CN113945490A - 一种激光粒子检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光粒子检测装置，包含：沿激光发射方向依次布置的激光发射单元、光束整形去噪单元、光散射单元和消光单元，其中，光散射单元中设置有允许激光沿激光发射方向进出的主光路、允许气体进出的气路以及允许待检测光射出的第一检测光路和第二检测光路，主光路和气路在光散射单元内的相交处形成空腔以作为粒子检测区；连接至第一检测光路的生物粒子检测单元；连接至第二检测光路的非生物粒子检测单元；以及分别连接至气路的入口和出口处的进气管和排气管。本发明的激光粒子检测装置，能够有效抑制激光光源产生的杂散光和探测光路的反射杂散光，以提高检测信号的信噪比，实现对样本气体中微生物粒子以及非生物粒子的高灵敏检测。

Description

一种激光粒子检测装置

技术领域

本发明涉及大气环境中粒子检测技术领域，特别是涉及激光粒子检测技术。

背景技术

近年来，空气质量愈发受到人们的重视，其中PM2.5更是频繁出现在人们的视野中，PM2.5是指大气中空气动力学当量直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称为可入肺颗粒物，PM2.5粒径小，富含大量的有毒、有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大，此外在空气中还会存在一些微生物、细菌以及真菌等，同样对人们的生产生活造成了一定的影响。

针对大气环境中存在的这些颗粒物(非生物、生物)，国内外已经着手研究对其进行检测的方法，其中主要是通过光学方法进行检测。对于非生物颗粒物主要是通过使用一定波长的光束照射样本气体，通过收集分析处理颗粒物反射回来的光信号，对其进行分析检测；而针对微生物颗粒物，与非生物颗粒不同的是，这些微生物颗粒中含有荧光物质，这些物质在激发光作用下会发出本征荧光，通常采用近紫外波长的激发光对其进行照射，根据其产生的荧光信号对其进行检测。

目前针对于大气环境中颗粒物的检测装置，在一些细节方面的处理并不是很恰当，对于光学检测装置，特别是微弱光信号检测，光信号的传输在整个过程中是至关重要的，而目前的检测装置对于光源产生的光并没有做太多的处理，光源在产生一定波长的光束时，除了中心能量产生的光束外，中心能量周围的能量也会产生一定的光束，存在一些小的光斑，同时受到光源装置光出口装置的限制，光在从装置出来后也会产生一定角度的发散光，而这些小的光斑和杂散光会对检测结果造成一定的影响。其次，现有的前向检测光路结构、垂直检测光路结构分别存在受激光光源影响大、检测灵敏度不高等问题；此外，现有报道的侧向垂直检测光路，其微生物探测光路和非微生物颗粒光路处于一条直线上，物镜产生的反射光会相互干扰，降低信噪比。因此，抑制光源产生的干扰光斑和系统杂散光，对于光学检测，特别是针对于气体中颗粒物产生的微弱光信号，是极其重要的。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种激光粒子检测装置，能够有效抑制光源产生的干扰光斑和杂散光，以实现对样本气体中微生物粒子以及非生物粒子的高灵敏检测。

依据本发明，提供一种激光粒子检测装置，包括：

沿激光发射方向依次布置的激光发射单元、光束整形去噪单元、光散射单元和消光单元，其中，光散射单元中设置有允许激光沿激光发射方向进出的主光路、允许气体进出的气路以及允许待检测光射出的第一检测光路和第二检测光路，主光路和气路在光散射单元内的相交处形成空腔以作为粒子检测区，第一检测光路和第二检测光路自粒子检测区开始延伸并对称地布置于主光路两侧；

