CN109406356A - 一种高精度颗粒物质量浓度检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种高精度颗粒物质量浓度检测装置，包括激光发射单元、激光检测单元，激光发射单元包括一片学透镜，光学透镜一面为光轴对称的非球面作为入射面用于准直，另一面为圆柱面作为出射面用于会聚，可将激光光束整形为线形光束；一方面克服了以往采用聚焦透镜，激光光束被聚焦为点光束，能量分布不均匀导致测量不准确的的技术缺陷，消除了不同粒径颗粒物之间的测量干扰，实现不同粒径颗粒物的同时测量；另一方面克服了以往采用两片光学透镜，透镜间存在一定的距离导致光路调试复杂的技术缺陷，简化了结构、降低了光路调试难度及节约了制造成本；无需昂贵的气泵，适于大批量推广应用。
Description
技术领域
本发明属于空气品质检测技术领域，尤其涉及一种高精度颗粒物质量浓度检测装置。
背景技术
近年来雾霾频发，大气环境中的颗粒物受到了国内外的密切关注，一段时间以来，可吸入颗粒物PM10、细颗粒物PM2.5是大气环境中重要监测指标，由于悬浮在空气中的颗粒物往往吸附着一些对人们身体健康产生重要影响的物质，如细菌、病毒、有害化学物质等，这些物质体积小，自然沉降速度慢，通过呼吸直接被吸入并沉积于肺泡中的几率很大，对人体健康的影响不容忽视。
对空气中颗粒物的检测方法有β射线吸收法、微量振荡天平法、激光散射法。β射线吸收法主要是通过测量射线经过附有颗粒物的滤纸的损耗来计算颗粒物的质量浓度；微量振荡天平法是通过测量振荡频率的变化计算出沉积在滤膜上颗粒物质量的一种方法；现有技术多采用激光散射法进行颗粒物浓度检测，光散射法主要是利用颗粒物对光的散射实现对颗粒物粒径测量，是一种非接触式、实时在线测量方法，适合在民用领域推广普及。
例如文献CN108344673A，激光管发射的激光在焦点处会聚形成点光束，被测颗粒物经过点光束发生散射，散射光经探测器输出电信号计算颗粒物个数，然后按一定的关系计算出颗粒物质量浓度，为了保证计数效率，对激光光束要求均匀及对进气孔要求更小，需配置昂贵的气泵承受更高的真空度，不适于在民用领域大批量推广应用。
随着人民生活水平的不断提高，对周围空气质量关注越来越密切，空净、新风系统对颗粒物传感器的需求日益旺盛，甚至车厂及可穿戴等领域也逐步成为新的需求点，今后需要配置低成本、小型化的传感器以适于大批量生产，现有技术提出了适于在民用领域大批量推广应用的颗粒物传感器，抽气装置采用风扇(轴流/离心)代替气泵。例如文献CN105021501B，采用轴流式风机，颗粒物传感器尺寸较小，激光发射单元包含一个凸透镜对激光光束会聚，会聚后的光束为点光束，呈常见的高斯强度分布模式，激光光束分布不均匀，导致同一粒径的颗粒物穿过光束的中心线和中心边缘时输出的检测信号不一致，容易造成传感器对颗粒物粒径误判，不同粒径之间会相互交叉干扰，不能实现多通道颗粒物同时测量(不能同时输出PM1.0、PM2.5及PM10)，仅能输出PM1.0或PM2.5或PM10一个参数。
目前国际上的汽车制造厂都要求同时测量PM1.0、PM2.5、PM10，韩国空气净化协会的标准也要求室内使用的净化器、空调同时显示PM1.0、PM2.5、PM10。例如文献CN103257095B，采用两级切割器实现对PM2.5、PM10同时测量，但采用切割器仪器结构复杂、体积大，价格昂贵，不能实时在线测量，不利于小型化及在民用领域普及应用；例如文献CN206223607U，通过在颗粒物浓度检测装置上设置两个以上的光敏检测元件，能够对空气中不同粒径的颗粒物实现分级检测，缺陷是由于采用多个单通道检测单元，光路、电路系统复杂，成本高，对MCU端口数量及速度要求较高，耗电量大，尤其是PCB电路板面积较大，针对便携式颗粒物检测更为不利。
