CN113552050A - 一种粒子计数器的工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种粒子计数器的工作方法包括：对光电接收模组进行预标定。所述预标定包括：提供激光光源，使激光光源的光照完全覆盖照射所述光电转换器；测量前置放大电路的实际输出电压，与标准输出电压对比，得到修正系数。根据修正系数和每种粒径粒子对应的标准门槛电压，设置每种粒径粒子对应通道的数字模拟转换器的输出电压；在光学模组输出的光场中通入待检测的粒子气流，通过输出电压分辨出每种粒径粒子的粒子数。该技术方案的有益效果在于，通过对光电接收模组的预标定，得到粒子计数器的修正系数，保证光电接收模组的一致性，提高粒子计数器的计数准确度和精度。

Description

一种粒子计数器的工作方法

技术领域

本发明属于粒子计数器的技术领域，尤其涉及一种粒子计数器的工作方法。

背景技术

尘埃粒子计数器，是一种用来测量空气中微粒的数量及大小的仪器，从而为空气洁净度的评定提供依据。常见的尘埃粒子计数器是光散射式的，测量粒径范围0.1-10μm。

目前，尘埃粒子计数器广泛应用于医药、电子、精密机械、彩管制造、微生物等行业中，实现对各种洁净等级的工作台、净化室、净化车间的净化效果、洁净级别进行监控，从而降低生产、实验过程中受到颗粒物污染的问题。

粒子计数器的基本原理是，光学传感器的探测激光经尘埃粒子散射后被光敏元件接收并产生脉冲信号，该脉冲信号被输出并放大，然后进行数字信号处理，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。空气中的微粒在光的照射下会发生散射，这种现象较光散射，光散射和微粒大小、光波波长、微粒折射率及微粒对光的吸收特性等因素有关。但是，就散射光强度和微粒大小而言，有一个基本规律，就是微粒散射光的强度随微粒的表面积增加而增大。这样，只要测定散射光的强度就可推知微粒的大小。实际上，每个粒子产生的散射光强度很弱，是一个很小的光脉冲，需要通过光电转换器的放大作用，把光脉冲转化为信号幅度较大的电脉冲，然后再经过电路系统的进一步放大和甄别，从而完成对大量电脉冲的计数工作。此时，电脉冲数量对应于微粒的个数，电脉冲的幅度对应于微粒的大小，这就是光散射式粒子计数器的基本原理。

现有的粒子计数器产品计数的粒径识别精度和数量的准确度还不能完全满足应用要求，其中一个重要的原因就在于粒子计数器在投入使用之前没有被标定或者标定效果没有达到预期。光电接收模组是将散射光能量转换为电信号的光电转换器，其光电转换效率的高低直接影响了粒子计数器对粒子计数准确度的判断。

目前，业界常用的标定方法是在粒子计数器生产完成后，再人工一一比对粒子计数器并调整，其以被标定的粒子计数器与标定过的粒子计数器不同粒径计数差异不大为最终标定结果。这种标定方法存在明显的缺陷，标定过程因依赖人工操作，过程人为操作不确定性大，且人工标定过程缓慢、成本高，不能批量化、自动化生产，严重影响粒子计数器的出厂效率。