连接至第一检测光路的生物粒子检测单元；

连接至第二检测光路的非生物粒子检测单元；以及

分别连接至气路的入口和出口处的进气管和排气管。

依据本发明的一个实施例，光束整形去噪单元包括沿激光发射方向依次布置的光阑组件和柱面镜，柱面镜的柱面朝向光阑组件布置。

依据本发明的一个实施例，光阑组件包含沿激光发射方向依次布置且中心轴线重合的第一中心圆光阑、第二中心圆光阑和中心矩形光阑。

依据本发明的一个实施例，第一检测光路和第二检测光路的中心轴线与主光路的夹角为30°-45°。

依据本发明的一个实施例，光散射单元包含第一凹面镜和第二凹面镜，其中，

第一凹面镜的凹面朝向第一检测光路设置并且第一凹面镜的焦点位于第一检测光路的中心轴线上，射向第一凹面镜的待检测光经第一凹面镜汇聚后由第一检测光路射出；

第二凹面镜的凹面朝向第二检测光路设置并且第二凹面镜的焦点位于第二检测光路的中心轴线上，射向第二凹面镜的待检测光经第二凹面镜汇聚后由第二检测光路射出。

依据本发明的一个实施例，生物粒子检测单元包括在第一检测光路的轴线上沿远离粒子检测区的方向设置的第一物镜、至少一片滤光片、第一平凸透镜和第一光电探测器，第一光电探测器用于探测生物粒子产生的荧光信号。

依据本发明的一个实施例，非生物粒子检测单元包括在第二检测光路的轴线上沿远离粒子检测区的方向设置的第二物镜、第二平凸透镜和第二光电探测器，第二光电探测器用于探测非生物粒子产生的散射光信号。

依据本发明的一个实施例，消光单元包括沿激光发射方向依次布置的结构光阑和光陷阱。

依据本发明的一个实施例，结构光阑的中心孔具有沿激光发射方向孔径逐渐增大的多级圆梯型结构，以防止激光反射。

依据本发明的一个实施例，结构光阑集成于散射单元的主光路的出口处。

本发明的有益效果是：

1.在激光发射单元与粒子检测区之间加入光束整形去噪单元，可以抑制光源产生的干扰光斑和杂散光，以提高检测信噪比，光束整形去噪单元通过设置光阑组件与柱面镜结合的方式可以大范围的抑制光源产生的干扰光斑和杂散光，得到更为准确的检测结果；

2.与现有的前向检测光路采用滤光片滤除激发光源相比，本发明通过粒子检测区的激发光直接进入光陷阱，生物粒子荧光检测单元和非生物粒子检测单元的接收到的散射光和荧光信号受激发光源的影响更小，因此信噪比更高；

3.用于生物粒子检测单元的第一检测光路和用于非生物粒子检测单元的第二检测光路均与激光发射光路夹角为30°-45°，使得生物粒子荧光检测单元和非生物粒子检测单元呈一定夹角，因此物镜产生的反射杂散光对彼此相互影响更小，因此信噪比更高；

4.而与现有的侧向垂直检测光路相比，由于前向散射光强度比较强，因此本发明检测光路采用与激光发射光路夹角为30°-45°度的检测方式，探测到的散射光和荧光信号更强，检测灵敏度更高；

