CN106568692A - 直角光散射式尘埃粒子计数器及信号分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直角光散射式尘埃粒子计数器，包括散射光收集系统、气路和光路，气路的气流流动方向与光路的光束传播方向互相垂直，光电探测器位于半球形透镜的反射光路上；散射光收集系统包括半球形透镜和矩形光电探测器，矩形光电探测器设置在半球形透镜的平面侧，光敏区设置在半球形透镜的球心处。本发明的直角光散射式尘埃粒子计数器结构简单，设置合理，方便对散射式尘埃粒子进行计数。本发明还公开了一种利用直角光散射式尘埃粒子计数器的信号分析方法，可以大幅度节省设计成本，同时计算分析速度大幅度加快，以蒙特卡洛随机模型为基础，不仅可以适用于粒子计数器设计，还可后续拓展为粉尘仪计算光子多次散射过程计算，实用性广。
Description
技术领域
本发明属于光电探测传感器领域,具体涉及一种直角光散射式尘埃粒子计数器及信号分析方法。
背景技术
直角光散射式尘埃粒子计数器被广泛应用于环境监测、半导体制造等领域，正朝着高分辨率、高灵敏度、高计数效率、高便携带度方向发展，为了进一步提升激光粒子计数器的粒径分辨率、灵敏度和计数效率等指标，降低散射光信号的测试成本，有必要结合计算机采用新方法进行测试。
目前所有激光粒子计数器的性能测试、信号分布研究几乎都采用的是样品逐个检测的方法。此过程包括器件连接气路与光路、自净、测试、使用计算机对散射光信号进行采样收集数据等步骤，耗费大量成本。
因此，需要一种新的直角光散射式尘埃粒子计数器以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的问题，提供一种直角光散射式尘埃粒子计数器。
为实现上述发明目的，本发明的显示设备安装机构可采用如下技术方案：
一种直角光散射式尘埃粒子计数器，包括散射光收集系统、气路和光路，所述光路包括依次设置的半导体激光器、整形光学元件、光敏区和光陷阱，所述气路包括依次设置的进气管、光敏区、出气管和气泵，所述气路的气流流动方向与所述光路的光束传播方向互相垂直；所述散射光收集系统包括半球形透镜和矩形光电探测器，所述矩形光电探测器设置在所述半球形透镜的平面侧，所述光敏区设置在所述半球形透镜的球心处。
更进一步的，所述半导体激光器的波长为808nm。使用近红外半导体激光器。
更进一步的，所述的整形光学元件为非球面镜或柱面镜。
更进一步的，所述半球形透镜包括半圆球形透镜或半椭球形透镜。半球形透镜的长轴、短轴与镜深尺寸可变。统计粒子出现位置与光子落点位置。利用半球形透镜作为反射镜对光的吸收率为0，反射率为100％。
更进一步的，所述光敏区为矩形光敏区。矩形光敏区尺寸为7mm*1mm。统计粒子出现位置与光子落点位置。
更进一步的，所述光电探测器为矩形光电探测器。矩形光电探测器尺寸为9mm*6mm。
更进一步的，所述光陷阱为喇叭口光阑。经发黑处理对808nm激光吸收率达98％以上。
有益效果：本发明的直角光散射式尘埃粒子计数器结构简单，设置合理，方便对散射式尘埃粒子进行计数。
本发明还公开了一种信号分析方法，采用如权利要求1-7任一项所述的直角光散射式尘埃粒子计数器，包括以下步骤：
1)、将所述光电探测器和光敏区进行有限元划分；
2)、计算标准粒径粒子在固定激光波长时的米散射空间强度分布；
3)、计算步骤2)得到的米散射空间强度分布的累积概率密度，建立蒙特卡洛随机模型；
4)、根据二元高斯分布，生成粒子在所述光敏区出现的分布结果；
5)、设定所述光电探测器和光敏区的距离、所述光敏区与半球形透镜的距离和所述半球形透镜的形状、长轴、短轴与镜深参数；
6)、统计对于同一粒径的粒子而言，出现相同光强的粒子的位置个数，绘制光强信号分布及光电探测器表面光子落点分布；
7)、改变标准粒子粒径，重复步骤5)和6)，直到完成所有标准粒子粒径的统计；
8)、计算同一粒径粒子的信号离散度及不同粒径粒子的信号区分度，完成结果评价。
更进一步的，所述标准粒径粒子是基苯乙烯球形粒子，折射率n＝1.59。
更进一步的，所述标准粒径粒子的尺寸为0.3μm、0.4μm、0.5μm和0.6μm
