CN105466821B - 光纤尘埃粒子传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种抗干扰、小型化、结构简单、信噪比高、粒径分辨率高、采样流量大、使用寿命长的光纤尘埃粒子传感器，传感器内部设有入射光纤、出射光纤、光纤支架、柱面反射扩束镜、暗盒、吸收层和微型透镜，光敏区下方设有柱面透镜、子遮光罩、微型透镜和出射光纤，五个微型透镜和五根出射光纤组成分立式感光部件，同一时刻能够分析出1～3个粒子，传感器省略了传感器内部的一部分体积较大的透镜、光阑和前置放大电路，消除了传感器部分的50工频干扰、缩短了照明主光束的长度，缩减了传感器的体积，增强了照明主光束在光敏区的均匀度，降低了尘埃粒径和尘埃数量的误判概率，提高了传感器的粒径分辨率和单位时间内的采样流量。
Description
技术领域
本发明涉及一种尘埃粒子传感器，尤其涉及一种光纤式、大流量、高分辨率的尘埃粒子计数器，属于空气洁净度检测技术领域。
背景技术
现代工业技术，尤其是精密加工行业，如照相机生产、芯片制造、液晶屏加工和汽车喷漆等都需要有一个洁净度非常高的空气环境，如何检测这种空气环境需要有相关的测试手段，目前，国内外在这方面有较多的产品和专利申请，但这些产品和专利普遍存在一些不足：一是传感器的体积较大，不便携带；二是采样流量受限，采样流量一般均在50L/min以内；三是存在小概率误判，对同时进入光敏区的两个粒径较小的粒子可能误判成一个粒径较大的粒子，这是由于感光元件是一个整体的原因造成；四是容易受到环境50Hz工频干扰，这是由于传感器内部有放大电路和电缆线造成。
发明内容
本发明的目的在于提供一种小型化、结构简单、信噪比高、粒径分辨率高、采样流量大、使用寿命长和抗干扰强的光纤尘埃粒子传感器。
本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案实现的：光纤尘埃粒子传感器包括入射光纤1、第一光纤护套2、出射光纤3、第二光纤护套4、进气管5、传感器外壳6、出气管7、光纤支架8、入射光9、主光束10、柱面反射扩束镜11、暗盒12、准直器13、球面反射镜14、反射光15、光敏区16、出射光阑17、吸收层18、光陷阱19、支架20、主遮光罩21、子遮光罩22、微型透镜23、透镜支架24、底座25、柱面透镜26、激光源27、信号处理板28和光纤尘埃粒子分析主机29；激光源27、入射光纤1、柱面反射扩束镜11、准直器13、主光束10和光敏区16构成照明机构，进气管5和出气管7构成气路机构，柱面透镜26、球面反射镜14、反射光15、微型透镜23、出射光纤3和信号处理板28构成测量机构，主光束10和气路机构相互垂直构成直角散射型光学系统；
传感器外壳6内部设有入射光纤1、出射光纤3、光纤支架8、柱面反射扩束镜11、暗盒12、准直器13、出射光阑17、吸收层18、光陷阱19、支架20、球面反射镜14、柱面透镜26、主遮光罩21、子遮光罩22、微型透镜23、透镜支架24和底座25，传感器外壳6外部设有第一光纤护套2、第二光纤护套4、激光源27、信号处理板28和光纤尘埃粒子分析主机29，主光路前进方向上依次为激光源27、入射光纤1、入射光9、柱面反射扩束镜11、主光束10、准直器13、光敏区16、出射光阑17、光陷阱19、吸收层18，光敏区16发出的散射光分两路，一路向下，由柱面透镜26聚焦，一路向上，由球面反射镜14聚焦，两路聚焦后的光投射在微型透镜23的顶面，经微型透镜23汇聚后通过出射光纤3输送到信号处理板28；
主光束10的中心线、反射光15的中心线、进气管5和出气管7的中心线三者之间互相垂直，进气管5和出气管7位于光敏区16的两侧，进气管5和出气管7缝隙中的气流与主光束10的相交部分形成光敏区16，光敏区16的上方设有一个球面反射镜14，光敏区16的下方设有一个柱面透镜26、一个主遮光罩21、四个子遮光罩22、五个微型透镜23和五根出射光纤3，五个微型透镜23和五根出射光纤3组成分立式感光部件，微型透镜23的外部设置一个透镜支架24，透镜支架24设置在底座25的上方；