5.生物粒子检测单元的检测光路和非生物粒子检测单元中在光收集透镜组的对面位置设置光汇聚凹面镜，进行第一次光汇聚处理，提高光信号的采集效率；

6.生物粒子检测单元和非生物粒子检测单元都采用物镜对粒子发出的荧光和散射光进行收集，充分提高荧光和散射光的利用效率；

7.利用结构光阑与光陷阱的结合，有效防止光的反射，进一步提高消光效率；

8.进气口采用拉瓦尔喷管，使得被测气流呈层流状态，同时保证颗粒物进入到粒子检测区各点的气流速度相等，得到更准确的测试结果；

9.排气口的内径大于进气口的内径，防止气体回流、重复检测，影响测试结果。

附图说明

图1是本发明具体实施方式激光粒子检测装置中光路的结构示意图；

图2是本发明具体实施方式激光粒子检测装置气路的结构示意图；

图3是图1或图2中光散射单元的结构示意图；

图4是图1或图2中光阑组件入射面的结构示意图；

图5是图1或图2中光阑组件出射面的结构示意图；

图6是图1或图2中结构光阑的结构示意图。

图中：

1-光散射单元，11-主光路，12-气路，13-第一检测光路，131-第一凹面镜，14-第二检测光路，141第二凹面镜，15-粒子检测区，2-排气管，3-激光发射单元；4-光束整形去噪单元，41-光阑组件，411-第一中心圆光阑，412-第二中心圆光阑，413-中心矩形光阑，42-柱面镜，5-生物粒子检测单元，51-第一物镜，52-滤光片，53-第一平凸透镜，54-第一光电探测器，6-非生物粒子检测单元，61-第二物镜，62-第二平凸透镜，63-第二光电探测器，7-消光单元，71-光陷阱，72-结构光阑，8-进气管，9-气泵。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1至图3所示，本发明实施例公开了一种激光粒子检测装置，包括激光发射单元3、光束整形去噪单元4、光散射单元1、生物粒子检测单元5、非生物粒子检测单元6、消光单元7、进气管8和排气管2。其中，光散射单元1中设置有允许激光沿激光发射方向进出的主光路11、允许气体进出的气路12以及允许待检测光射出的第一检测光路13和第二检测光路14，主光路11和气路12在光散射单元1内的相交处形成空腔以作为粒子检测区15，第一检测光路13和第二检测光路14自粒子检测区15开始延伸并对称地布置于主光路11两侧。生物粒子检测单元5和非生物粒子检测单元6分别连接至第一检测光路13和第二检测光路14。进气管8和排气管2分别连接至气路12的入口和出口处。基于上述结构，激光发射单元3、光束整形去噪单元4、光散射单元1和消光单元7沿激光发射方向依次布置，激光自激光发射单元3射出，经光束整形去噪单元4进行抑制光源杂散光处理后，通过主光路11进入光散射单元1内与由进气管8通过气路12进入光散射单元1的样本气体在粒子检测区15相遇。激光照射样本气体所携带的颗粒物产生散射光和荧光以作为待检测光(其中，荧光由生物粒子产生)，该待检测光的一部分经由第一检测光路13进入生物粒子检测单元5以用于生物粒子的荧光检测；另一部分则经由第二检测光路14进入非生物粒子检测单元6以用于非生物粒子的散射光检测。未被颗粒物反射的多余激光经主光路12穿过光散射单元1最终由消光单元7吸收。

在本发明实施例中，激光发射单元3可采用半导体激光器，优选为405nm波长的半导体激光器。其体积小、重量轻、可靠性高、使用寿命长、功耗低，采用低电压恒流供电方式，电源故障率低、使用安全，维修成本低。

光束整形去噪单元4可以包括沿激光发射方向依次布置的光阑组件41和柱面镜42，其中柱面镜42的柱面朝向光阑组件41布置。如图4和图5所示，光阑组件41可包含同向平行且中心轴线重合的第一中心圆光阑411、第二中心圆光阑412和中心矩形光阑413构成。其中，第一中心圆光阑411、第二中心圆光阑412和中心矩形光阑413沿激光发射方向依次布置。由此，激光发射单元3发出的激光依次经过第一中心圆光阑411、第二中心圆光阑412、中心矩形光阑413和柱面镜42后进入光散射单元1的粒子检测区15。具体地，第一中心圆光阑411和第二中心圆光阑412均为中心设置成圆形孔径的光阑，特别地，二者可以是相同的光阑；中心矩形光阑413为中心设置成矩形孔径的光阑。在本发明的实施例中，第一中心圆光阑411、第二中心圆光阑412、中心矩形光阑413的厚度可以均为0.05mm。在本发明的另一实施例中，第一中心圆光阑411、第二中心圆光阑412和中心矩形光阑413可以为一体结构，也即是，光阑组件41采用一体成型工艺，只采用一个光阑片，有效抑制光源产生的干扰光斑和杂散光。

光散射单元1的第一检测光路13和第二检测光路14对称地布置于主光路11两侧，可使得进入第一检测光路13和第二检测光路14的待检测光的量总体相同。优选地，当第一检测光路13和第二检测光路14中心轴线与主光路的夹角为30°-45°时，对待检测光的吸收效果最佳。在本发明的实施例中，光散射单元1还可以包含第一凹面镜131和第二凹面镜132以用于待检测光的汇聚。具体如图1所示，第一凹面镜131的凹面朝向第一检测光路13设置——例如使第一凹面镜131的背部抵靠粒子检测区15内与第一检测光路13相对的壁设置，并且使第一凹面镜131的焦点位于第一检测光路13的中心轴线上，射向第一凹面镜131的待检测光经第一凹面镜131汇聚后由第一检测光路13射出；第二凹面镜132的凹面朝向第二检测光路14设置——例如使第二凹面镜132的背部抵靠粒子检测区15内与第二检测光路14相对的壁设置，并且使第二凹面镜132的焦点位于第二检测光路14的中心轴线上，射向第二凹面镜132的待检测光经第二凹面镜132汇聚后由第二检测光路14射出。本领域技术人员也可采用其他方式来利于待检测光的汇聚。