有益效果：本发明的信号分析方法可以大幅度节省设计成本，同时计算分析速度大幅度加快，以蒙特卡洛随机模型为基础，不仅可以适用于粒子计数器设计，还可后续拓展为粉尘仪计算光子多次散射过程计算，实用性广。
附图说明
图1是本发明的直角光散射式尘埃粒子计数器结构示意图；
图2是本发明的直角光散射式尘埃粒子计数器光敏区示意图；
图3是矩形探测器有限元划分示意图；
图4是光敏区有限元划分示意图；
图5是0.3μm粒径的标准粒子米散射强度分布图；
图6是0.4μm粒径的标准粒子米散射强度分布图；
图7是0.5μm粒径的标准粒子米散射强度分布图；
图8是0.6μm粒径的标准粒子米散射强度分布图；
图9是四种粒径粒子米散射强度随角度分布图；
图10是四种粒径粒子米散射累积概率密度分布图；
图11是粒子出现位置在光敏区的二元高斯概率分布图；
图12是光子落点统计分布示意图；
图13是四种粒径的散射光收集信号分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅是本发明的优选实施方式，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种不脱离本发明原理的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
请参阅图1所示，本发明的直角光散射式尘埃粒子计数器，包括半导体激光器1、整形光学元件2、半球形透镜3、光电探测器4与光陷阱5组成；气路6气流流动方向主要是进气管9、光敏区8、出气管10和气泵11，进气管9通过锥形喷嘴将标准粒子喷至光敏区8，穿过光敏区8后通过出气管10进入气泵11；光路7光束传播方向主要是半导体激光器1、整形光学元件2、光敏区8、光陷阱5，其中光路半导体光束经过整形光学元件2汇聚于光敏区8的中心，保证光敏区光强均匀，直射的杂散光直接被光陷阱5吸收。气路6气流流动方向与光路7光束传播方向互相垂直；光敏区8是气路6与光路7相交叠的部分，处于半球形透镜3轴线上，是空间对称结构，如图2所示；散射光收集系统半球形透镜3、光电探测器4组成，粒子经过光敏区8发生光散射，便可通过半球形透镜3对散射光进行收集，到达矩形光电探测器表面；半导体激光器1波长为808nm，功率为200mW，整形光学元件2由一片非球面透镜与柱状透镜构成，半球形透镜3由一片反射凹面镜组成，凹面镜表面镀一层高反射率的材料银，光电探测器4是一种具有内部增益的雪崩二极管，光陷阱5是一经过发黑处理、且涂过808nm吸光涂层的材料，吸收效率达98％。
基于蒙特卡洛随机模型的信号分析方法：
第一步：将光电探测器4、矩形光敏区8进行有限元划分，将光电探测器4划分为200*200个单元，每一个单元为一个小矩形，用于统计落入该小矩形的光子数目，如图3所示。同时将举行光敏区8划分为700*100个单元，每个单元为一个小正方形，如图4所示，用于统计模拟粒子出现的位置概率分布。
第二步：计算各标准粒径粒子在固定激光波长时的米散射的空间强度分布。将激光的波长设定为808nm，同时标准粒子是聚苯乙烯球形粒子折射率设定为1.59。不考虑复折射率以及球形粒子对光的吸收，分别计算粒径为0.3μm、0.4μm、0.5μm和0.6μm散射强度随角度变化的结果，如图5、图6、图7、图8、图9所示。
第三步：计算第二步得到的米散射空间强度分布累积概率密度，建立蒙特卡洛随机模型以产生散射角度的随机数；第二步中求得的只是强度与角度的概率密度函数，为了根据概率分布建立随机模型产生随机数，须对第二步所求的概率密度分布进行求和，以生成累积概率密度函数，如图10所示。
第四步：根据二元高斯分布，生成粒子在矩形光敏区出现的分布结果；经过流体仿真获得粒子在光敏区表面的分布服从二元分布，且模型中光敏区光强均匀，因此只考虑粒子出现位置对散射光信号的影响。理论上沿光轴方向与粒子流厚度方向的粒子位置分布使用下式表示：
综上所生成的二元高斯分布图如图11所示。
第五步：设定矩形光电探测器与矩形光敏区距离，矩形光敏区与半球形透镜距离，半球形透镜形状、长轴、短轴与镜深参数，以上几个参数即可决定散射光收集腔的大小与形状，不考虑噪声的情况下即可计算出不同的粒径粒子对应的光强分布。
