CN105466822B - 气溶胶实时监测仪 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种生物和非生物气溶胶实时检测仪，包括：激光光源组件，用于发出激光光束并在待测气流的粒子激发位置产生线形激光光斑；密封式光电测量室；激光光源组件装配在密封式光电测量室后端的激光入射口；在密封式光电测量室内，待测气流与激光光源组件发出的激光光束前进方向光轴相交于线形激光光斑所在的粒子激发位置；散射光信号反射镜和荧光信号反射镜，以激光光源组件发出的激光光束和待测气流相交所形成之测量点为中心左右对侧对称放置；散射光信号探测器和荧光信号探测器，分别安装在荧光信号反射镜和散射光信号反射镜中心开孔的后方，分别用于探测穿过反射镜开孔的散射光信号和荧光信号；本发明具备在线监测能力、携行方便。

Description

气溶胶实时监测仪
技术领域
本发明涉及一种空气洁净度实时监测设备，可实现空气中尘埃粒子和生物粒子的浓度和粒径进行测量。
背景技术
许多行业，如医药、电子、精密机械、微生物等等，对其厂房、病房内空气洁净度有一个很高的要求，洁净空间的洁净级别通常有2个指标体系，其一为单位体积空气中的颗粒数，其二为单位体积空气中的微生物数量。其中，前一个指标多使用激光尘埃粒子计数器来测量；后一个指标多采用浮游菌采样器等仪器，对空气中的微生物进行采样，然后培养、计数，根据结果最终反推算出单位体积空气中微生物的数量。
对于空气中微生物指标的检测，采样培养法所耗时间和人力较多，尤其在对多个位置进行频繁测量时更是如此。此外，由于采样培养法并不是一种实时性的技术手段，无法实现在线监测式测量，其结果常需要24小时或者更多时间才能获得，这种滞后往往会给生产中的质控等环节带来较大困扰。为解决这一问题，很多新的技术先后涌现，其中最为广泛认可的是激光激发生物荧光探测技术。空气中的微生物（主要是细菌）内部一般含有核黄素、NADH、色氨酸、酪氨酸等荧光基团，在受到特殊波长的激光照射时，会发出特定波长的荧光，通过探测和分析相应荧光信号，可实现单个微生物的在线监测。该技术的代表性倡导者为Jim.Ho（美国专利，专利号5895922，Fluorescent biological particle detectionsystem），其先后使用脉冲激光器和连续输出式半导体激光器作为光源实现了空气中单个微生物的粒径、荧光参数的同步检测，但是其粒径数据基于空气动力学粒径原理推算，必须使用鞘流（sheath flow）进样形式，对待测气流进行约束，此外，必须对激光进行精密调节，以在待测粒子前进方向上形成2束平行光束，这就大大限制了其测量流量，增加了系统复杂度和体积重量。蒋箭平等（美国专利，专利号20070013910A1，Pathogen and particledetector system and method）采用连续输出式半导体激光器作为光源实现了单粒子散射粒径和荧光参数的同步检测，其利用粒子的前向散射光信号实现了粒径的度量，利用椭球面反射镜接收荧光信号实现了单粒子生物性的判别，由于其利用粒子的前向散射光作为测量对象之一，而激光在前向方向上能量较强，必须对光束进行衰减、吸收等精心处理，以消除其对散射光检测带来的影响；此外，在该专利中，由于光学测量与光信号收集的需要，椭球面底部必须开孔并使气流穿过椭球面反射镜的第1焦点，为了实现这一目的，反射镜必须有一定的口径，这就给仪器的小型化带来了一定的影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种具备在线监测能力、携行方便的气溶胶实时监测仪，能够在保证检测准确性的前提下，减小系统复杂度和体积/重量、降低仪器成本。本发明采用的技术方案是：
一种气溶胶实时检测仪，包括：
激光光源组件，用于发出激光光束，并在粒子激发位置产生线形激光光斑；