生物粒子检测单元5和非生物粒子检测单元6旨在基于接收到的待检测光信号分别对生物粒子和非生物粒子进行检测。具体如图1所示，生物粒子检测单元5包括在第一检测光路13的轴线上沿远离粒子检测区15的方向设置的第一物镜51、至少一片滤光片52、第一平凸透镜53和第一光电探测器54，第一光电探测器54用于探测生物粒子产生的荧光信号。在本发明的实施例中，生物粒子检测单元5看包括两片滤光片52，通过滤除杂散光来进一步提高生物荧光检测效率。非生物粒子检测单元6可以包括在第二检测光路14的轴线上沿远离粒子检测区15的方向设置的第二物镜61、第二平凸透镜62和第二光电探测器63，第二光电探测器63用于探测非生物粒子产生的散射光信号。生物粒子检测单元5和非生物粒子检测单元6采用镜头加汇聚透镜进行光的收集，可充分提高光的吸收效率。在本发明的实施例中，第一光电探测器54和第二光电探测器63均为PMT光电探测器。在其他实施例中，第一光电探测器54和第二光电探测器63还可以为其他光电探测器，并不以此为限。

消光单元7可以包括沿激光发射方向依次布置的结构光阑72和光陷阱71。如图6所示，结构光阑72的中心孔具有沿激光发射方向孔径逐渐增大的多级圆梯型结构，以防止光的反射，进一步提高消光效率。

进一步如图2所示，进气管8可以是插入气路12入口处的拉瓦尔喷管8，以防止气体絮流，保证样本气体进入到粒子检测区15各点的气流速度相等。插入气路12出口处的排气管2可设置成进气端的内径大于进气管8的出气端的内径以防止气体回流。在本发明的实施例中，进气管8连接有用于提供样本气体的气体发生器；排气管2的外端连接气泵9，以利于粒子检测区15内检测后的样本气体通过排气管2排出。优选地，气路12的中心轴线可垂直于主光路11设置，以便于样本气体流通顺畅。

在本发明的实施例中，激光发射单元3、光束整形去噪单元4内嵌至光散射单元1的主光路11入口处；生物粒子检测单元5、非生物粒子检测单元6和消光单元7分别内嵌到光散射单元1的第一检测光路13出口处、第二检测光路14出口处和主光路11出口处，以进一步提高装置整体的牢固性，同时达到缩小装置体积的目的。优选地，结构光阑72可集成于散射单元1的主光路11的出口处，以使激光粒子检测装置的结构尽可能简单。

本发明的激光粒子检测装置的工作原理如下：激光发射单元3发射激光，光束整形去噪单元4由光阑组件41与柱面镜42结合而成，光阑组件41包括第一中心圆光阑411、第二中心光阑412和中心矩形光阑413，激光发射单元3产生的光斑依次经过第一中心圆光阑411和第二中心光阑412后，可以滤除掉中心光斑周围的小光斑以及装置造成的杂散光，得到一个中心圆光斑，然后经过中心矩形光阑413，就可以得到一个扁平的矩形光斑，最后在经过柱面镜42汇聚成一个扁平的线性光斑，照射在粒子检测区15内的样本气体上，穿过粒子检测区15的激光进入消光单元7被光陷阱71吸收掉。样本气体在气泵的作用下，通过进气管8进入粒子检测区15，在激光作用下，样本气体所携带的颗粒物产生散射光和荧光以作为待检测光。经由第一检测光路13进入生物粒子检测单元5的部分待检测光，依次经过第一凹面镜131进行光汇聚——第一物镜51收集——第一平凸透镜53汇聚——至少一个滤光片52滤除掉杂散光后，获得微生物颗粒所发出的荧光，最后经过第一光电探测器54进行转换处理得到准确结果。经由第二检测光路14进入非生物粒子检测单元6的部分待检测光，依次经过第二凹面镜141进行光汇聚——第二物镜61收集——第二平凸透镜62汇聚后，所获得的散射光传递给第二光电探测器63进行转换处理得到准确结果。因荧光信号相对激光散射光信号较弱，因此在探测非生物颗粒散射光信号时，可以近似忽略生物荧光信号的感染，同时，会在非生物颗粒探测时进行信号处理，将生物颗粒产生的散射光信号滤除，得到非生物颗粒散射光信号。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光粒子检测装置，其特征在于，包括：