柱面反射扩束镜11的外部设有一个暗盒12，暗盒12、传感器外壳6和光陷阱19的内侧均为黑色磨砂面，光陷阱19的内部设有一层吸收层18，吸收层18为黑色细绒布，入射光纤1和出射光纤3的纤芯直径为200μm，包层外径为230μm，为塑料阶跃型光纤，柱面反射扩束镜11的反射面为镜面不锈钢，微型透镜23的顶面为长方形球面，底面为圆形平面，圆形的直径与出射光纤3的纤芯直径相匹配，为200μm，从长方形到圆形有过渡，微型透镜23的顶面和底面都有一层氟化镁镀膜。
由于采用上述技术方案，本发明所具有的优点和积极效果是：传感器内部采用光纤传感和分立式感光后，省略了一部分体积较大的透镜、光阑和前置放大电路，消除了传感器部分的50Hz工频干扰、缩短了照明主光束的长度，减少了主光束的散射，缩减了传感器的体积，增强了照明主光束在光敏区的均匀度，降低了尘埃粒径和尘埃数量的误判概率，提高了传感器的粒径分辨率和单位时间内的采样流量。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明有如下10幅附图：
图1是本发明光纤尘埃粒子传感器外形正视图，
图2是本传感器外形仰视图，
图3是本传感器正视剖视图A-A，
图4是本传感器主要光路图，
图5是本传感器仰视剖视图B-B，
图6是本传感器俯视剖视图C-C，
图7是本传感器主遮光罩、子遮光罩、微型透镜、透镜支架的正视图，
图8是本传感器主遮光罩、子遮光罩、微型透镜的正视图，
图9是本传感器微型透镜立体图，
图10是本传感器系统图。
1.入射光纤，2.第一光纤护套，3.出射光纤，4.第二光纤护套，5.进气管，6.传感器外壳，7.出气管，8.光纤支架，9.入射光，10.主光束，11.柱面反射扩束镜，12.暗盒，13.准直器，14.球面反射镜，15.反射光，16.光敏区，17.出射光阑，18.吸收层，19.光陷阱，20.支架，21.主遮光罩，22.子遮光罩，23.微型透镜，24.透镜支架，25.底座，26.柱面透镜，27.激光源，28.信号处理板，29.光纤尘埃粒子分析主机。
具体实施方式
1.根据图1至图6、图10，光纤尘埃粒子传感器包括入射光纤1、第一光纤护套2、出射光纤3、第二光纤护套4、进气管5、传感器外壳6、出气管7、光纤支架8、入射光9、主光束10、柱面反射扩束镜11、暗盒12、准直器13、球面反射镜14、反射光15、光敏区16、出射光阑17、吸收层18、光陷阱19、支架20、主遮光罩21、子遮光罩22、微型透镜23、透镜支架24、底座25、柱面透镜26、激光源27、信号处理板28和光纤尘埃粒子分析主机29，激光源27、入射光纤1、柱面反射扩束镜11、准直器13、主光束10和光敏区16构成照明机构，进气管5和出气管7构成气路机构，柱面透镜26、球面反射镜14、反射光15、微型透镜23、出射光纤3和信号处理板28构成测量机构，主光束10和气路机构相互垂直构成直角散射型光学系统。
2.根据图3和图10，传感器外壳6内部设有入射光纤1、出射光纤3、光纤支架8、柱面反射扩束镜11、暗盒12、准直器13、出射光阑17、吸收层18、光陷阱19、支架20、球面反射镜14、柱面透镜26、主遮光罩21、子遮光罩22、微型透镜23、透镜支架24和底座25，传感器外壳6外部设有第一光纤护套2、第二光纤护套4、激光源27、信号处理板28和光纤尘埃粒子分析主机29，主光路前进方向上依次为激光源27、入射光纤1、入射光9、柱面反射扩束镜11、主光束10、准直器13、光敏区16、出射光阑17、光陷阱19、吸收层18，光敏区16发出的散射光分两路，一路向下，由柱面透镜26聚焦，一路向上，由球面反射镜14聚焦，两路聚焦后的光投射在微型透镜23的顶面，经微型透镜23汇聚后通过出射光纤3输送到信号处理板28。
3.根据图4至图6，主光束10的中心线、反射光15的中心线、进气管5和出气管7的中心线三者之间互相垂直，进气管5和出气管7位于光敏区16的两侧，进气管5和出气管7缝隙中的气流与主光束10的相交部分形成光敏区16，光敏区16的上方设有一个球面反射镜14，光敏区16的下方设有一个柱面透镜26、一个主遮光罩21、四个子遮光罩22、五个微型透镜23和五根出射光纤3，根据图7和图8，五个微型透镜23和五根出射光纤3组成分立式感光部件，微型透镜23的外部设有透镜支架24，透镜支架24设置在底座25的上方，五个微型透镜23和五根出射光纤3的编号由左向右依次为一号、二号、三号、四号和五号。