第六步：统计对于同一粒径而言，出现相同光强的粒子位置个数，绘制光强信号分布及矩形光电探测器表面光子落点分布；如图13所示。
第七步：改变标准粒子粒径，返回第五步；
第八步：绘制不同粒径的散射光强信号分布，如图13所示。同时计算同一粒径信号离散度及不同粒径信号区分度，完成结果评价。其中离散度的评价指标是信息熵:
H(x)＝ln(Ae)
其中e为标准差，而A为与概率分布形式有关的常数，因此Hx越大，该粒径的信号离散度越大，从而仪器的性能越差。
而评价两种不同粒径之间的区分度使用平均互信息来衡量，其计算公式为：
因此平均互信息越大，则两曲线交叠面积越大，分辨能力越差。
本发明基于蒙特卡洛随机模型，可自主设定激光粒子计数器主要部分尺寸，然后自动计算分析各标准粒径粒子的散射光信号分布情况，计算单粒径粒子离散度，不同粒径粒子间的区分度，以及粒径分辨率、灵敏度和计数效率等指标参数，极大提升了粒子计数器设计的效率。引入信息熵概念，能用于准确计算衡量信号的离散度和区分度，提高了信号分析的科学性。参数设置更为灵活，涵盖的结构包括球形与椭球形反射镜的设计方案，选择性极其丰富。
本发明以计算机为工具对激光粒子计数器信号分布进行计算分析具有很现实的意义。同时利用计算机辅助计算各机械结构所对应的标准粒子信号分布，对分析激光粒子计数器的性能、衡量性能的各参数具有很重要的指导作用，为进一步激光粒子计数器的性能优化、便携度提升等有着重大意义。
Claims (10)
1.一种直角光散射式尘埃粒子计数器，其特征在于，包括散射光收集系统、气路（6）和光路（7），所述光路（7）包括依次设置的半导体激光器（1）、整形光学元件（2）、光敏区（8）和光陷阱（5），所述气路（6）包括依次设置的进气管（9）、光敏区（8）、出气管（10）和气泵（11），所述气路（6）的气流流动方向与所述光路（7）的光束传播方向互相垂直；所述散射光收集系统包括半球形透镜（3）和矩形光电探测器（4），所述光电探测器（4）设置在所述半球形透镜（3）的平面侧，所述光敏区（8）设置在所述半球形透镜（3）的球心处。
2.根据权利要求1所述的直角光散射式尘埃粒子计数器，其特征在于，所述半导体激光器（1）的波长为808nm。
3.根据权利要求1所述的直角光散射式尘埃粒子计数器，其特征在于，所述的整形光学元件（2）为非球面镜或柱面镜。
4.根据权利要求1所述的直角光散射式尘埃粒子计数器，其特征在于，所述半球形透镜（3）包括半圆球形透镜或半椭球形透镜。
5.根据权利要求1所述的直角光散射式尘埃粒子计数器，其特征在于，所述光敏区（8）为矩形光敏区。
6.根据权利要求1所述的直角光散射式尘埃粒子计数器，其特征在于，所述光电探测器（4）为矩形光电探测器。
7.根据权利要求1所述的直角光散射式尘埃粒子计数器，其特征在于，所述光陷阱（5）为喇叭口光阑。
8.一种信号分析方法，其特征在于，采用如权利要求1-7任一项所述的直角光散射式尘埃粒子计数器，包括以下步骤：
1）、将所述光电探测器（4）和光敏区（8）进行有限元划分；
2）、计算标准粒径粒子在固定激光波长时的米散射空间强度分布；
3）、计算步骤2）得到的米散射空间强度分布的累积概率密度，建立蒙特卡洛随机模型；
4）、根据二元高斯分布，生成粒子在所述光敏区（8）出现的分布结果；
5）、设定所述光电探测器（4）和光敏区（8）的距离、所述光敏区（8）与半球形透镜（3）的距离和所述半球形透镜（3）的形状、长轴、短轴与镜深参数；
6）、统计对于同一粒径的粒子而言，出现相同光强的粒子的位置个数，绘制光强信号分布及光电探测器表面光子落点分布；
7）、改变标准粒子粒径，重复步骤5）和6），直到完成所有标准粒子粒径的统计；
8）、计算同一粒径粒子的信号离散度及不同粒径粒子的信号区分度，完成结果评价。
9.根据权利要求8所述的信号分析方法，其特征在于，所述标准粒径粒子是基苯乙烯球形粒子，折射率n=1.59。
10.根据权利要求8所述的信号分析方法，其特征在于，所述标准粒径粒子的尺寸为0.3μm、0.4μm、0.5μm和0.6μm。
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Application publication date: 20170419 |