为实现PM1.0、PM2.5、PM10同时输出，现有技术考虑颗粒物传感器光路中不再采用传统的聚焦透镜，提出通过采用新型光学透镜对激光光束整形为能量分布均匀的线形光束，克服颗粒物不同粒径的测量干扰问题。例如文献WO2017/184275A2，提供两个光学部件(非球面透镜、柱面透镜)，形成一种期望轮廓的光强分布均匀的激光束，可实现多通道颗粒物质量浓度测量(实现0.3至10微米范围内的颗粒物质量浓度测量)；再如文献CN206479434U，提出采用一非球面透镜用来减小激光光束发散角或准直光束，一柱面透镜用来聚焦激光光束，使光电探测器正上方光敏区形状为类似薄片，光敏区为一薄而宽的区域，有助于提高检测颗粒物浓度范围及计数效率。以上两文献均采用两个光学部件，缺陷是两个光学部件之间存在一定的距离，调试时须保证同轴，增加了调光复杂性及安装难度，导致颗粒物传感器体积大，不利于装置小型化及便携化，制造成本高。
综上，以往的激光散射颗粒物传感器存在诸多缺陷：采用昂贵气泵不利于在民用领域大批量推广应用；采用点光束分布不均匀，不同粒径间会存在交叉干扰，不能实现多通道颗粒物同时测量；采用多个单通道检测单元，装置体积大，光路、电路系统复杂；采用多个光学部件形成均匀激光光束，光学透镜之间存在一定的距离，安装调试复杂，严重制约颗粒物传感器向微型化、便携化方向发展。
发明内容
为解决以上技术缺陷，本发明公开了一种高精度颗粒物质量浓度检测装置，采用由模具精密注塑成形的单片光学透镜形成均匀线形光束，克服了以往采用聚焦透镜，激光光束被聚焦为点光束，能量分布不均匀导致测量不准确的的技术缺陷，可实现不同粒径颗粒物同时测量；克服了以往采用两片光学透镜，两片光学透镜之间存在一定的距离导致光路安装调试复杂、成本高的技术缺陷，简化了光路结构，降低了光路调试难度及制造成本，无需昂贵的气泵，适于大批量推广应用，具有广阔的市场前景。
第一方面:
本发明的提供一种高精度颗粒物质量浓度检测装置，包括激光发射单元和激光检测单元，所述激光发射单元包括光源和光学透镜，所述光源产生的光束经光学透镜整形后形成线形光束，所述激光检测单元接收经过线形光束的颗粒物，并输出对应的检测信号。
所述光学透镜的一面为光轴对称的非球面，另一面为圆柱面；光轴对称的所述非球面设置于光的入射面，所述圆柱面设置于光的出射面。
所述光学透镜的圆柱面为正柱面。
光轴对称的所述非球面的曲率半径为2-10mm，所述圆柱面的曲率半径为3-9mm，光轴对称的非球面至圆柱面的厚度为1.5-3.5mm。
所述激光发射单元还包括安装件，所述安装件与光学透镜一体成型或可拆卸连接，用于对光学透镜进行定位。
所述激光发射单元还包括定位件，所述定位件一端与光源活动连接，另一端与安装件活动连接。
所述激光发射单元还包括导光管，所述定位件一端与光源活动连接，另一端通过导光管与安装件活动连接。
所述激光发射单元还包括外壳，所述外壳套设在定位件及安装件的外部，用于对两者进行定位。
所述光源和光学透镜之间及其远离光源方向所在的延长线的外壳内部空间形成所述颗粒物检测通道，所述颗粒物检测通道远离光源一端设有光陷阱，可以消除激光发射单元产生的激光光束通过颗粒物检测通道后产生的反射，所述光学透镜与光陷阱之间的外壳内设有所述激光检测单元。
所述光学透镜与光陷阱之间的外壳上还设有进气口，进气口和外壳内部空间形成颗粒物流通通道，所述颗粒物检测通道和颗粒物流通通道相交于所述外壳内部的气室。