因此，如何提高粒子计数器的标定效率、达到批量化生产，同时保证粒子计数器的计数准确度和粒径识别精度，是本行业亟需解决的一个重要问题。

发明内容

本发明提供一种粒子计数器的工作方法，可提高粒子计数器的标定效率，并同时提高对粒子分类的准确度和精度，达到批量化生产的目的。

本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。

为达上述之一或部分或全部目的或其他目的，本发明一实施例所提供的粒子计数器包括依次设置的光学模组、测量腔、光电接收模组以及主控板；粒子计数器的工作方法包括以下步骤：对光电接收模组进行预标定，所述光电接收模组包括电连接的光电转换器和前置放大电路。其中，所述预标定包括：步骤1.1.提供激光光源，使激光光源的光照完全覆盖照射所述光电转换器；步骤1.2.测量所述前置放大电路的实际输出电压，将其与标准输出电压对比，得到修正系数。根据所述修正系数和每种粒径粒子所对应的标准门槛电压，设置所述主控板中每种粒径粒子所对应通道的数字模拟转换器的输出电压；在所述光学模组输出的光场中通入待检测的粒子气流，通过输出电压比较分辨出每种粒径粒子的粒子数。该技术方案的有益效果在于，通过对光电接收模组的预标定，得到粒子计数器的修正系数，保证光电接收模组的一致性，提高粒子计数器的计数准确度和精度；此外，预标定步骤仅对偏差进行记录，无需人工手动调整，而是在后续需要使用时依据修正系数进行调整，提高了产品的出厂效率，降低了人工成本。

进一步地，所述修正系数定义为粒子计数器的前置放大电路的实际输出电压与标准输出电压的比值，所述数字模拟转换器的输出电压为标准门槛电压与修正系数的乘积；所述标准输出电压为通过光电转换器的光电转换系数以及前置放大电路的增益阻抗理论计算得到的电压值。

其中，所述标准门槛电压的设定方法包括：在所述粒子计数器的测量腔中分别依次通入不同粒径尺寸的粒子；分别采集不同粒径尺寸的粒子所对应的前置放大电路输出电压的输出波形，统计分析每种粒径尺寸的粒子所对应的波形的峰值，并分别标记出不同粒径尺寸的粒子所对应的标准门槛电压。

所述统计分析采用正态分布进行统计处理。

所述工作方法还包括：将不同粒径尺寸的粒子所对应的标准门槛电压一次性写入粒子计数器的主控板的存储器中，主控板的处理器结合修正系数和标准门槛电压，调整不同粒径尺寸的粒子所对应通道的数字模拟转换器的输出电压。该方案的有益效果在于，通过一次性标记出多个不同粒径尺寸粒子的标准电压，并写入主控板的存储器，供后续调用，提高了标定效率。

在一种优选的方案中，所述光电接收模组还包括存储器例如EEPROM，所述存储器设置在所述前置放大电路上；所述步骤1.2还包括将所述前置放大电路的实际输出电压和修正系数写入所述存储器中，并在执行步骤2时，通过CPU读取所述存储器中的修正系数，主控板的处理器结合修正系数和标准门槛电压，调整不同粒径尺寸的粒子所对应通道的数字模拟转换器的输出电压。该技术方案的有益效果在于，通过将粒子计数器的实际输出电压和修正系数写入前置放大电路的存储器中，并在后续使用中通过调用修正系数，调整粒子计数器的数字模拟转换器的输出电压值为标准输出电压值与修正系数的乘积，实现自动化调整的目的，无需人工在出厂前手动调试完成，而是在使用过程中实时调整，提高了产品的出厂效率；此外，通过将修正系数写入前置放大电路上的存储器中，将存储器与其所对应的光电接收模组绑定，方便光电接收模组的即插即用、以及更换操作，无需手动调节。

在另一优选的方案中，所述步骤1.2还包括记录所述前置放大电路所对应的粒子计数器的编号及修正系数，并在执行步骤2时，将所述粒子计数器的修正系数写入主控板的存储器，以便在粒子计数器使用时，主控板调用粒子计数器对应编号的修正系数，主控板的处理器结合修正系数和标准门槛电压，调整不同粒径尺寸的粒子所对应通道的数字模拟转换器的输出电压。所述记录方式可以为人工手动记录、也可以是机器自动读取。该技术方案的有益效果在于，避免出厂前人工一一调试，仅以记录的方式记录各粒子计数器的编号和修正系数，方便后续使用粒子计数器时调用相对应的参数，实时调整，提高了效率。

