CN112730180B - 一种具有双探测器的高灵敏度尘埃粒子计数传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有双探测器的激光尘埃粒子计数传感器，该粒子计数传感器包括气体通道、照明光路、椭球反射镜和两个光电探测器，在照明光路上依次设有非球面准直镜、4f透镜系统、入射光阑、出射光阑和光陷阱，该气体通道和照明光路在椭球反射镜的一个焦点处交叉形成光敏区，当气体中的粒子经过光敏区时会产生散射光，其中大部分散射光信号经椭球镜反射至位于椭球镜另一焦点处的光电探测器上用来测量小粒子，小部分散射光信号直接照射在偏离照明光路的光电探测器上用来测量大粒子。本发明结构简单、灵敏度高、探测粒径范围大，可以实现对气体样本中0.1μm‑10μm尘埃粒子的准确高效检测。
Description
技术领域
本发明涉及尘埃粒子计数技术，特别是一种具有双探测器的高灵敏度尘埃粒子计数传感器。
背景技术
目前尘埃粒子计数器的主要原理为，利用尘埃粒子在光束中产生的光散射现象，来测量尘埃粒子产生的散射光强度而推知粒子的尺寸和空气中所含的尘埃粒子的浓度。
在现有技术中，尘埃粒子计数器主要由照明系统、散射光收集系统、气路系统等组成。其中，光路系统和气路系统的轴线相交于光敏感区中心点，工作时，气路系统将被测空气吸入粒子计数器中的光敏感区，其中尘埃粒子在光束照射下产生与粒子尺寸成比例的散射信号。散射光信号被散射光收集系统接收后入射于光电探测器上，光电探测器输出与散射光强度成正比的电信号，后续信号处理系统根据此电信号的幅度给出尘埃粒子的尺寸和浓度。
其中散射光收集结构一般分为前向散射式和直角散射式。前向散射式收集光束前进方向周围的散射光信号，散射光强相对较强但是光噪声较大；直角散射式则收集光束前进方向90°周围的散射光信号，这样的结构降低光噪声的同时散射光信号强度较低。
尘埃粒子计数器通过光电探测器输出的电信号大小作为识别粒子大小的标准，由于尘埃粒子的散射光信号是极其微弱的，很弱的杂散光进入光电转换器都会导致测量结果的不准确，同时光敏区光束的不均匀也会使测量结果出现偏差。而目前的粒子计数器往往光敏区光斑均匀程度较低且杂散光较多，信噪比较低，很难达到较高的灵敏度。
由于大粒子的信号强度远大于小粒子的信号强度，同一探测器能测到小粒子信号时大粒子信号往往已经超出探测范围，这就大大限制了尘埃粒子计数器的粒径测量范围，限制了仪器的适用范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有双探测器的高灵敏度尘埃粒子计数传感器，可以有效解决背景技术中提到的粒子计数器中散射光系统收集到的光信号小、光敏区光束不均匀、杂散光进入光电探测器影响信噪比以及测量粒径范围小等问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种具有双探测器的高灵敏度尘埃粒子计数传感器，包括半导体激光器、非球面准直透镜、4f系统第一透镜、第一入射光阑、4f系统第二透镜、第二入射光阑、光敏区、出射光阑、光陷阱、椭球型反射镜、第一光电探测器、第二光电探测器、进气嘴和出气嘴；半导体激光器发出的激光依次经过非球面准直透镜、4f系统第一透镜、第一入射光阑、4f系统第二透镜、第二入射光阑、光敏区、出射光阑和光陷阱；进气嘴和出气嘴构成采样气路与照明光路垂直交叉形成光敏区位于椭球反射镜的一个焦点处；且第一入射光阑位于4f系统第一透镜的后焦点处、4f系统第二透镜的前焦点处；第一光电探测器和第二光电探测器置于不同位置，第一光电探测器位于椭球反射镜的另一个焦点处，第二光电探测器位于椭球反射镜外偏离主光束的方向。