所述光学透镜与光陷阱之间的外壳上还设有出气口，所述进气口和出气口为同轴相对设置，所述进气口和出气口及中间的外壳内部空间形成颗粒物流通通道，使得颗粒物可从所述进气口进入所述颗粒物流通通道，并从所述出气口排出，所述颗粒物检测通道和颗粒物流通通道相交于所述外壳内部的气室。
所述颗粒物流通通道还连接有抽气装置，所述抽气装置可设置在外壳的内部或外部，所述抽气装置分别连通进气口和/或出气口，用于将被测气体引入至颗粒物流通通道中。
一种高精度颗粒物质量浓度检测装置还包括壳体，所述壳体上设有进气口和出气口，所述光源、安装件均位于所述壳体内，所述光源和光学透镜之间及其远离光源方向所在的延长线的壳体内部空间形成所述颗粒物检测通道，所述进气口和出气口及壳体内部空间形成颗粒物流通通道，所述颗粒物检测通道和颗粒物流通通道相交于所述壳体内部的气室。
一种高精度颗粒物质量浓度检测装置还包括PCB电路板，所述PCB电路板上设置有所述激光发射单元、激光检测单元和一通讯接口，所述通讯接口可与外部设备联通，实现数据的传输。
第二方面：
本发明公开了一种光学透镜，所述光学透镜一面为光轴对称的非球面，另一面为圆柱面；激光光束从光轴对称的非球面射入准直，经圆柱面整形后形成会聚均匀的光束。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本装置中的光学透镜克服了以往采用聚焦透镜时，激光光束被聚焦为点光束能量分布不均匀而导致测量不准确的技术缺陷，提高了检测精度，可实现不同粒径颗粒物同时输出；同时，克服了以往采用两片光学透镜之间存在一定的距离，增加了光路调试难度、成本高的技术缺陷，采用一片光学透镜省却了因采用两片光学透镜之间的距离，简化了光路结构，大大降低了光路调试难度及制造成本，可实现颗粒物检测装置的微型化、便携化和低成本化。
附图说明
图1为实施一、二、三中一种高精度颗粒物质量浓度检测装置测量系统主视图；
图2为实施例一中一种高精度颗粒物质量浓度检测装置测量系统结构爆炸图；
图3为实施例一中采用的光学透镜在安装件中的安装示意图；
图4为实施例一中一种高精度颗粒物质量浓度检测装置测量系统结构透视图；
图5为实施例二中一种高精度颗粒物质量浓度检测装置测量系统结构爆炸图；
图6为实施例二中采用的光学透镜在安装件中的安装示意图；
图7为实施例三中一种高精度颗粒物质量浓度检测装置测量系统立体图；
图8a为实施例一、二、三、四中光学透镜的立体图；
图8b为实施例一、二、三、四中光学透镜两个面(非球面、柱面)示意图
图9为激光经过图8a中的光学透镜的光路主视图；
图10为激光经过图8a中的光学透镜的光路的俯视图；
图11a为实施例一中试验组一形成的线形光束示意图；
图11b为实施例一中试验组二形成的线形光束示意图；
图11c为实施例一中试验组三形成的接近线形光束示意图；
图11d为实施例一中试验组四形成的接近线形光束示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
实施例一
请参考图1、2，本发明的实施例公开了一种高精度颗粒物质量浓度检测装置，包括激光发射单元、激光检测单元5，所述激光发射单元包括光源3、定位件20、安装件30和光学透镜100，所述光学透镜100为一片透镜，且所述光学透镜100一面为光轴对称的非球面1，另一面为圆柱面2；将所述光轴对称的非球面1设置于光的入射面，所述圆柱面2设置于光的出射面；