所述粒子计数器的工作方法还包括：对光学模组进行标定，所述光学模组包括激光器和给所述激光器供电的电源；其中，所述对光学模组进行标定包括：对光学模组进行一次标定，包括将光学模组输出的光投射至激光光斑采集器上，判断激光光斑采集器上呈现的光斑是否符合光学要求；或/和，对光学模组进行二次标定，所述二次标定包括：在测量腔的起点或/和终点进行光切割，得到固定面积的光斑；接入光功率计，调整所述光学模组的电源供电，使得所述固定面积的光斑的平均光强符合要求。该技术方案的有益效果在于，通过对光学模组的标定，能够提供一致性好、光场分布均匀的高质量光源，提高粒子计数器的计数准确度和精度，保证产品的一致性。

所述一次标定中的光斑是否符合要求包括：光斑大小是否符合要求、光斑的光强是否分布均匀。

所述光学模组还包括光路整形单元，所述光路整形单元对所述激光器发出的光进行整形。该技术方案的有益效果在于，经过整形后发出的光能量分布均匀、杂散光更少，提高了光学模组输出的光的光学质量。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、通过对光电接收模组的预标定中修正系数的设定，保证不同粒子计数器的光电接收模组的产品一致性，提高粒子计数器的计数准确度和精度，从而保证产品的一致性。

2、通过将光电接收模组的修正系数写入存储器，无需人工在出厂前一一标定完成，只需在需要使用时调用存储器中的修正系数，来实时调整数字模拟转换器的门槛电压，减轻了人工操作压力，提高了效率。

3、因对光学模组或/和光电接收模组的标定，提高了粒子计数器的产品一致性，避免不同的粒子计数器对同一束粒子气流的分类计数结果不同，保证了粒子计数器的准确度和精度。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明实施例一的粒子计数器的结构框架示意图。

图2为本发明实施例一的光电接收模组的预标定方法的示意图。

图3为本发明实施例一的粒子计数器的粒子的标准门槛电压设定方法的示意图。

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的一优选实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

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。

请参见图1，本发明实施例一提供一种粒子计数器。本实施例的粒子计数器包括依次设置的光学模组、测量腔、光电接收模组以及主控板。

具体地，本实施例的光学模组包括激光器、给激光器供电的电源以及光路整形单元，电源给激光器供电，激光器发出激光并经光路整形单元整形后输出照射到测量腔中。在本实施例中，选用激光器作为光源，具有体积小、稳定性高、单色性好等优点，且能探测到0.2μm的微粒，当然，在其他实施例中，出于成本及测量精度的考虑，还可以选用普通光源作为光源，例如碘钨灯，此类光源只适用于测定大于0.3μm特别是0.5μm以上的微粒，本发明对此不作具体限定。此外，本实施例中的光学模组优选的包括了光路整形单元，光路整形的目的在于将呈高斯能量分布的激光整形呈能量分布均匀的平顶光，并减少杂散广的干扰，保证光学模组输出的光的光学质量和高稳定性，在其他实施例中，也可以不设置光路整形单元，本发明对此不作具体限定。

测量腔包括光敏工作区和光学收集系统例如米氏散射收集器。光学模组输出的光进入测量腔后，形成一个体积约几个立方毫米的光敏工作区，被采集的空气从测量腔内穿过，当空气中的尘埃通过光敏工作区时，会散射出一部分光能量，然后被米氏散射收集器收集，再投射至光电接收模组。

光电接收模组包括电连接的光电转换器例如光电二极管和前置放大电路，光电二极管接收投射的光，并将光能量转换为电信号，再经由前置放大电路放大后输出。需要说明的是，本实施例中的光电二极管在其他实施例中还可以替换为其他光电转换器，例如光电倍增管，本发明对此不作具体限制。