沿激光发射方向依次布置的激光发射单元(3)、光束整形去噪单元(4)、光散射单元(1)和消光单元(7)，其中，所述光散射单元(1)中设置有允许激光沿所述激光发射方向进出的主光路(11)、允许气体进出的气路(12)以及允许待检测光射出的第一检测光路(13)和第二检测光路(14)，所述主光路(11)和所述气路(12)在所述光散射单元(1)内的相交处形成空腔以作为粒子检测区(15)，所述第一检测光路(13)和所述第二检测光路(14)自所述粒子检测区(15)开始延伸并对称地布置于所述主光路(11)两侧，其中所述待检测光包含激光照射样本气体所携带的颗粒物产生的散射光和荧光，所述荧光由生物粒子产生；

连接至所述第一检测光路(13)的生物粒子检测单元(5)；

连接至所述第二检测光路(14)的非生物粒子检测单元(6)；以及

分别连接至所述气路(12)的入口和出口处的进气管(8)和排气管(2)。

2.根据权利要求1所述的激光粒子检测装置，其特征是：所述光束整形去噪单元(4)包括沿激光发射方向依次布置的光阑组件(41)和柱面镜(42)，所述柱面镜(42)的柱面朝向所述光阑组件(41)布置。

3.根据权利要求2所述的激光粒子检测装置，其特征在于，所述光阑组件(41)包含沿激光发射方向依次布置且中心轴线重合的第一中心圆光阑(411)、第二中心圆光阑(412)和中心矩形光阑(413)。

4.根据权利要求1所述的激光粒子检测装置，其特征在于，所述第一检测光路(13)和所述第二检测光路(14)的中心轴线与所述主光路的夹角为30°-45°。

5.根据权利要求1所述的激光粒子检测装置，其特征在于，所述光散射单元(1)包含第一凹面镜(131)和第二凹面镜(132)，其中，

所述第一凹面镜(131)的凹面朝向所述第一检测光路(13)设置并且所述第一凹面镜(131)的焦点位于所述第一检测光路(13)的中心轴线上，射向所述第一凹面镜(131)的所述待检测光经所述第一凹面镜(131)汇聚后由所述第一检测光路(13)射出；

所述第二凹面镜(132)的凹面朝向所述第二检测光路(14)设置并且所述第二凹面镜(132)的焦点位于所述第二检测光路(14)的中心轴线上，射向所述第二凹面镜(132)的所述待检测光经所述第二凹面镜(132)汇聚后由所述第二检测光路(14)射出。

6.根据权利要求1所述的激光粒子检测装置，其特征在于，所述生物粒子检测单元(5)包括在所述第一检测光路(13)的轴线上沿远离所述粒子检测区(15)的方向设置的第一物镜(51)、至少一片滤光片(52)、第一平凸透镜(53)和第一光电探测器(54)，所述第一光电探测器(54)用于探测生物粒子产生的荧光信号。

7.根据权利要求1所述的激光粒子检测装置，其特征在于，所述非生物粒子检测单元(6)包括在所述第二检测光路(14)的轴线上沿远离所述粒子检测区(15)的方向设置的第二物镜(61)、第二平凸透镜(62)和第二光电探测器(63)，所述第二光电探测器(63)用于探测非生物粒子产生的散射光信号。

8.根据权利要求1所述的激光粒子检测装置，其特征在于，所述消光单元(7)包括沿所述激光发射方向依次布置的结构光阑(72)和光陷阱(71)。

9.根据权利要求8所述的激光粒子检测装置，其特征在于，所述结构光阑(72)的中心孔具有沿所述激光发射方向孔径逐渐增大的多级圆梯型结构，以防止激光反射。

10.根据权利要求9所述的激光粒子检测装置，其特征在于，所述结构光阑(72)集成于所述散射单元(1)的所述主光路(11)的出口处。

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