所述安装件30与光学透镜100可为一体成型，也可以为可拆卸连接，例如请参考图3，所述安装件30与光学透镜100在加工时一体成形；例如所述安装件3也可为光阑，所述光学透镜100固定安装在光阑内，用于对光学透镜100进行定位；所述定位件20整体为两端开口、内部中空的圆筒状结构，所述定位件20一端与光源3活动连接，例如套接、螺纹连接等，用于对所述光源3进行定位，另一端与所述安装件30活动连接，如套接、螺纹连接等；进而保证所述光源3的中心处与光学透镜100的中心处位于同一直线上。
优选地，所述光源3可为激光二极管；
所述光源3产生的激光光束4经所述光学透镜100的光轴对称的非球面1摄入准直，经所述光学透镜100的圆柱面2整形后形成汇聚均匀的光束，光束在垂直于激光发射方向的平面内会聚为直线，且在直线上的各个点的光强基本上相同，由此使得会聚后光束的光强变得均匀。
所述激光发射单元还可包括外壳40，所述外壳40的整体也可以为两端开口、内部中空的圆筒状结构，所述外壳40套设在所述定位件20以及安装件30外部，用于对两者进行定位；在安装时，例如请参考图4，将光学透镜100固定在所述安装件30内，随后按顺序依次连接所述光源3、定位件20和安装件30，同时保证将光学透镜100中光轴对称的非球面1朝向光源，实现激光光束经光学透镜100整形后形成光束光强变得均匀。
所述定位件20和/或外壳40可为铜等金属材料制成，其一方面具有一定的硬度，可以对相关部件进行定位和保护，防止其损伤，另一方面具有良好的热传导功能，能及时将光源3工作产生的热量散发到周围环境中，降低光源3的工作温度，确保其正常工作。
所述光源3和光学透镜100之间及其远离光源3方向所在的延长线的壳体内部空间形成所述颗粒物检测通道9，所述颗粒物检测通道9远离光源3一端设有光陷阱10，所述光陷阱10可以消除激光发射单元产生的激光光束4通过颗粒物检测通道9后产生的反射，使得反射光线进入光陷阱10不再反射进入激光检测单元，提高信噪比。
请参考图1、7，在光源3、光学透镜100、激光检测单元5的外壳40内设有反射镜，所述反射镜与所述激光检测单元5同轴相对设置，用于将部分散射光反射到激光检测单元5，增强光信号；一般地所述激光检测单元5采用光电传感器，优选为一个，也可以根据方案拓展为两个及以上；
在光源3、光学透镜100、激光检测单元5的外壳40上设有进气口6和/或出气口7，进气口6和/或出气口7和外壳40内部空间形成颗粒物流通通道8，被测气体中的颗粒物11可从所述进气口6进入所述颗粒物流通通道8，所述颗粒物检测通道9和颗粒物流通通道8相交于所述外壳40内部的气室，使得颗粒物11可从所述进气口6和/或出气口7进入所述颗粒物流通通道8，并从所述进气口6和/或出气口7排出，如图1所示，进气口6进气端宽度或直径设置小于颗粒物流通通道8及出气口7的宽度或直径，保证进气量；所述颗粒物检测通道9和颗粒物流通通道8相交于所述壳体内部的气室。所述颗粒物流通通道8中心轴线所在的直线与反射镜和激光检测单元11中心轴线所在的直线形成一定的角度，优选地为90度，即所述颗粒物流通通道8竖向垂直于所述颗粒物检测通道9，这样被测气体中的颗粒物11在颗粒物流通通道8内移动经过颗粒物检测通道9的距离最短且几乎不会发生偏移。
所述颗粒物流通通道8还连接有抽气装置，所述抽气装置可设置在外壳40的内部或外部，所述抽气装置与进气口6和/或出气口7连通，用于将被测气体引入至颗粒物流通通道8中。
所述光源3发出的激光光束4经光学透镜100整形后会聚于颗粒物检测通道8中，并且在颗粒物流通通道8中沿垂直于激光发射方向的平面内会聚成一条直线，即形成线形光束，且所述线形光束的宽度与所述颗粒物流通通道8的宽度或直径相匹配，优选的，线形光束的宽度应设置为大于或等于颗粒物流通通道8的宽度或直径，以此保证被测气流中的颗粒物11均能通过线形光束，使颗粒物11能100％的被计数并最终计算出质量浓度，以确保测量精度；被测气流通过所述进气口6和/或出气口7进入颗粒物流通通道8，并经过线形光束，激光检测单元5检测到颗粒物11后输出对应的检测信号。