主控板包括电连接的比较器电路、处理器、数字模拟转换器（以下简称DAC）、以及带有高速ADC板卡的Labview采集系统。

由于每个粒子计数器的光电转换器的转换效率不同，因此需要以标准输出电压为参考，对每个粒子计数器的光电接收模组进行标定，才能保证粒子计数器的准确度。具体的，请参见图2，在本实施例中，对光电接收模组进行预标定，具体包括：提供激光光源，使激光光源的光照完全覆盖照射光电转换器；测量前置放大电路的实际输出电压，将其与标准输出电压对比，得到修正系数。其中，修正系数为前置放大电路的实际输出电压与标准输出电压的比值。标准输出电压为通过光电转换器的光电转换系数以及前置放大电路的增益阻抗理论计算得到的电压值。

举例而言，激光光源提供光功率为1μW的光照，光电转换系数为0.5A/W，则经光电转换器转换得到的电流为0.5μA，前置放大电路的增益阻抗为4MΩ，那么前置放大电路理论计算得到的输出电压值为2V，2V即为标准输出电压。

通过实际测得的实际输出电压与标准输出电压的比值得到修正系数后，本实施例粒子计数器的光电接收模组内含有存储器例如为带电可擦可编程只读存储器（以下简称EEPROM），EEPROM由于其体积小的特点，可以设置在前置放大电路上，将粒子计数器的前置放大电路的实际输出电压和修正系数写入该EEPROM中，供后续使用时调用。即，相较于现有技术中对光电接收模组不作标定或在出厂前标定完成，本实施例中仅在出厂之前测量粒子计数器前置放大电路的输出电压，得到修正系数，而不对前置放大电路进行调节，而是通过在实际需要使用到粒子计数器时，通过自动调用修正系数来调整粒子计数器，减轻了在出厂前人工进行一一标定的工作量，提高了出厂效率。

接上述举例，标准输出电压为2V，在同样的光照条件下，待标定的粒子计数器的前置放大电路的实际输出电压仅为1.8V，那么，该粒子计数器的修正系数即为1.8/2=0.9，EEPROM记录该实际输出电压1.8V以及修正系数0.9。

待粒子计数器需要工作时，通过CPU读取EEPROM中的修正系数，根据修正系数和每种粒径粒子所对应的标准门槛电压，设置主控板中每种粒径粒子所对应通道的DAC的输出电压；具体来说，DAC的输出电压等于标准门槛电压与修正系数的乘积。

本实施例中采用一次性分析的方法得到数个不同粒径尺寸的粒子的标准门槛电压。具体的，请参考图3，本实施例的标准门槛电压的设定方法包括：在粒子计数器的测量腔中分别依次通入不同粒径尺寸的粒子；分别采集不同粒径尺寸的粒子所对应的前置放大电路输出电压的输出波形，统计分析每种尺寸的粒子的波形的峰值，分别标记出不同粒径尺寸的粒子所对应的标准门槛电压。统计分析采用正态分布进行处理，例如在本实施例中采用具有61%置信上限的正态分布处理，得到不同粒径尺寸的粒子所对应的标准门槛电压，标记的结果一次性写入主控板的存储器中，供后续工作时调用。

举例而言，粒子计数器一次性标定出0.3μm、0.5μm和1.0μm的粒子的标准门槛电压，具体操作为：在粒子计数器内部通过例如100万个0.3μm的粒子，通过例如带有高速ADC板卡的Labview采集系统采集这100万个粒子对应的前置放大电路输出电压的波形图，得到100万个粒子的输出电压的分布曲线，再依据61%置信上限的正态分布统计分析出标准门槛电压，得到0.3μm粒子的标准门槛电压例如为1.5V，同理得到0.5μm和1.0μm粒子的标准门槛电压，并将上述得到的所有值写入主控板的存储器中。

在粒子计数器需要对待检测气体中0.3μm以上的粒子进行检测时，CPU读取EEPROM记录的修正系数0.9，主控板的处理器结合修正系数0.9和0.3μm粒子的标准门槛电压1.5V，调整0.3μm粒子所对应通道的DAC的输出电压为1.5*0.9=1.35V，然后进行粒子计数。

