敏感区时，会被判定为比实物更小的尘埃。b、脉冲信号判断不清晰。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种可有效地消除边界效应带来的误差，以相对简单可靠的系统达到较高的测量精度、低成本、可精确检测小尺寸的空气颗粒的高精度光电尘埃颗粒检测装置。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种高精度光电尘埃颗粒检测装置，包括照明光路、测量腔、与照明光路的中心轴线垂直设置的气路系统、用于将散射光进行反射的反射镜、散射光收集系统及处理器，所述的照明光路包括光源、第一掩膜及用于聚焦的第一透镜，所述的散射光收集系统包括第二透镜、第二掩膜及用于产生电脉冲的感光元件，所述的第一掩膜和第二掩膜上开设有呈“吕”字形设置的透光通道；所述的测量腔包括上下对称叠合设置的第一光敏感区域及第二光敏感区域，所述的第一光敏感区域的边长小于所述的第二光敏感区域，所述的第一光敏感区域与第二光敏感区域的厚度均大于最大可测量粒径，且所述的第一光敏感区域与第二光敏感区域之间设有间隙d。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明相比传统单个测试区域光敏感区粒子计数器相比，效消除了测量区域光敏感区的边界效应。(边界效应：即当粒子部分穿过边界时，计数器只能按穿过部分计数并判定粒子尺寸，导致部分大尺寸粒子被错误判定为小尺寸粒子从而影响结果的准确性)。而本发明仅需一个光检测元件，通过上、下对称叠合大致成“吕”字形两光敏感区，以使得当粒子穿过时，能够产生独立的脉冲信号，便于后端处理器测量与识别，有效地消除边界效应带来的误差，以相对简单可靠的系统达到较高的测量精度，成为高精度、低成本、小尺寸的空气颗粒测量装置。

附图说明

图1为本发明高精度光电尘埃颗粒检测装置的结构示意图。

图2为本发明高精度光电尘埃颗粒检测装置的立体结构示意图。

图3为粒子穿过第一光敏感区域及第二光敏感区域的三种情况的结构示意图(横截面为正方形)。

图4为第一光敏感区域及第二光敏感区域的横截面示意图(矩形)。

图5为第一光敏感区域及第二光敏感区域的横截面示意图(菱形)。

图6为第一光敏感区域及第二光敏感区域的横截面示意图(平行四边形)。

图7为Ⅰ类粒子产生的波形图。

图8为Ⅱ类粒子产生的波形图。

图9为Ⅲ类粒子产生的波形图。

图10为单分散粒子的粒子分布对比图。

图11为多分散粒子的粒子分布对比图。

图1-2中：1光源、2第一掩膜、3第一透镜、4测量腔、4.1第一光敏感区域、4.2第二光敏感区域、5反射镜、6第二透镜、7第二掩膜、8感光元件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步描述。

如图1、2所示，一种高精度光电尘埃颗粒检测装置，包括照明光路、测量腔4、与照明光路的中心轴线垂直设置的气路系统、用于将散射光进行反射的反射镜5、散射光收集系统及处理器，所述的照明光路包括光源1、第一掩膜2及用于聚焦的第一透镜3，所述的散射光收集系统包括第二透镜6、第二掩膜7及用于产生电脉冲的感光元件8，所述的第一掩膜2和第二掩膜7上开设有呈“吕”字形设置的透光通道；所述的测量腔4包括上下对称叠合设置的第一光敏感区域4.1及第二光敏感区域4.2，所述的第一光敏感区域4.1的边长小于所述的第二光敏感区域4.2，所述的第一光敏感区域4.1与第二光敏感区域4.2的厚度均大于最大可测量粒径，且所述的第一光敏感区域4.1与第二光敏感区域4.2之间设有间隙d。

如图3、4、5、6所示，从俯视图上看，第一光敏感区域4.1及第二光敏感区域4.2上下叠合设置，且第一光敏感区域4.1及第二光敏感区域4.2的中心O相重合，也就是说，第一光敏感区域4.1及第二光敏感区域4.2是关于中心O对称设置的。