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明中使用大功率半导体激光器作为光源，光敏区光强大，相应的散射光信号强度变大，可以测到更小的粒子；(2)半导体激光器发出的光束经过非球面准直透镜以及两片4f系统透镜后光敏区的光束均匀性更好，粒子计数器的分辨率更高；(3)采用2个探测器收集不同角度散射光，一个用来测量大粒子信号、一个用来测量小粒子信号，因此可以测量更大粒径范围粒子；(4)在4f系统中间处设置的第一入射光阑、4f系统第二透镜和光敏区之间设置的第二入射光阑以及出射光阑可以有效地降低杂散光的强度、大大地提高仪器的信噪比，从而使仪器可以达到更高的灵敏度。
附图说明
图1是本发明的一种具有双探测器的高灵敏度尘埃粒子计数传感器的照明系统及反射光收集结构示意图。
图2是本发明的照明系统及气路系统结构示意图。
图3是进气嘴示意图。
具体实施方式
如图1、图2所示，一种具有双探测器的高灵敏度尘埃粒子计数传感器，包括半导体激光器1、非球面准直透镜2、4f系统第一透镜3、第一入射光阑4、4f系统第二透镜5、第二入射光阑6、光敏区7、出射光阑8、光陷阱9、椭球型反射镜10、第一光电探测器11、第二光电探测器12、进气嘴13和出气嘴14；半导体激光器1发出的激光依次经过非球面准直透镜2、4f系统第一透镜3、第一入射光阑4、4f系统第二透镜5、第二入射光阑6、光敏区7、出射光阑8和光陷阱9；进气嘴13和出气嘴14构成采样气路与照明光路垂直交叉形成光敏区7位于椭球反射镜的一个焦点处；且第一入射光阑4位于4f系统第一透镜3的后焦点处、4f系统第二透镜5的前焦点处；第一光电探测器11和第二光电探测器12置于不同位置，第一光电探测器11位于椭球反射镜10的另一个焦点处，第二光电探测器12位于椭球反射镜10外偏离主光束的方向。
进一步的，所述半导体激光器1采用功率大于或等于1W的半导体激光器光源。
进一步的，所述半导体激光器1位于非球面准直镜2的前焦点处。
进一步的，所述光敏区7位于4f系统第二透镜5的后焦点处。
进一步的，所述椭球反射镜10由两个半椭球反射镜面组成，其中靠近第一光电探测器11的半椭球反射镜面去除了焦平面外侧靠近顶点的部分以便安装，远离第一光电探测器11的半椭球反射镜面在气路和光路上开有圆孔以便光束和气流通过。
进一步的，所述进气嘴13采用扁平式结构。
进一步的，4f系统第一透镜3和4f系统第二透镜5是2片相同的凸透镜。
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
实施例
请参阅图1、图2。图1和图2是本发明所公开的一种具有双探测器的高灵敏度尘埃粒子计数传感器的结构示意图。本发明包括照明系统、气路系统和散射光收集系统。
照明系统由半导体激光器1、非球面准直透镜2、4f系统第一透镜3、第一入射光阑4、4f系统第二透镜5、第二入射光阑6、光敏区7、出射光阑8和光陷阱9组成，其中第一入射光阑4放置于4f系统第一透镜3的后焦点处、也是4f系统第二透镜5的前焦点处、第二入射光阑6放置于4f系统第二透镜5和光敏区7的前面，出射光阑8放置于光敏区7和光陷阱9之间。半导体激光器1采用大于等于1W的大功率半导体激光光源，大功率照明增强了散射信号的幅度，使得粒子计数器可以探测到更小粒径的尘埃粒子，从而提高了系统的计数效率和粒径分辨率。半导体激光器1发出截面为矩形的发散光束，经过短焦距非球面准直透镜2转换为平行光，该平行光经过由4f系统第一透镜3、第一入射光阑4和4f系统第二透镜5组成的4f系统进行光束能量均匀化并消杂光，再经过第二入射光阑6后于光敏区7处形成截面为线形的均匀光斑。激光光束穿过光敏区7后经过出射光阑8进入光陷阱9，并被光陷阱9所吸收。其中照明系统的光阑皆保持尖锐角度。这种设计能提高光敏区7处光斑的均匀性，在保证全部的尘埃粒子通过光敏区7的基础上，尽可能的消除杂散光，大大地提高传感器的信噪比，从而提高传感器的灵敏度。