得到输出电压后，在粒子计数器的光学模组输出的光场中通入待检测的粒子气流，通过输出电压比较分辨出每种粒径粒子的粒子数。

本发明实施例二提供了另一种粒子计数器的工作方法，其与实施例一的区别仅在于，本实施例的光电接收模组中不设存储器例如EEPROM，而是采用外部记录的方式记录前置放大电路所对应的粒子计数器的编号以及修正系数；待粒子计数器需要使用时，将其对应编号的修正系数写入主控板的存储器内，处理器结合修正系数和标准门槛电压，调整不同粒径尺寸的粒子所对应通道的数字模拟转换器的输出电压。本实施例的外部记录方式例如可以为手动记录、也可以为计算机自动记录，编号例如可以为各粒子计数器的二维码或其他识别标志均可。

本发明实施例三提供了又一种粒子计数器的工作方法，其与实施例一、实施例二的区别在于，本实施例中对光学模组进行了标定。本实施例的对光学模组进行标定包括：对光学模组进行一次标定，将光学模组输出的光投射至激光光斑采集器例如CCD相机上，判断CCD相机呈现的光斑是否符合要求。本实施例中采用较为方便的CCD相机进行采集，当然，在其他实施例中激光光斑采集器还可以利用小面元APD或PIN探测器搭建一个三维扫描检测设备，本发明对此不作具体限定。光斑是否符合要求的标准主要包括光斑大小是否符合要求、光斑光强是否分布均匀，当然，在实际标定过程中还可以根据实际需要制定其他要求标准。本实施例中的一次标定通过人工检查，剔除不符合要求的不良品，当然，在其他实施例中，也可以通过自动化机器标定，本发明对此不做具体限定。通过一次标定能够剔除明显达不到出厂要求的粒子计数器，为后续的标定工作节约了时间，提高了标定效率。

此外，本实施例中对光学模组的标定还包括二次标定。二次标定包括：在测量腔也即光学模组输出的光的工作区域的起点和重点进行光切割，得到固定面积的光斑；接入功率计，调整光学模组的电源供电，使得固定面积的光斑的平均光强符合要求。

为对光学模组进一步进行校准，本实施例中在一次标定完成后还进行了二次标定，进一步提高了光源的光学质量，进而保证了粒子计数器的计数准确度。在实际应用中，出于效率和成本等因素的考虑，还可以仅进行一次标定或二次标定，本实施例仅选取最优实施例说明，但本发明不以此为限。

同理，为获得高质量的光斑，本实施例中同时在测量腔的起点和终点进行光切割。具体为，通过在光学模组的输出光的工作区域（即测量腔）起点以及终点设置两个光斑切割夹具，切割出一定面积的光斑，然后接入光功率计，计算光斑的总功率，通过总功率与光斑的面积比来计算出平均光强，若平均光强与标准光强不同，则调整激光器的供电电源，使平均光强与标准光强的偏差在10%以内，则表明光学模组的输出光斑符合要求，调整完成。本实施例中的两个光斑切割夹具的孔径相同，从而保证投射到光功率计上的光斑大小一致。本实施例中通过两个光斑切割夹具在测量腔的起点和终点进行切割，能够更好地对光斑进行标定校准，提高光斑的质量，当然，在其他实施例中，也可以仅在起点或终点进行切割，本发明不以本实施例为限定。此外，本实施例在同时考虑光学要求和成本的基础上，设定光斑的平均光强与标准光强的偏差控制在10%以内即达到要求，在其他实施例中，还可以根据实际情况设定其他要求，本发明对此不做具体限定。

以上所述，仅为本发明的优选实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即所有依本发明权利要求书及说明书所作的简单的等效变化与修改，皆仍属于本发明专利涵盖的范围内。另外，本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和发明名称仅是用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本发明的权利范围。此外，本说明书或权利要求书中提及的“第一”、“第二”等用语仅用以命名元件的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。

Claims (10)