密封式光电测量室，用于通入待测气流，并形成密闭环境，防止外界环境光和粒子对检测结果产生影响；激光光源组件装配在密封式光电测量室后端的激光入射口并使得激光入射口气密封；在密封式光电测量室内，待测气流与激光光源组件发出的激光光束前进方向光轴相交于线形激光光斑所在的粒子激发位置；
散射光信号反射镜和荧光信号反射镜，以激光光源组件发出的激光光束和待测气流相交所形成之测量点为中心左右对侧放置；散射光信号反射镜和荧光信号反射镜各自的反射面位于密封式光电测量室内；其中，散射光信号反射镜和荧光信号反射镜分别用于收集待测气流中待测粒子受到激光光束照射后产生的散射光和荧光，并分别向对向反射；散射光信号反射镜和荧光信号反射镜各自的中心开孔，分别用于供对向反射而来的荧光和散射光穿过；
散射光信号探测器和荧光信号探测器，分别安装在荧光信号反射镜和散射光信号反射镜中心开孔的后方，分别用于探测穿过反射镜开孔的散射光信号和荧光信号；
消光反射镜，安装在密封式光电测量室前端的激光出射口，并保持激光出射口气密封；消光反射镜用于吸收部分激光，并将剩余激光反射至在消光反射镜一侧设置的光陷阱；
光陷阱，设置在消光反射镜一侧，吸收剩余激光。
进一步地，所述激光光源组件包括制冷片、光源电路板、用于产生激光的激光二极管、激光二极管位置调节架、光源结构固定块、球面镜、带通发射滤光片、镜组固定块、柱面镜、消光管；其中，球面镜、带通发射滤光片、柱面镜和消光管构成整形镜组；
球面镜和带通发射滤光片一后一前固定于镜组固定块；镜组固定块设于光源结构固定块内并能沿激光轴向调节位置；柱面镜位于带通发射滤光片正前方，安装在密封式光电测量室后端的激光入射口外侧，柱面镜安装位置前的激光入射口设有密封圈；消光管嵌入密封式光电测量室激光入射口内侧，位于柱面镜正前方；光源结构固定块固定在密封式光电测量室后端外侧；
激光二极管焊接于光源电路板上，光源电路板固定于激光二极管位置调节架；激光二极管位置调节架设置在光源结构固定块内，位于光源电路板前方，球面镜后方；激光二极管位置调节架能够在垂直于激光光轴平面内调节位置，从而使得激光二极管与整形镜组同轴心；
制冷片位于光源电路板后，与光源电路板接触。
更进一步地，激光二极管位置调节架至少两个侧向设有调节用的顶丝；顶丝位于光源结构固定块上。
更进一步地，激光二极管头部嵌入激光二极管位置调节架。
进一步地，在密封式光电测量室的垂直方向设有进气接头、进气喷嘴和出气接头组成气体通路；进气接头旋紧于进气喷嘴，进气喷嘴固定在密封式光电测量室上端，固定位置有密封圈嵌入进行气密封；出气接头固定在密封式光电测量室下端。
更进一步地，待测气流与激光光源组件发出的激光光束前进方向光轴正交；散射光信号反射镜和荧光信号反射镜以激光光源组件发出的激光光束和待测气流正交所形成之测量点为中心左右对侧水平对称放置；当待测气流离开进气喷嘴后，和散射光信号反射镜/荧光信号反射镜的光轴、激光前进方向光轴分别正交。
更优地，进气喷嘴前段伸入密封式光电测量室，进气喷嘴的末端收口呈扁圆形，收口的长轴和激光光束前进方向光轴平行。
进一步地，消光反射镜安装在反射镜固定托上，反射镜固定托密封地嵌入密封式光电测量室前端的激光出射口。
更进一步地，消光反射镜与激光光束前进方向呈45°夹角。
进一步地，荧光信号探测器前设有荧光信号滤色片。
本发明的优点在于：
1）采用双球面反射镜对称结构，一路用来测量生物粒子荧光，另一路测量粒子（包括尘埃粒子和生物粒子）散射光，相对于传统方案结构更加紧凑，便于实现设备小型化，利于装调。
2）激光光源组件的结构更合理，有利于形成能量集中的单一波长线形激光光斑，并可消除主光斑以外的杂散光，有利于实现生物粒子荧光的有效激发。
3）可实现空气中尘埃粒子和生物粒子的浓度和粒径进行测量。
附图说明
图1为本发明的结构组成示意图。
图2为图1的仰视图。
图3为图1的右视图。