关于第一掩膜2和第二掩膜7上开设有呈“吕”字形设置的透光通道，是指第一掩膜2和第二掩膜7上均开设有上、下叠合的呈“吕”字形(上下叠合的两长方形)的透光通道，通过反射镜的反射形成上、下对称叠合成的两光敏感区。

且上述所提到的最大可测量粒径是指采用光电尘埃颗粒检测装置所测的粒径的最大值。

所述的第一光敏感区域4.1的边长大于最大可测量粒径，且小于极限浓度下单个粒子所占据正方体空间的边长；第二光敏感区域4.2与第一光敏感区域4.1的边长之差大于最大可测量粒径的两倍。所述的第一光敏感区域4.1与第二光敏感区域4.2的厚度以及间隙d之和为小于或等于第一光敏感区域4.1的边长。

上述的极限浓度具体是指测量的单位空间内粒子的极限数量，每台设备都有出厂设定的极限浓度。光散射式光电尘埃粒子检测装置的一个关键理论基础是尘埃粒子是逐个通过一个被控制在非常小的测量区域，在这个测量区域内有且仅有一个粒子穿越通过。故利用该理论的设定结合上述限定，行业技术人员可以根据需要，自行对第一光敏感区域4.1及第二光敏感区域4.2的边长进行设置。而规定第一光敏感区域4.1与第二光敏感区域4.2的厚度以及间隙d之和为小于或等于第一光敏感区域4.1的边长，则是为了避免同时两个粒子同时存在于测量腔，从而影响计数精度。

第一光敏感区域4.1及第二光敏感区域4.2均呈平行六面体状，第一光敏感区域4.1及第二光敏感区域4.2的横截面为两组对边分别平行的四边形。

图3-6为粒子穿过第一光敏感区域及第二光敏感区域的三种情况的结构示意图，其截面为对边分别平行的四边形，可能的形式为图3正方形、图4不等边的矩形、图5对角线不相等的菱形或图6不等边不垂直的平行四边形的一种。

在本具体实施例中，所述的第一光敏感区域4.1及第二光敏感区域4.2的横截面均为正方形(如图3所示)，且所述的第一光敏感区域4.1的边长为80μm，所述的第二光敏感区域4.2的边长为120μm，且所述的第一光敏感区域4.1域与第二光敏感区域4.2域的厚度h为35μm，d为10μm。

一种高精度光电尘埃颗粒检测方法，它包括以下步骤：

1、光线从光源中射出，并经第一掩膜后变成“吕”字形，再经第一透镜聚焦后入射至测量腔；

2、气流从气路系统的通道垂直进入测量腔的第一光敏感区域及第二光敏感区域，气流中夹带的颗粒物在光线的照射下，发生散射，产生散射光；

3、散射光经反射镜反射后，再经第二透镜扩束后穿过透光通道为“吕”字形的第二掩膜，并照射至感光元件并产生电脉冲。

根据颗粒在上述步骤2中从上至下穿越第一光敏感区域及第二光敏感区域分为三个情况，a、Ⅰ类粒子从上至下依次穿越第一光敏感区域及第二光敏感区域；b、Ⅱ类粒子沿第一光敏感区域的边界经过后再穿越第二光敏感区域；c、Ⅲ类粒子不经过第一光敏感区域，仅穿过第二光敏感区域；

其中，上述步骤3中粒子产生的脉冲波形分为三种：Ⅰ类粒子产生的脉冲为在Δt内产生的两个幅度和宽度都相同的脉冲波形，且U₁＝U₂；Ⅱ类粒子产生的脉冲为Δt内产生的两个幅度不同，宽度相同的脉冲波形，且U₁<U₂；Ⅲ类粒子产生的脉冲波形只有单个U₂；

其中，U₁表示粒子穿越第一光敏感区域时产生的脉冲幅值电压，U₂表示粒子穿越第二光敏感区域时产生的脉冲幅值电压；间隔时间为Δt＝(h+d)/v，h为第一光敏感区域及第二光敏感区域的厚度，d为第一光敏感区域及第二光敏感区域之间的间隙，v为空气进入测量腔的固定流速。

