CN106353239A - 粒子检测装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种不失去单一粒子中的散射光与白炽光的同一性、并且不会过大评价粒子数的粒子检测装置。构成本发明的粒子检测装置的信号处理部(105)的特征在于，具有：第一峰值保持电路(3)，其保持从散射光检测部(1)获取到的散射光强度的峰值；第二峰值保持电路(4)，其保持从白炽光检测部(2)获取到的白炽光强度的峰值；以及阈值比较电路(7)，其将来自第一峰值保持电路的信号值与阈值进行比较，在信号值超过阈值时向第二峰值保持电路发送复位信号。

Description

粒子检测装置
技术领域
本发明涉及一种例如用于测定大气中、无尘室(clean room)内的空气所包含的粒子的数量、粒径(大小)、质量浓度等的粒子检测装置。
背景技术
作为检测气体中包含的粒子的检测装置，已知如下一种检测装置：向导入到检测装置内的包含粒子的样品空气照射激光，探测粒子在通过该激光的照射区域时产生的散射光、白炽光，由此检测粒子的数量、粒径(大小)、质量浓度等。
特别是，一般认为在柴油机的排出气体、煤炭的燃烧、森林火灾、薪柴等燃料和生物质燃料的燃烧等以碳为主成分的燃料进行燃烧时主要产生黑炭(black carbon)。当对黑炭照射激光腔、脉冲激光等的强力的激光来将黑炭瞬间性地加热时，通过黑体辐射而产生白炽光。通过检测该白炽光，能够获知黑炭的粒子数和粒子的大小。检测该黑炭的白炽光的方法被称为激光诱导白炽法(LII法)(参照专利文献1)。
图10是以往的粒子检测装置的信号处理部的框图。由散射光检测部129和白炽光检测部130接收到的散射光和白炽光的信号例如为图11所示的脉冲波形。
在图10所示的阈值比较电路133中，对获取的信号设定适当的阈值，决定要记录的脉冲波形。然后，通过AD变换电路131、132将记录的脉冲波形从模拟值变换为数字值。变换为数字值的脉冲波形被记录到个人计算机(PC)134等。
另外，当如上所述那样将脉冲波形按原样记录时，数据量非常庞大，信号处理耗费时间，而且使信号处理部承受很大负担。因此，作为更简便的方法，可考虑如下的方法。
图12是以往的粒子检测装置的用于获取粒径的信号处理部的框图。在图12中，与图10相同的标记表示与图10相同的部分。如图12所示，通过峰值保持电路141、142保持接收光而得到的脉冲波形的峰值。然后，将峰值保持值与阈值比较电路145中设定的阈值进行比较，如果峰值保持值大于阈值，则通过AD变换电路143、144将峰值的模拟值变换为数字值。
此时，作为比较对象的峰值保持值为散射光信号。其理由为下面两个。第一，通常，粒子发出散射光，但是未必发出白炽光。第二，若将散射光和白炽光这两者作为比较对象，则在粒子浓度增加时，在信号获取时间中AD变换时间增加，无法检测粒子的时间(死区时间)增大。
接着，在由CPU 147获取到散射光和白炽光的各数字信号之后，从复位电路149、150向各峰值保持电路141、142发送复位信号。然后，在CPU 147中，根据获取到的数字信号，基于预先在粒径设定电路146中设定的峰值与粒径的关系，将散射光信号变换为粒径，将白炽光信号变换为黑炭的粒径。然后，计算出的粒径值被显示在显示装置148上。
根据以上，能够基于脉冲波形这样的大数据来形成只有粒径的小数据，从而能够缩短处理时间、减轻对信号处理部的负担。
专利文献1：日本特开2012-88178号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，在上述的以往的信号处理方法中，存在如以下那样的问题。图13是表示以往的粒子检测装置中的信号处理部的动作的时序图。
在图13所示的粒子产生事件中，设在某个事件中获取到散射光强度信号S3并且获取到白炽光强度信号SC(如图11所示，白炽光是稍晚于散射光产生的)。分别通过峰值保持电路141、142来保持散射光强度信号S3的峰值和白炽光强度信号SC的峰值。此时，散射光强度信号S3未超过阈值，因此不实施AD变换电路143、144的AD变换，如图13所示，不向峰值保持电路141、142输出复位信号，峰值保持值L3、LC按原样被保存。