现有技术中，由于激光焦点形成的是点光束，沿其正中心往外，其光强度逐渐降低，因此，待检测的颗粒物11进入颗粒物流通通道8后会因为点光束的光强分布不均，而导致经过点光束不同位置时的输出信号不同，从而影响检测精度；而本实施例中，光源3发出的激光光束4在颗粒物流通通道8中沿垂直于激光发射方向的平面上会聚成了一条直线，即线形光束，其各处的光强能量分布均匀，呈超高强度均匀分布的平顶光束，因此，待检测的颗粒物11进入颗粒物流通通道8且经过线形光束的不同位置时，其产生的散射光强度一致，激光检测单元5输出的检测信号基本一致，不会因光强分布不均而导致测试结果不稳定，因此避免由于点光束光强分布不均匀而造成对颗粒物的误判，从而提升分辨率以及颗粒物浓度的检测精度。
进一步地，本检测装置还包括PCB电路板，所述PCB电路板上设置有所述激光发射单元、激光检测单元5和一通讯接口，可实现电气元器件的集成化设计，有效缩小体积，所述通讯接口可与外部设备联通，实现数据的传输。
本实施例一种高精度颗粒物质量浓度检测装置的工作过程为：光源3发出的激光光束4被光学透镜100整形后，在颗粒物检测通道9中形成线形光束，且所述线形光束的宽度与所述颗粒物流通通道8的宽度或直径相匹配，被测气流中的颗粒物11从进气口6和/或出气口7进入之后均经过线形光束，将通过的颗粒物11进行计数并计算出质量浓度，同时激光检测单元5检测到颗粒物11并由此输出对应的检测信号。
在实际使用时，光轴对称的所述非球面的曲率半径R1为2-10mm，所述圆柱面的曲率半径R2为3-9mm，光轴对称的非球面至圆柱面的厚度D为1.5-3.5mm。
本实施例还对所述光轴对称的非球面的曲率半径R1、所述圆柱面的曲率半径R2以及所述光轴对称的非球面至所述圆柱面的厚度D进行试验对比，以期选取最佳的参数设置。其具体参数选择如下：
试验组一：光轴对称的非球面的曲率半径为R1＝9mm，圆柱面的曲率半径为R2＝8mm，厚度D＝3mm；由此形成如图11a所示的线形光束；
试验组二：光轴对称的非球面的曲率半径R1＝6mm，圆柱面的曲率半径R2＝3.26mm，厚度D＝2mm，由此形成如图11b所示的线形光束；
试验组三：光轴对称的非球面的曲率半径R1＝3.67mm，圆柱面的曲率半径R2＝6mm，厚度D＝1.8mm，由此形成如图11c所示的接近线形光束；
试验组三：光轴对称的非球面的曲率半径R1＝3.91mm，圆柱面的曲率半径R2＝9mm，厚度D＝2.16mm，由此形成如图11d所示的接近线形光束；。
结果分析：
图11a中所示的线形光束中，其宽度适中，各位置光强分布集中且均匀，被测颗粒物经过该平顶线形光束的任意位置时，其产生的散射光强度基本一致，因此光电传感器输出的测试信号一致性最高，测试结果最稳定；图11b中所示的线形光束中，其宽度相较试验组一的光束而言有所拉长，面积相对变大，因此，其光强分布相对于试验组一而言有所分散，均匀程度不如试验组一；图11c中所示的接近线形光束整体为梭形，光强分布会在光斑高度方向上按比例减弱，光强分布相对试验组一、二更为分散，均匀程度较差，因此，被测颗粒物通过该类型光束不同位置时，其产生的散射光强度差别较大，光电传感器产生的测试信号一致性较差，测试精度较低；图11d中所示的接近线形光束整体为椭圆形，面积较试验组三大，光强分布会在光束长轴方向上按比例减弱，光强分布相对试验组一、二、三更为分散，均匀程度更差，因此，被测颗粒物通过该类型光束不同位置时，其产生的散射光强度差别在四个实验组中最大，测试精度也最低。