处理器根据以下规则处理脉冲，a)Ⅰ类粒子脉冲根据U₁＝U₂判定粒子直径，计入相应尺寸类别并存储；b)Ⅱ类粒子脉冲根据U₂判定粒子直径，计入相应尺寸类别并存储；c)Ⅲ类粒子脉冲为无效信号，不予存储。

如图1-2所示，本发明的工作原理可简述为：光源光线经过掩膜以后变成“吕”字形，再经第一透镜聚焦后垂直入射到气流通道，并通过测量腔中第一光敏感区域及第二光敏感区域，当尘埃跟随气流通过光敏感区后，光线照射到尘埃粒子，产生散射光，尘埃粒子的散射光经反射镜反射，再经透镜扩束后穿过透光通道为“吕”字形掩膜，并照射到感光元件使之产生电脉冲。

在本具体实施例中，测量区域由厚度相同两部分组成，第一光敏感区域正方形边长较小，边长80μm，厚度40μm，第一光敏感区域I边长较大，边长120μm，厚度35μm，并水平方向上完全覆盖上部区域，第一光敏感区域及第二光敏感区域之间的间d为10μm，示意如图3所示。

设定带有尘埃粒子的空气以恒定的流速进入光敏感区，示意图中标示的三个圆圈分别代表三种不同位置进入光敏感区的粒子，从正视图上看是从上往下穿越第一光敏感区域和第二光敏感区域，在一定时间间隔内将产生两个脉冲信号，该时间间隔由固定流速及两个光敏感区的厚度决定，时间间隔定义式为：Δt＝(h+d)/v

其中h为光敏感区的厚度，d为两个光敏感区的间隙，v为空气进入敏感区的固定流速。

产生的脉冲波形情况如下：粒子Ⅰ完全地穿过两个光敏感区内部，在一定的时间间隔内将产生两个幅度和脉宽都相同的脉冲，U1＝U2，U1、U2分别表示粒子穿越第一光敏感区域和第二光敏感区域时产生的脉冲幅值电压，波形如图7所示。粒子II先沿着第一光敏感区域的边界经过，后完整穿越第二光敏感区域，这种情况下在一定时间间隔内先后产生将出现幅度不同，脉宽相同的脉冲，U1<U2，波形如图8所示。粒子Ⅲ不经过第一光敏感区域，整体或部分穿过第二光敏感区域，穿越第一光敏感区域时不产生脉冲，穿越第二光敏感区域时产生单个脉冲U2，波形如图9所示。

由于第一光敏感区域及第二光敏感区域之间的间隙d存在，粒子经过两个区域时，两个脉冲被有效区分开来，准确度较高。对于尺寸超大的粒子直径大于35μm，即PM35以上，此装置无法有效消除所有边界效应，通常的空气检测都在PM10以下才有必要，真正影响空气质量的粒子通常为PM10以下，因此，本装置对通常状况空气质量检测，精度足够高。实际设计装置时，如果d过小则二个脉冲就会相连，不能有效分离便于判断；如果d过大会导致上下光敏感区厚度小于测量粒径，测量精度降低。

分别利用2μm单分散的气溶胶和1μm～10μm的多分散气溶胶创建测试环境对传统方法和本发明提供的方法进行比较测试。其正态累计分布图10和图11所示：

图中虚线部分为用传统方法检测的粒子累计分布曲线，实线部分为用本发明方法检测的粒子累计分布曲线。

由图10可知，对粒径单一的单分散粒子，本装置在更小的脉冲幅度范围内识别粒子，分辨率明显高于传统装置；

由图11可知，对粒径连续分布的多分散粒子，传统装置由于无法避免边界效应，部分大粒径的粒子经过边界区域时会被误记为小粒径粒子，故粒子整体分布会向粒径小的方向偏移，得益于本装置的巧妙设计，所有有效记录的脉冲幅度都反映真实粒子大小，粒子分布更加接近真实值。

本发明中所提到感光元件，可以为半导体光敏元件，分为光导型和光生伏打型。光导型即光敏电阻，是一种半导体均质结构；光生伏打型包括光电二极管、光电三极管、光电池、光电场效应管和光控可控硅等件。

以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明保护范围内。

Claims (7)

