CN113552044A - 粒子计数器计量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供粒子计数器计量方法，包括：将激光器的输出光束进行整形得到工作光束；标定前置放大电路的输出电压；标定不同粒径对应的门槛电压；设置DAC的门限值，通过比较器完成不同通道的计数。通过设置DAC结合比较器，能够高效且准确的完成计数，成本低、功耗小；标定粒子计数器后进行计量，步骤简洁且极大降低了最终计量结果的偏差范围，计量效率高、可靠性好，易于实现，有利于计量技术的进一步推广和发展。

Description

粒子计数器计量方法

技术领域

本发明属于计量技术领域，尤其涉及采用光学粒子计数器的进行计量的工作方法。

背景技术

计量是检测的科学，是利用技术和法制手段实现单位统一和量值准确可靠的测量。《中华人民共和国计量法》对计量工作也有相关规定，如计量做法不符合要求，还可能存在法律风险。

光散射式激光粒子计数器一般是用于测量洁净环境中单位体积内尘埃粒子数和粒径分布的仪器。其计量方法基于米氏散射原理，光学模组的探测激光经尘埃粒子散射后由光电接收模组接收并产生脉冲信号，该脉冲信号被输出并放大，然后进行信号处理，通过与标准粒子信号进行比较，将对比结果用不同的参数表示出来。粒子计数器广泛应用于医药、精密机械、微生物等行业中，也是防疫站、疾控中心、质量监督所等权威机构的主要计量设备之一。随着GMP认证制度逐步实施，以及气溶胶中颗粒对于疾病的传播分析，粒子计数器计量方法的优劣其重要性越来越突出。然而，现有的粒子计数器计量方法的准确性、可靠性、一致性还不能完全满足应用要求，其中一个重要原因存在于现有的粒子计数器实施计量前没有完全标定，或者没有有效标定。一般在进行计量前检验员目测激光器的光斑形状；之后依靠标准计数器，手工盲调各粒子通道比较器电压，使各通道粒子计数与标准计数器大致相同。然后实施计量，需要人工调节比较器的参考电压，一个粒径通道要调节一次。可以了解现有的粒子计数器计量方法工作效率低，也很难实现多（每）台粒子计数器之间的计量结果一致性，可靠性难以提高，不能满足应用需求。

因此目前十分需要研究有效可行的粒子计数器计量方法，提高粒子计数器计量工作的精确性和可靠性，以此进一步推动计量技术的深入发展及广泛应用。

发明内容

本发明是为了解决上述现有技术的部分、全部或潜在问题，本发明提供了粒子计数器计量方法，测试空气尘埃粒子颗粒的粒径及其分布。

对于本发明可能涉及的一些名词或原理，进行示例性而非限定的说明如下：

米氏散射（Mie scattering），是一种光学现象，属于散射的一种情况。当粒子的大小接近于或者大于入射光线的波长λ的时候，大部分的入射光线会沿着前进和垂直的方向进行散射，这种现象被称为米氏散射。

粒径(particle size)：空气中某种散射粒子的直径，是与散射光的强度相对应的粒子的直径，单位µm。

标准计数器：经国家组织比对，并获得满意结果的粒子计数器。

本发明中粒子计数器计量原理具体是：在光学模组输出均匀的光场（工作区）中，通过粒子的气流，单个粒子通过米氏散射出来的光被米氏散射收集器收集后照射到光电接收模组的光敏元件上，通过前置放大电路将能量转化为电压脉冲信号。电压脉冲信号通过不同粒径通道的门槛电压比较分辨出粒径的大小。

本发明提供的粒子计数器计量方法，所述粒子计数器包括激光器、工作区、光敏元件、前置放大电路、DAC(数字模拟转换器)和比较器；步骤包括：步骤S1.将所述激光器的输出光束进行整形得到工作光束，用于光束整形的光路结构包括若干镜片；步骤S2.标定所述前置放大电路的输出电压；步骤S3.标定不同粒径对应的门槛电压；步骤S4.设置DAC的门限值，通过比较器完成不同通道的计数；所述步骤S2中包括：在所述工作区设置光路转折元件将所述工作光束转折后覆盖照射所述光敏元件，测量所述前置放大电路的输出电压。所述光路转折元件例如反光镜或若干反射镜的组合，用于将所述工作光束转折后能够照射到光敏元件用于标定前置放大电路的输出电压，所述光路转折元件可以结合粒子计数器工作区的空间大小和光敏元件的具体布局相应设置，将所述工作光束导向光敏元件。