图4为本发明的气路部分结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明提供一种气溶胶实时检测仪，如图1、图2、图3和图4所示，包括激光光源组件100、进气接头6、进气喷嘴7、密封式光电测量室8、消光反射镜9、反射镜固定托10、出气接头11、散射光信号探测器17、荧光信号探测器18、光陷阱19、荧光信号滤色片20、散射光信号反射镜21和荧光信号反射镜22；其中，激光光源组件100包括制冷片1、光源电路板2、激光二极管3、激光二极管位置调节架4、光源结构固定块5、球面镜16、带通发射滤光片15、镜组固定块14、柱面镜13、消光管12；
激光光源组件100中，球面镜16、带通发射滤光片15、柱面镜13和消光管12构成整形镜组；球面镜16和带通发射滤光片15一后一前固定于镜组固定块14；镜组固定块14设于光源结构固定块5内并能沿激光轴向调节位置，镜组固定块14与光源结构固定块5之间通过轴向调节螺丝进行调节，图1中未画出轴向调节螺丝；柱面镜13位于带通发射滤光片15正前方，安装在密封式光电测量室8后端的激光入射口外侧，柱面镜13安装位置前的激光入射口设有密封圈；消光管12嵌入密封式光电测量室8激光入射口内侧，位于柱面镜13正前方；消光管12的前段突入密封式光电测量室8；光源结构固定块5固定在密封式光电测量室8后端外侧；
激光二极管3焊接于光源电路板2上，光源电路板2固定于激光二极管位置调节架4；激光二极管位置调节架4设置在光源结构固定块5内，位于光源电路板2前方，球面镜16后方；激光二极管位置调节架4通过其侧向的位于光源结构固定块5上的顶丝，能够在垂直于激光光轴平面内调节激光二极管位置调节架4位置，从而带动调节激光二极管3与整形镜组同轴心；激光二极管位置调节架4至少两个侧向（总共上下左右四个侧向）设有调节用的顶丝；
制冷片1位于光源电路板2后，与光源电路板2接触。制冷片1可采用环形制冷片。
光源电路板2用于向激光二极管3供电，并作为热传导媒介将激光二极管3工作时发出的热量传到至环形制冷片1；激光二极管位置调节块4预留位置，可使激光二极管3头部嵌入其中，并紧密贴合，从而可将激光二极管工作时发出的热量传到至激光二极管位置调节块4；由激光二极管3发出的发散状激光光束首先通过球面镜16，球面镜16可将发散的激光光束整形至近似平行光；整形至近似平行光的激光光束继续向前传播，通过带通发射滤光片15，带通发射滤光片15可使激光二极管发出的选通波长范围内的理想波长激光通过，而其他波长的激光被截止，从而保证光源波长的单一性；整形至近似平行光的单一波长激光光束继续向前传播，通过柱面镜13，柱面镜13可将整形至近似平行光的单一波长激光光束压缩，从而在待测气流的粒子激发位置呈现出能量密度较为集中的线形激光光斑；在激光整形的过程中，可能在主光斑以外出现杂散光，从而干扰信号收集，使光电转换后的电路基线抬升，淹没有用的小信号，所以柱面镜13整形过后的激光光束通过消光管12，消光管12内壁采用几何形状对传播方向上的杂散光进行遮挡，并可采用锯齿、螺纹、雾面的形式消除杂散光；激光光束与气流正交，对气流中的粒子激发后继续向前传播，投射于消光反射镜9表面，从而将大部分的激光吸收，少部分激光被反射至光陷阱19，被光陷阱吸收，该方式可有效消除散射光干扰，提高信噪比。
激光二极管位置调节块4可在垂直于光轴平面内依靠精密调节结构调节其位置，并可在调节至理想位置后固定，该方式可以保证激光二极管3与整形镜组严格同轴心，从而保证光源整形质量，降低杂散光的出现；镜组固定块14可在光轴方向上依靠精密调节结构调节其位置，并可在调节至理想位置后固定，该方式可以在一定范围内调节激光光束汇聚位置，从而保证与气流中的粒子正交处的光斑能量最为集中，提高激发效率。
密封式光电测量室8，用于通入待测气流，并形成密闭环境，防止外界环境光和粒子对检测结果产生影响，同时也对各个检测结构形成物理支撑；激光光源组件100装配在密封式光电测量室8后端的激光入射口并使得激光入射口气密封；在密封式光电测量室8内，待测气流与激光光源组件发出的激光光束前进方向光轴正交于线形激光光斑所在的粒子激发位置；当然，待测气流与激光光源组件发出的激光光束前进方向光轴不完全正交，比90度正交相差一定角度也是允许的。