在接下来的事件中，在获取到散射光强度信号S4并且获取到白炽光强度信号SD时，散射光强度信号S4超过阈值，因此通过AD变换电路143对峰值保持值L4进行AD变换。
但是，由于白炽光强度信号SD小于上一次事件的白炽光强度信号SC，因此会以基于上一次事件的白炽光强度信号SC的峰值保持值LC来进行AD变换。因此，会将原本不白炽或者白炽光弱的粒子记录为白炽光大的粒子，从而存在过大评价白炽性粒子数的问题。另外，存在以下问题：在单一粒子水平下，失去了散射光与白炽光的同一性，无法测定粒子的混合状态。
因此，本发明是鉴于这种问题而完成的，其目的在于提供一种不失去单一粒子中的散射光与白炽光的同一性、并且不会过大评价粒子数的粒子检测装置。
用于解决问题的方案
本发明是一种检测来自粒子的散射光和白炽光的粒子检测装置，其特征在于，具备：散射光检测部，其通过激光照射来检测所述粒子的散射光强度；白炽光检测部，其通过所述激光照射来检测所述粒子的白炽光强度；以及信号处理部，其对从所述散射光检测部和所述白炽光检测部获取到的信号进行处理，其中，所述信号处理部具有：第一峰值保持电路，其保持从所述散射光检测部获取到的散射光强度的峰值；第二峰值保持电路，其保持从所述白炽光检测部获取到的白炽光强度的峰值；以及阈值比较电路，其将来自所述第一峰值保持电路的信号值与阈值进行比较，在所述信号值超过所述阈值时向所述第二峰值保持电路发送复位信号。
发明的效果
根据本发明的粒子检测装置，不失去单一粒子中的散射光与白炽光的同一性，并且不会过大评价粒子数，即使通过使用峰值保持电路的简便的信号处理也能够进行正确的粒子检测。
附图说明
图1是本实施方式的粒子检测装置的信号处理部的框图。
图2是表示本实施方式的粒子检测装置中的信号处理部的动作的时序图。
图3是利用激光诱导白炽法(LII法)的粒子检测装置的整体结构图。
图4是具备粒子线生成单元的粒子检测装置的局部放大概要图。
图5是激光腔的结构图。
图6是检测部的结构图。
图7是表示散射光检测用光学滤波器的通频带的一例的图。
图8是表示色温和发光波长的图。
图9是表示白炽光检测用光学滤波器的通频带的图。
图10是以往的粒子检测装置的信号处理部的框图。
图11是散射光和白炽光的脉冲波形的一例。
图12是以往的粒子检测装置的用于获取粒径的信号处理部的框图。
图13是表示以往的粒子检测装置中的信号处理部的动作的时序图。
附图标记说明
1：散射光检测部；2：白炽光检测部；3：第一峰值保持电路；4：第二峰值保持电路；5、6：AD变换电路；7：阈值比较电路；8：CPU；9：粒径设定电路；10、11：复位电路；12：显示装置；101：检测室；102：粒子导入部；103：激光发光部；104：检测部；105：信号处理部。
具体实施方式
下面，详细说明本发明的一个实施方式(以下简记为“实施方式”。)。此外，本发明不限定于以下的实施方式，能够在其宗旨的范围内进行各种变形来实施。
在本实施方式中，在构成粒子检测装置的信号处理部中具备特征性部分，但是首先使用图3来说明粒子检测装置的整体结构。图3是利用激光诱导白炽法(LII法)的粒子检测装置的整体结构图。
如图3所示，使用激光诱导白炽法的粒子检测装置构成为具有检测室101、将粒子导入到检测室101的粒子导入部102、作为激光发光部103的激光腔、检测散射光和白炽光的检测部104以及对接收光而得到的信号进行处理的信号处理部105。
详细说明各结构。首先说明粒子导入部102。在该粒子检测装置中，为了高灵敏度地测定粒子而使激光聚集，在提高照射能量密度后向样品空气照射。此时，即使是同一种类、形状的粒子，也会由于激光的截面积强度的影响而在通过激光的中心部分的粒子与通过激光的周缘部分的粒子之间容易出现大的信号强度差。因此，为了抑制信号强度差，存在扩大激光的照射区域的方法或者生成粒子线束来缩小粒子所通过的区域的方法。其中前者的激光的功率密度降低，易于招致检测灵敏度的降低，因此优选使用如后者那样生成粒子线束的方法。