4.根据图3，柱面反射扩束镜11的外部设有一个暗盒12，暗盒12、传感器外壳6和光陷阱19的内侧均为黑色磨砂面，光陷阱19的内部设有一层吸收层18，吸收层18为黑色细绒布，入射光纤1和出射光纤3的纤芯直径为200μm，包层外径为230μm，为塑料阶跃型光纤，柱面反射扩束镜11的反射面为镜面不锈钢，根据图9，微型透镜23的顶面为长方形球面，尺寸为1.5×0.7mm2，底面为圆形平面，圆形的直径与出射光纤3的纤芯直径相匹配，为200μm，从长方形到圆形有过渡，高度为3mm，微型透镜23的顶面和底面都有一层氟化镁镀膜。
5.根据图3，暗盒12用于消除入射光9、主光束10和柱面反射扩束镜11向外散射光，暗盒12、传感器外壳6和光陷阱19内侧的黑色磨砂面用于吸收腔内的散射杂光，吸收层18用于增强光陷阱19的消光能力，主遮光罩21用于阻挡横向杂散光，子遮光罩22的作用是：尘埃粒子进入光敏区16时，尘埃粒子的散射光分别在柱面透镜26和球面反射镜14的聚焦作用下，正确地成像在具体编号的微型透镜23顶面上，防止其散射光干扰临近的微型透镜23。
6.根据图3，准直器13设置在暗盒12上，暗盒12设置在光纤支架8上，出射光阑17设置在光陷阱19上，光陷阱19设置在支架20上，光纤支架8和支架20设置在底座25上。
7.根据图1、图5和图6，进气管5和出气管7在传感器外壳6外面的部分为圆管形，内径为1mm，进气管5和出气管7在靠近光敏区16的部分为长方形扁平嘴结构，嘴口的内尺寸为0.5×1.5mm2，进气管5和出气管7位于光敏区16的两侧，相距5mm，主光束10在光敏区16处的截面尺寸为0.2×0.6mm2，进气管5和出气管7缝隙中的气流与主光束10的相交部分是光敏区16，光敏区16的尺寸为0.2×0.5×1.5mm3。
8.传感器工作时，进气管5通过软管接尘埃粒子采样标本，出气管7通过软管接抽气泵，接通光纤尘埃粒子分析主机29的电源，使整个系统工作，调整抽气泵的转速，使进气管5和出气管7缝隙中的气体流量符合规定要求；激光源27为固体半导体激光器，功率为20mW，从激光源27产生的激光由入射光纤1引入到所述的传感器中，入射光纤1发出的入射光9经柱面反射扩束镜11的90°反射且扩束后形成主光束10，主光束10经准直器13准直后，经过光敏区16和出射光阑17后进入光陷阱19，经吸收层18和光陷阱19的吸收后，消除了光的反射和杂散光的产生；尘埃粒子通过进气管5和出气管7缝隙中的光敏区16时，在主光束10的照射下产生散射光，散射光一路向下，由柱面透镜26聚焦，一路向上，由球面反射镜14聚焦，两路聚焦后的光把光敏区中的尘埃粒子成像在微型透镜23的顶面上，柱面透镜26和球面反射镜14的成像方向一致，根据成像原理，位于光敏区16正中位置的尘埃粒子成像在3号微型透镜23上，位于光敏区16右侧位置的尘埃粒子成像在1号微型透镜23上，位于光敏区16左侧位置的尘埃粒子成像在5号微型透镜23上，成像方向与物体方向相反，两个成像后的光经微型透镜23汇聚后通过出射光纤3输送到信号处理板28中处理和分析。
9.当尘埃粒子的粒径较小时，所产生的散射光较少，出射光纤3收集到的光强较弱；当尘埃粒子的粒径较大时，所产生的散射光较多，出射光纤3收集到的光强较大；当两个或三个尘埃粒子同时进入光敏区16时，如果尘埃粒子在光敏区16中所处的位置不同，则发出的散射光经过柱面透镜26和球面反射镜14的聚焦、子遮光罩22的防干扰以及微型透镜23的分立式感光，光敏区16中不同位置的尘埃粒子就成像在不同编号的微型透镜23上，经相应编号出射光纤3的传递，由信号处理板27处理和分析，判断出尘埃粒子的直径和数量；如果五根出射光纤3中相邻的两根光纤例如一号与二号同时有信号，就判断为一个粒子，如果不相邻的两根光纤例如二号与四号同时有信号，就判断为是两个粒子，如果不相邻的三根出射光纤3同时有信号，就判断为是三个粒子，由于传感器能在同一时刻分析出1～3个粒子，所以传感器的采样流量明显增大。
10.本传感器主体的外形尺寸为φ60×90mm，采样流量为80L/min。
Claims (3)