本例中，待测气流与激光光源组件发出的激光光束前进方向光轴正交，因此，在密封式光电测量室8的垂直方向设有进气接头6、进气喷嘴7和出气接头11组成气体通路；进气接头6旋紧于进气喷嘴7，进气喷嘴7固定在密封式光电测量室8上端，固定位置有密封圈嵌入进行气密封；进气接头6、进气喷嘴7形成进气气路；出气接头11固定在密封式光电测量室8下端。
进气喷嘴7前段伸入密封式光电测量室8约27mm，进气喷嘴7的末端收口呈扁圆形，收口的长轴和激光光束前进方向光轴平行；
散射光信号反射镜21和荧光信号反射镜22，以激光光源组件100发出的激光光束和待测气流正交所形成之测量点为中心左右对侧水平对称放置；这样，当气体（即待测气流）离开进气喷嘴7后，和散射光信号反射镜21/荧光信号反射镜22的光轴、激光前进方向光轴分别正交；并且，进气喷嘴7末端收口长轴方向与激光前进方向光轴一致可以使得通过线形激光光斑的气流更多，激光光束汇聚位置的待测粒子数也就更多。当然，散射光信号反射镜21和荧光信号反射镜22，以激光光源组件100发出的激光光束和待测气流正交所形成之测量点为中心左右对侧放置也可，不一定非要水平对称；比如，在过测量点水平线30度夹角的轴线上，分别左、右对侧设置散射光信号反射镜21和荧光信号反射镜22，在后一种情况下，散射光信号反射镜21和荧光信号反射镜22与密封式光电测量室8的固定方式可能不如前者方便；
散射光信号反射镜21和荧光信号反射镜22均采用球面反射镜；各球面反射镜的外缘（即开口的一圈的外缘）加工密封圈槽由密封圈完成和密闭式光电测量室8的紧密配合，球面反射镜外缘上下各留有对称位置突起并在突起处留有螺纹孔，可以将球面反射镜在气体腔室准确固定定位。散射光信号反射镜21和荧光信号反射镜22各自的反射面位于密封式光电测量室8内；其中，散射光信号反射镜21和荧光信号反射镜22分别用于收集待测气流中待测粒子受到激光光束照射后产生的散射光和荧光，并分别向对向反射；散射光信号反射镜21和荧光信号反射镜22各自的中心开孔，分别用于供对向反射而来的荧光和散射光穿过；
散射光信号探测器17和荧光信号探测器18，分别安装在荧光信号反射镜22和散射光信号反射镜21中心开孔的后方，分别用于探测穿过反射镜开孔的散射光信号和荧光信号；
激光光束与由进气喷嘴7进入的待测气流之样本气体正交于密封式光电测量室8中心处，样本气体中的待测粒子在激光光束的照射下发出散射光和荧光。其中，散射光通过固定在密封式光电测量室8上的散射光信号反射镜22整形汇聚于散射光信号探测器17上；与此同时，荧光信号反射镜22将荧光整形汇聚于荧光信号探测器18上。散射光信号探测器17和荧光信号探测器18上设有相应传感器，可以识别激光遇到样品气体的干涉情况以达到对气体粒子的检测目的；
为了避免激光光束对测量造成的影响，在密封式光电测量室8前端的激光出射口安装了消光反射镜9，消光反射镜9采用消光玻璃；消光反射镜9安装在反射镜固定托10上，反射镜固定托10密封地嵌入密封式光电测量室8前端的激光出射口；光陷阱19安装在消光反射镜9一侧，可以吸收激光。消光反射镜9与激光光束前进方向呈45°夹角。对气流中的粒子激发后继续向前传播的激光光束，投射于消光玻璃表面，从而将大部分的激光吸收，少部分激光被消光玻璃反射至光陷阱19，被光陷阱吸收。
更优地，荧光信号探测器18前设有荧光信号滤色片20；可有效滤除荧光之外的其它光信号，提高荧光检测的信噪比。

Claims (6)

1.一种气溶胶实时监测仪，包括：激光光源组件(100)，用于发出激光光束，并在粒子激发位置产生线形激光光斑；散射光信号反射镜(21)和荧光信号反射镜(22)，以激光光源组件(100)发出的激光光束和待测气流相交所形成之测量点为中心左右对侧放置；散射光信号反射镜(21)和荧光信号反射镜(22)各自的反射面位于密封式光电测量室(8)内；其中，散射光信号反射镜(21)和荧光信号反射镜(22)分别用于收集待测气流中待测粒子受到激光光束照射后产生的散射光和荧光，并分别向对向反射；散射光信号反射镜(21)和荧光信号反射镜(22)各自的中心开孔，分别用于供对向反射而来的荧光和散射光穿过；