由此可知，从试验组一至四中可知，轴对称的非球面的曲率半径以及圆柱面的曲率半径会影响光束的宽度，厚度D的参数设置会影响光束的形状，当所述厚度D为3±0.05mm时，光束整体为跑道形或近矩形形状，光强分布较均衡，而一旦厚度D相对于2mm偏离幅度太大，如试验组三(1.8mm)和试验组四(2.16mm)，则光束基本变形为梭形或椭圆形等非四边形形状，其两端光强较弱，光强分布均匀度较差。因此，综合考虑各种因素，当轴对称的非球面的曲率半径为9mm，所述圆柱面的曲率半径为8mm，厚度D为3mm时，光束宽度适中，光强分布最为均匀，检测精度最高，因此，该参数设置可作为本实施例的优选方案。
需要说明的是，上述试验组一至四中的优劣对比仅针对点光束而言，试验组一至四中光束的光强分布均匀程度均比点光束高，因此，试验组一至四均能克服现有技术中由于点光束光强分布不均匀而造成对颗粒的误判的缺陷。此外，由上述结果分析的内容可知，轴对称的非球面的曲率半径、圆柱面的曲率半径以及厚度D的参数设置均是发明人付出创造性劳动所得，属于本发明的重要发明点之一。
为进一步验证本发明优势，本发明采用本实施例中的一个光学透镜的高精度颗粒物质量浓度检测装置，现有技术采用两个独立光学部件的颗粒物检测装置分别与标准仪器进行对比测试。
表1：香烟尘环境下本发明采用一个光学透镜颗粒物检测装置与标准仪器对比测试数据
表2：香烟尘环境下现有技术采用两个独立光学透镜颗粒物检测装置与标准仪器对比测试数据
对比分析：
粒径范围d1>0.3μm：表1中本发明与标准仪器测试对比，两者的相对误差为1.98％；表2中现有技术与标准仪器测试对比，两者的相对误差为3.4％；
粒径范围d2>0.5μm：表1中本发明与标准仪器测试对比，两者的相对误差为-6.67％；表2中现有技术与标准仪器测试对比，两者的相对误差为-6.86％；
粒径范围d3>1.0μm：表1中本发明与标准仪器测试对比，两者的绝对误差为3；表2中现有技术与标准仪器测试对比，两者的绝对误差为3；
粒径范围d4>2.5μm：表1中本发明与标准仪器测试对比，两者的绝对误差为1；表2中现有技术与标准仪器测试对比，两者的绝对误差为2。
表3：香烟尘+A1粉尘(ISO12103-1A1Ultra fine Test Dust)环境下本发明采用一个光学透镜颗粒物检测装置与标准仪器对比测试数据
表4：香烟尘+A1粉尘(ISO12103-1A1Ultra fine Test Dust)环境下现有技术采用两个独立光学透镜颗粒物检测装置与标准仪器对比测试数据
对比分析：
粒径范围d1>0.3μm：表3中本发明与标准仪器测试对比，两者的相对误差为5.84％；表4中现有技术与标准仪器测试对比，两者的相对误差为6.03％；
粒径范围d2>0.5μm：表3中本发明与标准仪器测试对比，两者的相对误差为-1.24％；表4中现有技术与标准仪器测试对比，两者的相对误差为1.47％；
粒径范围d3>1.0μm：表3中本发明与标准仪器测试对比，两者的绝对误差为11；表4中现有技术与标准仪器测试对比，两者的绝对误差为-15；
粒径范围d4>2.5μm：表3中本发明与标准仪器测试对比，两者的绝对误差为-20；表4中现有技术与标准仪器测试对比，两者的绝对误差为-24；
粒径范围d5>5.0μm：表3中本发明与标准仪器测试对比，两者的绝对误差为1；表4中现有技术与标准仪器测试对比，两者的绝对误差为1。
分析结论：本发明采用一个光学透镜的颗粒物检测装置与现有技术采用两个独立的光学透镜颗粒物检测装置，分别与标准仪器对比发现：本发明采用一个光学透镜误差较小，效果较好，本发明成本低，更适于小型化、便携化，一个光学透镜省却了两个光学透镜之间的距离，减少了调光自由度，降低了安装及调试难度。