作为生成粒子线束的方法，存在使用样品流(sample flow)和鞘流(sheathflow)的方法。图4是具备粒子线生成单元的粒子检测装置的局部放大概要图。
如图4所示，喷射喷嘴(粒子线生成单元)40是具有内部喷嘴41和外部喷嘴42的双重管构造，向内部喷嘴41导入样品空气43，向外部喷嘴42导入清洁的鞘气(sheath gas)44。当用鞘气44包裹样品空气43的外层并以数十m/s的快的速度向检测室45喷射时，能够生成粒子线束46。此时，通过适当调整样品空气43和鞘气44的流量，粒子线束46在与喷射喷嘴40相距约2mm～5mm的位置处直径收敛为0.1mm左右，之后通过检测室45内的规定的检测区域。例如，鞘气44的流量被设定为样品空气43的流量的5倍～10倍左右。
接着，说明激光发光部103。图5是激光腔的结构图。如图3、图5所示，激光腔构成为具有泵浦激光器111、准直透镜112、成像透镜113、波长变换用的激光晶体(例如，Nd:YAG晶体)114、凹面高反射镜(HR镜)115。
泵浦激光器111例如发出具有808nm的波长的激光，通过准直透镜112、成像透镜113以及激光晶体114进行聚光。此外，优选的是，对于准直透镜112和成像透镜113在两面进行防反射(AR)涂层，以防止光返回到泵浦激光器111。聚光后的激光在激光晶体114中从808nm的波长变换为1064nm的波长。此外，在激光晶体114的、808nm的激光所入射的面实施了针对波长808nm的激光的AR涂层和针对波长1064nm的激光的高反射(HR)涂层。另外，在激光晶体114的、射出1064nm的激光的面实施了针对波长1064nm的激光的AR涂层。1064nm的激光的内腔由激光晶体114的针对波长1064nm的激光的HR涂层面和凹面高反射镜115构成。内腔内的1064nm的激光的束腰(图5所示的直径φ)例如为约0.3mm。此外，上述的激光发光部103的结构是一个例子，不限定于上述的结构。
接着，说明检测部104的结构。图6是检测部的结构图。如图6所示，检测部104例如由雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode：APD)121、光电倍增管(Photo Multiplier Tube：PMT)122、透镜123、124以及光学滤波器125、126构成。来自粒子的散射光被具有透镜123、光学滤波器125以及APD 121的散射光检测部1所接收。
散射光是波长与照射的激光的波长相同的光，而为了不检测白炽光，例如使用具有图7所示的通过特性的光学滤波器来作为光学滤波器125。由此，能够仅检测散射光。
另外，白炽光被具有透镜124、光学滤波器126以及PMT 122的白炽光检测部2所接收。白炽光(4000K-5000K)是黑体辐射，因此如图8所示那样，发光波长在大致500nm～600nm附近存在峰值。因此，关于光学滤波器126，例如使用具有如图9所示那样的通过特性的光学滤波器，以使其通过特性包括白炽光的发光波长且不使激光的波长通过。
接着，说明信号处理部105。图1是本实施方式的粒子检测装置的信号处理部的框图。
如图1所示，信号处理部105构成为具有第一峰值保持电路3、第二峰值保持电路4、AD变换电路(AD转换器)5、6、阈值比较电路7、CPU 8、粒径设定电路9以及复位电路10、11。
如图1所示，当产生散射光时，散射光被散射光检测部1变换为电信号，得到图11所示的散射光的波形。另外，白炽光也与散射光同样地，被白炽光检测部2变换为电信号，得到图11所示的白炽光的波形。如图11所示，白炽光是稍晚于散射光获取到的。白炽光是通过强力的激光照射将黑炭瞬间性地加热而产生的，需要由黑炭吸收热能的吸收时间，因此一定比散射光晚地产生。本实施方式利用该性质，较之以往对信号处理部105的结构进行了改进。
如图1所示，由散射光检测部1获取到的电信号被发送到第一峰值保持电路3，由第一峰值保持电路3保持作为电信号的散射光强度的峰值。同样地，由白炽光检测部2获取到的电信号被发送到第二峰值保持电路4，由第二峰值保持电路4保持作为电信号的白炽光强度的峰值。