1.一种高精度光电尘埃颗粒检测装置，包括照明光路、测量腔(4)、与照明光路的中心轴线垂直设置的气路系统、用于将散射光进行反射的反射镜(5)、散射光收集系统及处理器，其特征在于：所述的照明光路包括光源(1)、第一掩膜(2)及用于聚焦的第一透镜(3)，所述的散射光收集系统包括第二透镜(6)、第二掩膜(7)及用于产生电脉冲的感光元件(8)，所述的第一掩膜(2)和第二掩膜(7)上开设有呈“吕”字形设置的透光通道；所述的测量腔(4)包括上下对称叠合设置的第一光敏感区域(4.1)及第二光敏感区域(4.2)，所述的第一光敏感区域(4.1)的边长小于所述的第二光敏感区域(4.2)，所述的第一光敏感区域(4.1)与第二光敏感区域(4.2)的厚度均大于最大可测量粒径，且所述的第一光敏感区域(4.1)与第二光敏感区域(4.2)之间设有间隙d。

2.根据权利要求1所述的高精度光电尘埃颗粒检测装置，其特征在于：所述的第一光敏感区域(4.1)的边长大于最大可测量粒径，且小于极限浓度下单个粒子所占据正方体空间的边长；第二光敏感区域(4.2)与第一光敏感区域(4.1)的边长之差大于最大可测量粒径的两倍。

3.根据权利要求2所述的高精度光电尘埃颗粒检测装置，其特征在于：所述的第一光敏感区域(4.1)与第二光敏感区域(4.2)的厚度以及间隙d之和小于或等于第一光敏感区域(4.1)的边长。

4.根据权利要求1所述的高精度光电尘埃颗粒检测装置，其特征在于：所述的第一光敏感区域(4.1)及第二光敏感区域(4.2)均呈平行六面体状，所述的第一光敏感区域(4.1)及第二光敏感区域(4.2)的横截面为对边分别平行的四边形。

5.利用权利要求1所述的高精度光电尘埃颗粒检测装置进行的检测方法，其特征在于：它包括以下步骤：

1)、光线从光源中射出，并经第一掩膜后变成“吕”字形，再经第一透镜聚焦后入射至测量腔；

2)、气流从气路系统的通道垂直进入测量腔的第一光敏感区域及第二光敏感区域，气流中夹带的颗粒物在光线的照射下，发生散射，产生散射光；

3)、散射光经反射镜反射后，再经第二透镜扩束后穿过透光通道为“吕”字形的第二掩膜，并照射至感光元件并产生电脉冲。

6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于：根据颗粒在上述步骤2)中从上至下穿越第一光敏感区域及第二光敏感区域分为三个情况，a、Ⅰ类粒子从上至下依次穿越第一光敏感区域及第二光敏感区域；b、Ⅱ类粒子沿第一光敏感区域的边界经过后再穿越第二光敏感区域；c、Ⅲ类粒子不经过第一光敏感区域，仅穿过第二光敏感区域；

上述步骤3中粒子产生的脉冲波形分为三种：Ⅰ类粒子产生的脉冲为在Δt内产生的两个幅度和宽度都相同的脉冲波形，且U₁＝U₂；Ⅱ类粒子产生的脉冲为Δt内产生的两个幅度不同，宽度相同的脉冲波形，且U₁<U₂；Ⅲ类粒子产生的脉冲波形只有单个U₂；

其中，U₁表示粒子穿越第一光敏感区时产生的脉冲幅值电压，U₂表示粒子穿越第二光敏感区时产生的脉冲幅值电压；间隔时间为Δt＝(h+d)/v，h为第一光敏感区域及第二光敏感区域的厚度，d为第一光敏感区域及第二光敏感区域之间的间隙，v为空气进入测量腔的固定流速。

7.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于：处理器根据以下规则处理脉冲，a)Ⅰ类粒子脉冲根据U₁＝U₂判定粒子直径，计入相应尺寸类别并存储；b)Ⅱ类粒子脉冲根据U₂判定粒子直径，计入相应尺寸类别并存储；c)Ⅲ类粒子脉冲为无效信号，不予存储。