散射光信号探测器(17)和荧光信号探测器(18)，分别安装在荧光信号反射镜(22)和散射光信号反射镜(21)中心开孔的后方，分别用于探测穿过反射镜开孔的散射光信号和荧光信号；
其特征在于，密封式光电测量室(8)，用于通入待测气流，并形成密闭环境，防止外界环境光和粒子对检测结果产生影响；激光光源组件(100)装配在密封式光电测量室(8)后端的激光入射口并使得激光入射口气密封；在密封式光电测量室(8)内，待测气流与激光光源组件发出的激光光束前进方向光轴相交于线形激光光斑所在的粒子激发位置；
消光反射镜(9)，安装在密封式光电测量室(8)前端的激光出射口，并保持激光出射口气密封；消光反射镜(9)用于吸收部分激光，并将剩余激光反射至在消光反射镜(9)一侧设置的光陷阱(19)；光陷阱(19)，设置在消光反射镜(9)一侧，吸收剩余激光；消光反射镜(9)与激光光束前进方向呈45°夹角；
所述激光光源组件(100)包括制冷片(1)、光源电路板(2)、用于产生激光的激光二极管(3)、激光二极管位置调节架(4)、光源结构固定块(5)、球面镜(16)、带通发射滤光片(15)、镜组固定块(14)、柱面镜(13)、消光管(12)；其中，球面镜(16)、带通发射滤光片(15)、柱面镜(13)和消光管(12)构成整形镜组；
球面镜(16)和带通发射滤光片(15)一后一前固定于镜组固定块(14)；镜组固定块(14)设于光源结构固定块(5)内并能沿激光轴向调节位置；柱面镜(13)位于带通发射滤光片(15)正前方，安装在密封式光电测量室(8)后端的激光入射口外侧，柱面镜(13)安装位置前的激光入射口设有密封圈；消光管(12)嵌入密封式光电测量室(8)激光入射口内侧，位于柱面镜(13)正前方；光源结构固定块(5)固定在密封式光电测量室(8)后端外侧；
激光二极管(3)焊接于光源电路板(2)上，光源电路板(2)固定于激光二极管位置调节架(4)；激光二极管位置调节架(4)设置在光源结构固定块(5)内，位于光源电路板(2)前方，球面镜(16)后方；激光二极管位置调节架(4)能够在垂直于激光光轴平面内调节位置，从而使得激光二极管(3)与整形镜组同轴心；
制冷片(1)位于光源电路板(2)后，与光源电路板(2)接触；激光二极管位置调节架(4)至少两个侧向设有调节用的顶丝；顶丝位于光源结构固定块(5)上；激光二极管(3)头部嵌入激光二极管位置调节架(4)。
2.如权利要求1所述的气溶胶实时检测仪，其特征在于：
在密封式光电测量室(8)的垂直方向设有进气接头(6)、进气喷嘴(7)和出气接头(11)组成气体通路；
进气接头(6)旋紧于进气喷嘴(7)，进气喷嘴(7)固定在密封式光电测量室(8)上端，固定位置有密封圈嵌入进行气密封；
出气接头(11)固定在密封式光电测量室(8)下端。
3.如权利要求2所述的气溶胶实时检测仪，其特征在于：
待测气流与激光光源组件发出的激光光束前进方向光轴正交；散射光信号反射镜(21)和荧光信号反射镜(22)，以激光光源组件(100)发出的激光光束和待测气流正交所形成之测量点为中心左右对侧水平对称放置；当待测气流离开进气喷嘴(7)后，和散射光信号反射镜(21)/荧光信号反射镜(22)的光轴、激光前进方向光轴分别正交。
4.如权利要求2所述的气溶胶实时检测仪，其特征在于：
进气喷嘴(7)前段伸入密封式光电测量室(8)，进气喷嘴(7)的末端收口呈扁圆形，收口的长轴和激光光束前进方向光轴平行。
5.如权利要求1所述的气溶胶实时检测仪，其特征在于：
消光反射镜(9)安装在反射镜固定托(10)上，反射镜固定托(10)密封地嵌入密封式光电测量室(8)前端的激光出射口。
6.如权利要求1所述的气溶胶实时检测仪，其特征在于：
荧光信号探测器(18)前设有荧光信号滤色片(20)。
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