气路系统主要由一个进气嘴13、一个出气嘴14构成。所述光路系统和气路系统垂直交叉于光敏区7。如图3所示，进气嘴13具有扁平式结构。抽气泵将外界被测气体通过所述扁平式进气嘴13吸入传感器内，带有被测尘埃粒子的采样气流通过光敏区7被上述均匀光束照射产生散射光信号。这样的设计可以减小气流在光敏区7的扩散，大大提高传感器的粒子分辨率和灵敏度。
散射光收集系统主要包括椭球型反射镜10、第一光电探测器11和第二光电探测器12。所述光敏区7和第一光电探测器11中心位于椭球型反射镜10的两个焦点处。椭球型反射镜10由两个半椭球型反射镜组成，靠近第一光电探测器11一侧的半椭球型反射镜去除掉焦点外的一部分以便于安装，靠近光敏区7一侧的反射镜在照明系统和气路系统上分别开有圆孔以便于光束和气流通过。所述第一光电探测器11和第二光电探测器12采用与光源波长相匹配的高灵敏度光电二极管。当被测气体通过光敏区7时，光束照射在尘埃粒子上产生的散射光其中大部分散射光信号经椭球镜反射至位于椭球镜另一焦点处的第一光电探测器11上用来测量小粒子，小部分散射光信号直接照射在椭球型反射镜10外偏离照明光路的第二光电探测器12上用来测量大粒子。这种椭球型反射光收集结构收集了除主光束方向外近乎全部的散射光，极大地提高了散射光的收集效率，提高了传感器的灵敏度，而双探测器的设计则很好地扩大了粒径测量范围。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，本发明还会有各种变化和改进，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种具有双探测器的高灵敏度尘埃粒子计数传感器，其特征在于：包括半导体激光器(1)、非球面准直透镜(2)、4f系统第一透镜(3)、第一入射光阑(4)、4f系统第二透镜(5)、第二入射光阑(6)、光敏区(7)、出射光阑(8)、光陷阱(9)、椭球型反射镜(10)、第一光电探测器(11)、第二光电探测器(12)、进气嘴(13)和出气嘴(14)；半导体激光器(1)发出的激光依次经过非球面准直透镜(2)、4f系统第一透镜(3)、第一入射光阑(4)、4f系统第二透镜(5)、第二入射光阑(6)、光敏区(7)、出射光阑(8)和光陷阱(9)；进气嘴(13)和出气嘴(14)构成采样气路与照明光路垂直交叉形成光敏区(7)位于椭球型 反射镜的一个焦点处；且第一入射光阑(4)位于4f系统第一透镜(3)的后焦点处、4f系统第二透镜(5)的前焦点处；第一光电探测器(11)和第二光电探测器(12)置于不同位置，第一光电探测器(11)位于椭球型 反射镜(10)的另一个焦点处，第二光电探测器(12)位于椭球型 反射镜(10)外偏离主光束的方向；
所述半导体激光器(1)采用功率大于或等于1W的半导体激光器光源；所述半导体激光器(1)位于非球面准直透 镜(2)的前焦点处；所述光敏区(7)位于4f系统第二透镜(5)的后焦点处；所述进气嘴(13)采用扁平式结构。
2.如权利要求1所述的具有双探测器的高灵敏度尘埃粒子计数传感器，其特征在于，所述椭球型 反射镜(10)由两个半椭球反射镜面组成，其中靠近第一光电探测器(11)的半椭球反射镜面去除了焦平面外侧靠近顶点的部分，远离第一光电探测器(11)的半椭球反射镜面在气路和光路上开有圆孔。
3.如权利要求1所述的具有双探测器的高灵敏度尘埃粒子计数传感器，其特征在于，所述4f系统第一透镜(3)和4f系统第二透镜(5)为2片相同的凸透镜。
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