下面，使用图1并使用图2来说明信号处理部的具体动作。图2是表示本实施方式的粒子检测装置中的信号处理部的动作的时序图。
在图2所示的粒子产生事件中，设在某个事件中获取到散射光强度信号S1并且获取到白炽光强度信号SA。分别通过峰值保持电路3、4来保持散射光强度信号S1的峰值和白炽光强度信号SA的峰值。
在图1所示的阈值比较电路7中预先设定有阈值。如图1所示，在阈值比较电路7中，将从第一峰值保持电路3获取到的散射光强度信号S1与阈值进行比较。如图2所示，散射光强度信号S1低于阈值，AD变换电路5、6不实施AD变换。此时，不从复位电路10、11向各峰值保持电路3、4输出复位信号，如图2所示那样保存峰值保持值L1、LA。
如图2所示，设在接下来的粒子产生事件中，获取到散射光强度信号S2并且获取到白炽光强度信号SB。如图2所示，散射光强度信号S2超过阈值，在该情况下，视为检测出粒子。此时，在阈值比较电路7中，向第二峰值保持电路4发送复位信号，使第二峰值保持电路4复位。关于该复位的时机，优选与散射光强度信号S2超过阈值的时机大致同时，但是如图2所示，白炽光强度信号SB是晚于散射光强度信号S2获取到的，因此也可以存在与该晚的量相应的时间滞后。
如图2所示的“白炽光峰值保持复位”的时序图所示，当散射光强度信号S2超过阈值时输出复位信号，白炽光的峰值保持值LA被复位。
复位后，在第二峰值保持电路4中，如图2所示，对白炽光强度信号SB执行峰值保持，白炽光强度信号SB的峰值被保存为峰值保持值LB。另外，在第一峰值保持电路3中，对散射光强度信号S2执行峰值保持，散射光强度信号S2的峰值被保存为峰值保持值L2。
然后，如图2所示，在经过规定期间T后，利用AD变换电路5、6将从各峰值保持电路3、4获取到的峰值保持值L2、LB(模拟值)变换为数字值后传输到CPU 8。另外，与此同时地，从复位电路10、11向各峰值保持电路3、4发送复位信号(参照图2的“散射光峰值保持复位”、“白炽光峰值保持复位”)，使各峰值保持电路3、4复位。此外，使从散射光强度信号S2超过阈值起至执行AD变换为止的规定期间T延长到散射光强度信号S2和白炽光强度信号SB达到峰值为止。
粒径设定电路9中预先记录有粒径与散射光、白炽光的关系表。在图1所示的CPU 8中，基于该关系表来将通过AD变换电路5、6获取到的数字值变换为粒径值。然后，将计算出的粒径值显示在显示装置12等上。另外，通过使粒径乘以适当的密度，还能够计算每平均时间的质量浓度。另外，能够检测散射光强度超过阈值的粒子数。这样，在CPU(运算部)8中，能够基于经过规定期间T后的散射光强度和白炽光强度来运算粒子的数量、粒径、粒子的质量中的任一个以上。
根据以上，根据本实施方式，在阈值比较电路7中，在来自第一峰值保持电路3的信号值超过阈值时向第二峰值保持电路4发送复位信号，因此即使通过使用峰值保持电路3、4的简便的信号处理，也能够不失去单一粒子中的散射光与白炽光的同一性、并且不会过大评价粒子数，因此能够进行正确的粒子检测。
产业上的可利用性
根据本发明的粒子检测装置，能够进行正确的粒子检测，能够有效利用于大气中、无尘室内等的空气所包含的粒子的数量、粒径(大小)、质量浓度等的测定。

Claims (1)

1.一种粒子检测装置，检测来自粒子的散射光和白炽光，该粒子检测装置的特征在于，具备：
散射光检测部，其通过激光照射来检测所述粒子的散射光强度；
白炽光检测部，其通过所述激光照射来检测所述粒子的白炽光强度；以及
信号处理部，其对从所述散射光检测部和所述白炽光检测部获取到的信号进行处理，
其中，所述信号处理部具有：
第一峰值保持电路，其保持从所述散射光检测部获取到的散射光强度的峰值；
第二峰值保持电路，其保持从所述白炽光检测部获取到的白炽光强度的峰值；以及
阈值比较电路，其将来自所述第一峰值保持电路的信号值与阈值进行比较，在所述信号值超过所述阈值时向所述第二峰值保持电路发送复位信号。
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