1.一种粒子计数器的工作方法，所述粒子计数器包括依次设置的光学模组、测量腔、光电接收模组以及主控板，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.对光电接收模组进行预标定，所述光电接收模组包括电连接的光电转换器和前置放大电路；其中，所述预标定包括：

步骤1.1.提供激光光源，使激光光源的光照完全覆盖照射所述光电转换器；

步骤1.2.测量所述前置放大电路的实际输出电压，将其与标准输出电压对比，得到修正系数；

步骤2.根据所述修正系数和每种粒径粒子所对应的标准门槛电压，设置所述主控板中每种粒径粒子所对应通道的数字模拟转换器的输出电压；

步骤3.在所述光学模组输出的光场中通入待检测的粒子气流，通过输出电压比较分辨出每种粒径粒子的粒子数。

2.根据权利要求1所述的粒子计数器的工作方法，其特征在于，所述修正系数为前置放大电路的实际输出电压与标准输出电压的比值，所述数字模拟转换器的输出电压为标准门槛电压与修正系数的乘积；所述标准输出电压为通过光电转换器的光电转换系数以及前置放大电路的增益阻抗理论计算得到的电压值。

3.根据权利要求2所述的粒子计数器的工作方法，其特征在于，所述标准门槛电压的设定方法包括：

在所述粒子计数器的测量腔中分别依次通入不同粒径尺寸的粒子；

分别采集不同粒径尺寸的粒子所对应的前置放大电路输出电压的输出波形，统计分析每种粒径尺寸的粒子所对应的波形的峰值，分别标记出不同粒径尺寸的粒子所对应的标准门槛电压。

4.根据权利要求3所述的粒子计数器的工作方法，其特征在于，所述统计分析采用正态分布进行统计处理。

5.根据权利要求4所述的粒子计数器的工作方法，其特征在于，所述工作方法还包括：将不同粒径尺寸的粒子所对应的标准门槛电压一次性写入粒子计数器的主控板的存储器中，主控板的处理器结合修正系数和标准门槛电压，调整不同粒径尺寸的粒子所对应通道的数字模拟转换器的输出电压。

6.根据权利要求2所述的粒子计数器的工作方法，其特征在于，所述光电接收模组还包括存储器，所述存储器设置在所述前置放大电路上；步骤1.2还包括将所述前置放大电路的实际输出电压和修正系数写入所述存储器中；并在执行步骤2时，通过CPU读取所述存储器中的修正系数，主控板的处理器结合修正系数和标准门槛电压，调整不同粒径尺寸的粒子所对应通道的数字模拟转换器的输出电压。

7.根据权利要求2所述的粒子计数器的工作方法，其特征在于，所述步骤1.2还包括记录所述前置放大电路所对应的粒子计数器的编号以及修正系数；并在执行步骤2时，将所述粒子计数器的修正系数写入主控板的存储器，主控板的处理器结合修正系数和标准门槛电压，调整不同粒径尺寸的粒子所对应通道的数字模拟转换器的输出电压。

8.根据权利要求1所述的粒子计数器的工作方法，其特征在于，所述粒子计数器的工作方法还包括：对光学模组进行标定，所述光学模组包括激光器和给所述激光器供电的电源；其中，所述对光学模组进行标定包括：

对光学模组进行一次标定，包括将光学模组输出的光投射至激光光斑采集器上，判断激光光斑集器上呈现的光斑是否符合光学要求；

或/和对光学模组进行二次标定，所述二次标定包括：

在所述测量腔的起点或/和终点进行光切割，得到固定面积的光斑；接入光功率计，调整所述光学模组的电源供电，使得所述固定面积的光斑的平均光强符合要求。

9.根据权利要求8所述的粒子计数器的工作方法，其特征在于，所述一次标定中的光斑是否符合要求包括：光斑大小是否符合要求、光斑的光强是否分布均匀。

10.根据权利要求8所述的粒子计数器的工作方法，其特征在于，所述光学模组还包括光路整形单元，所述光路整形单元对所述激光器发出的光进行整形后输出。

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