采用比较器和DAC(数字模拟转换器)具有低成本、高速度、更大灵活性以及更低功耗等优点。信号作用到比较器的同相输入端，DAC提供的数字可编程门限作用到反相输入端。只要信号比门限值大，比较器就会产生逻辑高电平输出。通过调整DAC输出可确定峰值瞬态幅度。超越门限值时，捕获比较器的输出响应。门限值由DAC提供，只需要读取一位来表示超限状态，DAC与比较器结合用于计量不仅节约成本，而且响应快。

所述步骤S3中，标定不同粒径对应的门槛电压的过程包括在所述工作区内通过预知粒径的粒子，采集所述前置放大电路输出的波形，统计分析所述波形的峰值，标记所述预知粒径对应的门槛电压。

所述预知粒径至少有6个，包括0.3µm、0.5µm、1.0µm。

所述步骤S3之前，获取所述前置放大电路输出电压的设计理论值；将所述步骤S2中测量得到的所述前置放大电路的实际输出电压与所述设计理论值进行比对，根据比对结果预设修正参数。输出电压的设计理论值，一般可以通过计算得到。工作光束的光强确定可知，粒子计数器的光电二极管的光电转换率的标准值在光电二极管厂家出厂时提供，根据前置放大电路的增益理论可以计算出输出电压的设计理论值。计算得到的设计理论值可能与步骤S2中测量得到的前置放大电路的实际输出电压存在差异，此时无须前置放大电路实际的输出电压进行调节，而是基于这个差异预先设定一个修正系数，在后续的计量工作中通过这个预设的修正系数来弥补实际输出电压与设计理论值的差异，以保障计量结果的准确性。

所述步骤S3中，一次性统计分析所述波形的峰值，将统计分析得出的数据写入预设主控板的存储器，处理器结合所述预设修正参数给出每个粒径通道DAC的门限值。

采用虚拟示波器统计分析所述波形的峰值；所述虚拟示波器基于图形化编程的软件，包括Labview。虚拟示波器是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。其中Labview是专为测试、测量和控制应用而设计的系统工程软件，可快速访问硬件和数据信息。

所述步骤S2中，在所述光路转折元件与所述光敏元件之间设置衰减片，减弱投射到所述光敏元件的光斑光强。由于在一些具体应用中，工作光束的光强可能超出光敏元件可承受光强范围，设置衰减片能够减弱光斑光强，有效避免工作光束直接照射光敏元件而损伤光敏元件的风险。

所述步骤S2中，在所述光路转折元件与所述光敏元件之间设置光斑切割夹具，调节照射所述光敏元件的光斑面积。设置光斑切割夹具可以获得具体要求的光斑面积，更好的结合实际应用，提高标定工作的灵活性。

采用多台粒子计数器进行计量的一个情况中，所述步骤S2中，使用万用表测量每台粒子计数器的前置放大电路的实际输出电压；所述前置放大电路预设有电位计，调整所述电位计使得每台粒子计数器的输出电压保持一致。电位计和万用表操作简单，成本低，便于标定工作的完成；多台粒子计数器得到的计量结果的一致性好；提高了计量工作的可靠性。

所述步骤S1与步骤S2之间，采用激光光斑采集器获取所述工作光束的光斑信息，所述光斑信息包括光斑图像；根据所述光斑信息判断光斑大小是否符合要求，光斑内光强分布是否均匀；如不符合或不均匀，则调节所述镜片与所述激光器的间距。

所述步骤S1与步骤S2之间，预设所述工作区光功率的标准总值，测量所述工作光束的光功率，基于测量结果，调节所述工作区光功率与所述标准总值一致。所述工作区光功率与所述标准总值调节一致，有利于提高计量结果的可靠性，特别当使用多台粒子计数器计量时，结果一致性好。

与现有技术相比，本发明的主要有益效果：

1、本发明的粒子计数器计量方法，不完全依赖于现有的标准计数器进行计量，通过设置DAC结合比较器，能够高效且准确的完成计数，成本低、功耗小，特别有利于设备小型化设计。采用虚拟示波器统计分析所述波形的峰值，基于图形化编程的软件能够便捷的设定DAC的门限值，避免了人工操作的不确定性。

2、本发明的粒子计数器计量方法，标定粒子计数器后进行计量，通过设置光路转折元件能够不依赖于外部参考光源，采用粒子计数器的工作光束，一体化实施标定，步骤简洁且极大降低了最终计量结果的偏差范围，计量效率高、可靠性好，易于实现。采用本发明计量方法，极有利于计量技术的进一步推广和发展。

附图说明

图1为本发明实施例一的粒子计数器构成示意图。

图2为本发明实施例一的粒子计数器计量方法过程示意图。

图3为本发明实施例一的光斑采集示意图。

图4为本发明实施例一的光电接收模组标定工装示意图。

图5为本发明实施例二的标定工作光斑示意图。

图6为本发明实施例二的光电接收模组标定工装示意图。

具体实施方式

下面将对本发明具体实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解。附图中，相同结构或功能的部分利用相同的附图标记来标记，出于显示清楚的原因必要时并不是所有示出的部分在全部附图中用所属的附图标记来标记。