实施例二
请参考图5，本发明的实施例公开了一种高精度颗粒物质量浓度检测装置，与实施例一公开的一种高精度颗粒物质量浓度检测装置的不同之处在于，所述激光发射单元还包括一导光管50，所述激光发射单元包括光源3、定位件20、安装件30、光学透镜100和导光管50，所述导光管50整体为两端开口的圆筒状结构；
请参考图6，所述安装件30与光学透100可为一体成型，也可以为可拆卸连接，所述定位件20整体为两端开口、内部中空的圆筒状结构，所述定位件20一端与光源30活动连接，例如套接、螺纹连接等，用于对所述光源3进行定位，另一端与所述导光管50连接，所述导光管50另一端与所述安装件30活动连接，进而保证所述光源3的中心处与光学透镜100的中心处位于同一直线上，所述导光管50可防止光源3发出的激光光束散出，尽可能多地通向光学透镜100进行整形，最终形成线形光束。
实施例三
请参考图7，本实施例公开了一种高精度颗粒物质量浓度检测装置，与实施例一、二公开的一种高精度颗粒物质量浓度检测装置的不同之处在于，省去了实施例一、二中的定位件20、外壳40、导光管50，也可以实现检测；如图7所示，包括光源3、光学透镜100、安装件30、激光检测单元5、进气口6、出气口7及壳体60，所述进气口6和出气口7均位于所述壳体60上，所述光源3、安装件30均固定安装于所述壳体60内，所述光源3经光学透镜100整形后形成的线形光束70。
为了保证测试效果，根据使用要求，可对一种高精度颗粒物质量浓度检测装置进行选型：
选型一：选择实施例一的方案，如图2、3、4所示，激光发射单元包括光源3、光学透镜100、定位件20、安装件30和外壳40，所述激光发射单元和激光检测单元均安装于所述壳体60内，这种选型，适合在一些微小型化颗粒物质量浓度检测装置中使用，利于应用在汽车、空气净化器、医疗、便携可穿戴领等域。
选型二：选择实施例二的方案，如图5、6所示，激光发射单元包括光源3、光学透镜100、定位件20、导光管50、安装件30和外壳40，所述激光发射单元和激光检测单元均安装于所述壳体60内，这种选型，适合在室外，例如应用于物联网网格化监测系统及粒子计数器等领域。
实施例四
请参考图8a、8b、9、10，本实施例公开了一种光学透镜100，所述光学透镜100一面为光轴对称的非球面1，另一面为圆柱面2；所述光轴对称的非球面1设置于光的入射面，所述圆柱面2设置于光的出射面；如图9、10所示，所述光学透镜100中的圆柱面2为正柱面，激光光束从光轴对称的非球面1射入准直，经圆柱面2整形后形成会聚均匀的光束，所述光束在垂直于所述激光发射方向的平面内会聚为直线，且在直线上的各个点的光强基本上相同，由此使得会聚后的光束的光强变得均匀。
在实际使用时，光轴对称的所述非球面1的曲率半径R1为2-10mm，所述圆柱面2的曲率半径R2为3-9mm，光轴对称的非球面至圆柱面的厚度D为1.5-3.5mm。
本实施例中的光学透镜为非专用光学透镜，可通过定制加工而成，体积小且成本低，是解决颗粒物传感器高精度、低功率、微小型化和低成本的关键技术，不仅可应用于民用空气品质检测领域、空气净化领域，还有望应用于医疗领域、便携及可穿戴领域。
本发明中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (15)
1.一种高精度颗粒物质量浓度检测装置，包括激光发射单元和激光检测单元，其特征在于：所述激光发射单元包括光源和光学透镜，所述光源产生的光束经光学透镜整形后形成线形光束，所述激光检测单元接收经过线形光束的颗粒物，并输出对应的检测信号。