1.一种光纤尘埃粒子传感器，包括入射光纤(1)、第一光纤护套(2)、出射光纤(3)、第二光纤护套(4)、进气管(5)、传感器外壳(6)、出气管(7)、光纤支架(8)、入射光(9)、主光束(10)、柱面反射扩束镜(11)、暗盒(12)、准直器(13)、球面反射镜(14)、反射光(15)、光敏区(16)、出射光阑(17)、吸收层(18)、光陷阱(19)、支架(20)、主遮光罩(21)、子遮光罩(22)、微型透镜(23)、透镜支架(24)、底座(25)、柱面透镜(26)、激光源(27)、信号处理板(28)和光纤尘埃粒子分析主机(29)；
激光源(27)、入射光纤(1)、柱面反射扩束镜(11)、准直器(13)、主光束(10)和光敏区(16)构成照明机构，进气管(5)和出气管(7)构成气路机构，柱面透镜(26)、球面反射镜(14)、反射光(15)、微型透镜(23)、出射光纤(3)和信号处理板(28)构成测量机构，主光束(10)和气路机构相互垂直构成直角散射型光学系统；
其特征在于：传感器外壳(6)内部设有入射光纤(1)、出射光纤(3)、光纤支架(8)、柱面反射扩束镜(11)、暗盒(12)、准直器(13)、出射光阑(17)、吸收层(18)、光陷阱(19)、支架(20)、球面反射镜(14)、柱面透镜(26)、主遮光罩(21)、子遮光罩(22)、微型透镜(23)、透镜支架(24)和底座(25)，传感器外壳(6)外部设有第一光纤护套(2)、第二光纤护套(4)、激光源(27)、信号处理板(28)和光纤尘埃粒子分析主机(29)，主光路前进方向上依次为激光源(27)、入射光纤(1)、入射光(9)、柱面反射扩束镜(11)、主光束(10)、准直器(13)、光敏区(16)、出射光阑(17)、光陷阱(19)、吸收层(18)，光敏区(16)发出的散射光分两路，一路向下，由柱面透镜(26)聚焦，一路向上，由球面反射镜(14)聚焦，两路聚焦后的光投射在微型透镜(23)的顶面，经微型透镜(23)汇聚后通过出射光纤(3)输送到信号处理板(28)。
2.根据权利要求1所述的一种光纤尘埃粒子传感器，其特征在于：主光束(10)的中心线、反射光(15)的中心线、进气管(5)和出气管(7)的中心线三者之间互相垂直，进气管(5)和出气管(7)位于光敏区(16)的两侧，进气管(5)和出气管(7)缝隙中的气流与主光束(10)的相交部分形成光敏区(16)，光敏区(16)的上方设有一个球面反射镜(14)，光敏区(16)的下方设有一个柱面透镜(26)、一个主遮光罩(21)、四个子遮光罩(22)、五个微型透镜(23)和五根出射光纤(3)，五个微型透镜(23)和五根出射光纤(3)组成分立式感光部件，微型透镜(23)的外部设置一个透镜支架(24)，透镜支架(24)设置在底座(25)的上方；
柱面反射扩束镜(11)的外部设有一个暗盒(12)，暗盒(12)、传感器外壳(6)和光陷阱(19)的内侧均为黑色磨砂面，光陷阱(19)的内部设有一层吸收层(18)，吸收层(18)为黑色细绒布，入射光纤(1)和出射光纤(3)的纤芯直径为200μm，包层外径为230μm，为塑料阶跃型光纤，柱面反射扩束镜(11)的反射面为镜面不锈钢，微型透镜(23)的顶面为长方形球面，底面为圆形平面，圆形的直径与出射光纤(3)的纤芯直径相匹配，为200μm，从长方形到圆形有过渡，微型透镜(23)的顶面和底面都有一层氟化镁镀膜。
3.根据权利要求1所述的一种光纤尘埃粒子传感器，其特征在于：当尘埃粒子的粒径较小时，所产生的散射光较少，出射光纤(3)收集到的光强较弱；当尘埃粒子的粒径较大时，所产生的散射光较多，出射光纤(3)收集到的光强较大；当两个或三个尘埃粒子同时进入光敏区(16)时，如果尘埃粒子在光敏区(16)中所处的位置不同，则发出的散射光经过柱面透镜(26)和球面反射镜(14)的聚焦、子遮光罩(22)的防干扰以及微型透镜(23)的分立式感光，光敏区(16)中不同位置的尘埃粒子就成像在不同编号的微型透镜(23)上，经相应编号出射光纤(3)的传递，由信号处理板(27)处理和分析，判断出尘埃粒子的直径和数量；如果五根出射光纤(3)中相邻的两根光纤同时有信号，就判断为一个粒子，不相邻的两根光纤同时有信号，就判断为是两个粒子，不相邻的三根光纤同时有信号，就判断为是三个粒子。
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