在下述实施例中采用特定次序描绘了实施例的操作，这些次序的描述是为了更好的理解实施例中的细节以全面了解本发明，但这些次序的描述并不一定与本发明的方法一一对应，也不能以此限定本发明的范围。

需要说明的是，附图中的流程图和框图，图示出按照本发明实施例的方法可能实现的操作过程。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以并不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以穿插的执行，依所涉及的步骤要实现的目的而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与人工操作结合来实现。

实施例一

本发明实施例一中，如图1所示，本实施例示例的粒子计数器，由提供工作光束的光学模组、进行探测的工作区、进行光学信号接收和转换的光电接收模组以及处理器、比较器和DAC构成。其中工作区是光敏工作区及米氏散射收集器。光学模组中有作为激光光源的激光器及其供电部件，通过调节激光器供电可以调节激光器的输出光强。本实施例中，在光敏工作区的光场中通过一定浓度的粒子的气流，单个粒子通过米氏散射收集器后出来的光被光电接收模组收集，投射到光电接收模组的光敏元件上。本实施例的光敏元件是光电二极管，在也有的实施情况中采用其他光敏元件如光敏三极管等，并不限定。通过前置放大电路将能量转化为电压脉冲信号，通过处理器、比较器和DAC完成信号转换实现计数。本实施例中处理器、比较器、DAC和光电二极管、前置放大电路通过预设的主控板片上集成，主控板上还集成有存储器用于记录计量结果等数据。在其他一些具体情况中也可以光电接收模组是单独集成后与主控板电连接或通信连接。主控板上也可以集成有其他电气部件，并不限定。

本实施例中，如图2所示粒子计数器计量方法包括：步骤S1.光束整形与工作光斑标定；步骤S2.标定前置放大电路的输出电压；步骤S3.标定不同粒径对应的门槛电压；步骤S4.设置DAC的门限值（即DAC的输出电压），通过比较器完成不同通道的粒子计数。

步骤S1中，在靠近激光器输出端设置有光路整形结构，先将激光器的输出光束的高斯光斑进行整形得到工作光束，工作光束在工作区形成的光斑是平顶均匀化的。用于光束整形的光路结构即光路整形结构中包括若干镜片，如准直透镜。本实施例中，如图3所示，在光路整形完成后，采用激光光斑采集器采集光斑信息，示例的是一个设置在滑轨上前后位置可调的CCD相机获取多个工作光束的光斑信息，通过光斑信息评估工作区的光斑大小是否符合要求。如果不符合则调节光学模组中光束整形结构中的若干镜片与激光器的间距。在也有的实施情况中只是光路整形后标定前置放大电路的输出电压，并不对工作光束的光斑进行如本实施例示例的标定，并不限定。

本实施例中，如图4所示，本实施例的标定工装是由一面反光镜作为光路转折元件，在光路上还加设了衰减片，减弱工作光束光强。衰减片的选择根据实际应用情况以及实际用于计量的粒子计数器的光敏元件设置，用于保护光敏元件，以免工作光束光强超出光敏元件承受范围而损坏光敏元件，影响后续计量工作。

本实施例步骤S3之前，先获取前置放大电路输出电压的设计理论值，一般情况下前置放大电路的输出电压的设计理论值，在工作光束确定的情况下可以通过计算确定。步骤S2中测量得到的所述前置放大电路的实际输出电压，与前置放大电路输出电压的设计理论值进行比对，根据比对结果预设修正参数。一个示例的情况，在步骤S2中，采用万用表测量用于计量的粒子计数器的前置放大电路输出电压。获知前置放大电路输出电压设计理论值为2伏时，万用表测得本实施例采用的粒子计数器的前置放大电路实际输出电压为1.8伏。分析可知，本实施例的粒子计数器的前置放大电路实际输出电压只有设计理论值的90%，由此设定相应修正参数。本实施例中，采集所述前置放大电路输出的波形，一次性统计分析所述波形的峰值，采用虚拟示波器统计分析所述波形的峰值，将统计分析得出的数据写入预设主控板的存储器，处理器结合预设修正参数给出每个通道DAC的输出电压值(门限值)。本实施例的粒径标定设备采用带有高速ADC板卡的Labview采集系统，本实施例采用虚拟示波器基于图形化编程的软件具体是Labview，并不限定，也可以是其他能够直观显示应用的各个方面，包括硬件配置、测量数据和调试的图形化编程的软件。例如：通过0.3µm的粒子，然后用Labview采集前置放大电路输出的波形，统计分析每个波形的峰值，然后标记出0.3µm粒子的门槛电压；通过0.5µm的粒子，然后用Labview采集前置放大电路输出的波形，统计分析每个波形的峰值，然后标记出0.5µm粒子的门槛电压；通过1.0µm的粒子，然后用Labview采集前置放大电路输出的波形，统计分析每个波形的峰值，然后标记出1.0µm粒子的门槛电压。根据粒子计数器的粒径通道数量通过多个预设粒径的粒子进行标定，一般的预设粒径至少有6个。本实施例中，6通道粒子计数器可以采用6路DAC和比较器实现不同通道计数。