2.根据权利要求1所述一种高精度颗粒物质量浓度检测装置，其特征在于：所述光学透镜的一面为光轴对称的非球面，另一面为圆柱面；光轴对称的所述非球面设置于光的入射面，所述圆柱面设置于光的出射面。
3.根据权利要求2所述一种高精度颗粒物质量浓度检测装置，其特征在于：所述光学透镜的圆柱面为正柱面。
4.根据权利要求2所述一种高精度颗粒物质量浓度检测装置，其特征在于：光轴对称的所述非球面的曲率半径为2-10mm，所述圆柱面的曲率半径为3-9mm，光轴对称的非球面至圆柱面的厚度为1.5-3.5mm。
5.根据权利要求2所述一种高精度颗粒物质量浓度检测装置，其特征在于：所述激光发射单元还包括安装件，所述安装件与光学透镜一体成型或可拆卸连接，用于对光学透镜进行定位。
6.根据权利要求5所述一种高精度颗粒物质量浓度检测装置，其特征在于：所述激光发射单元还包括定位件，所述定位件一端与光源活动连接，另一端与安装件活动连接。
7.根据权利要求6所述一种高精度颗粒物质量浓度检测装置，其特征在于：所述激光发射单元还包括导光管，所述定位件一端与光源活动连接，另一端通过导光管与安装件活动连接。
8.根据权利要求6或7所述一种高精度颗粒物质量浓度检测装置，其特征在于：所述激光发射单元还包括外壳，所述外壳套设在定位件及安装件的外部，用于对两者进行定位。
9.根据权利要求8所述一种高精度颗粒物质量浓度检测装置，其特征在于：所述光源和光学透镜之间及其远离光源方向所在的延长线的外壳内部空间形成所述颗粒物检测通道，所述颗粒物检测通道远离光源一端设有光陷阱，可以消除激光发射单元产生的激光光束通过颗粒物检测通道后产生的反射，所述光学透镜与光陷阱之间的外壳内设有所述激光检测单元。
10.根据权利要求9所述一种高精度颗粒物质量浓度检测装置，其特征在于：所述光学透镜与光陷阱之间的外壳上还设有进气口，进气口和外壳内部空间形成颗粒物流通通道，所述颗粒物检测通道和颗粒物流通通道相交于所述外壳内部的气室。
11.根据权利要求10所述一种高精度颗粒物质量浓度检测装置，其特征在于：所述光学透镜与光陷阱之间的外壳上还设有出气口，所述进气口和出气口及外壳内部空间形成颗粒物流通通道，使得颗粒物可从所述进气口进入所述颗粒物流通通道，并从所述出气口排出，所述颗粒物检测通道和颗粒物流通通道相交于所述外壳内部的气室。
12.根据权利要求11所述一种高精度颗粒物质量浓度检测装置，其特征在于：所述颗粒物流通通道还连接有抽气装置，所述抽气装置可设置在壳体的内部或外部，所述抽气装置分别连通进气口和/或出气口，用于将被测气体引入至颗粒物流通通道中。
13.根据权利要求5所述一种高精度颗粒物质量浓度检测装置，其特征在于：还包括壳体，所述壳体上设有进气口和出气口，所述光源、安装件均位于所述壳体内，所述光源和光学透镜之间及其远离光源方向所在的延长线的壳体内部空间形成所述颗粒物检测通道，所述进气口和出气口及壳体内部空间形成颗粒物流通通道，所述颗粒物检测通道和颗粒物流通通道相交于所述壳体内部的气室。
14.根据权利要求2所述一种高精度颗粒物质量浓度检测装置，其特征在于：还包括PCB电路板，所述PCB电路板上设置有所述激光发射单元、激光检测单元和一通讯接口，所述通讯接口可与外部设备联通，实现数据的传输。
15.一种光学透镜，其特征在于：所述光学透镜一面为光轴对称的非球面，另一面为圆柱面；激光光束从光轴对称的非球面射入准直，经圆柱面整形后形成会聚均匀的光束。
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