实施例二

因为粒子计数器的光强要求均匀，并且在整个工作区每个点的光强是相同的，要求每台粒子计数器的光学模组的光强一致性要好。如图5所示，实施例二与实施例一的区别主要在于，标定光斑时除了采用CCD相机还采用一台光功率计，步骤S1中，还根据实际应用需要的工作光束的光强，光强等于单位面积的光功率，由此预设工作区光功率的标准总值，测量工作光束的光功率，基于测量结果，调节工作区光功率与所述标准总值一致，由此来标定工作光束的光强。本实施例中采用多台粒子计数器进行计量，采用光功率计，计算每台粒子计数器的工作光束总功率，然后调整激光供电，使得每台光学模组中激光器整形后的功率保持一致。

实施例二与实施例一的另外一个区别如图6所示，标定工装还包括在衰减片与光电二极管之间加设的光斑切割夹具。步骤S2中，通过光斑切割夹具调整照射光电二极管的光斑面积，以及进一步调节工作光束光强。

本发明为了便于叙述清楚而采用的一些常用的英文名词或字母只是用于示例性指代而非限定性解释或特定用法，不应以其可能的中文翻译或具体字母来限定本发明的保护范围。

以上对本发明进行了详细介绍，本文中应用了具体的个例对本发明的结构及工作原理进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求保护的范围内。

Claims (9)

1.粒子计数器计量方法，其特征在于：所述粒子计数器包括激光器、工作区、光敏元件、前置放大电路、DAC和比较器；步骤包括：

步骤S1.将所述激光器的输出光束进行整形得到工作光束，用于光束整形的光路结构包括若干镜片；

步骤S2.标定所述前置放大电路的输出电压；

步骤S3.标定不同粒径对应的门槛电压；

步骤S4.设置所述DAC的门限值，通过所述比较器完成不同通道的计数；

所述步骤S2中包括：在所述工作区设置光路转折元件将所述工作光束转折后覆盖照射所述光敏元件，测量所述前置放大电路的输出电压。

2.根据权利要求1所述的粒子计数器计量方法，其特征在于：标定不同粒径对应的门槛电压的过程包括：在所述工作区内通过预知粒径的粒子，采集所述前置放大电路输出的波形，统计分析所述波形的峰值，标记所述预知粒径对应的门槛电压。

3.根据权利要求2所述的粒子计数器计量方法，其特征在于：所述步骤S3之前，获取所述前置放大电路输出电压的设计理论值；将所述步骤S2中测量得到的所述前置放大电路的实际输出电压与所述设计理论值进行比对，根据比对结果预设修正参数。

4.根据权利要求3所述的粒子计数器计量方法，其特征在于：所述步骤S3中，一次性统计分析所述波形的峰值，将统计分析得出的数据写入预设主控板的存储器，处理器结合所述预设修正参数给出每个粒径通道DAC的门限值。

5.根据权利要求2所述的粒子计数器计量方法，其特征在于：采用虚拟示波器统计分析所述波形的峰值；所述虚拟示波器基于图形化编程的软件，包括Labview。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的粒子计数器计量方法，其特征在于：所述步骤S2中，在所述光路转折元件与所述光敏元件之间设置衰减片，减弱投射到所述光敏元件的光斑光强。

7.根据权利要求6所述的粒子计数器计量方法，其特征在于：所述步骤S2中，在所述光路转折元件与所述光敏元件之间设置光斑切割夹具，调节照射所述光敏元件的光斑面积。

8.根据权利要求1-5任意一项所述的粒子计数器计量方法，其特征在于：所述步骤S1与步骤S2之间，采用激光光斑采集器获取所述工作光束的光斑信息，所述光斑信息包括光斑图像；根据所述光斑信息判断光斑大小是否符合要求，光斑内光强分布是否均匀；如不符合或不均匀，则调节所述镜片与所述激光器的间距。

9.根据权利要求8所述的粒子计数器计量方法，其特征在于：所述步骤S1与步骤S2之间，预设所述工作区光功率的标准总值，测量所述工作光束的光功率，基于测量结果，调节所述工作区光功率与所述标准总值一致。

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