CN113945492A - 一种基于直角棱镜的颗粒物空气动力学粒径检测光机结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于直角棱镜的颗粒物空气动力学粒径检测光机结构，发明涉及了双光束颗粒物空气动力学粒径测量领域，该发明包括所述照明装置包括发光单元、分光单元和散射光信号收集单元，所述发光单元内设有对光进行光束整形匀化组件，所述的散射光信号收集单元内设有光散射探测腔；达到技术效果是解决了现有颗粒物粒径谱分析设备测量的精确度较低的问题，从而提供了使得动力学粒径测量仪的调试难度降低，传感器体积更小，粒径分辨率更高，光噪声更低，以及提高粒径测量准确度。

Description

一种基于直角棱镜的颗粒物空气动力学粒径检测光机结构

技术领域

本发明提供了双光束颗粒物空气动力学粒径测量领域，尤其涉及一种基于直角棱镜的颗粒物空气动力学粒径检测光机结构。

背景技术

目前大气污染检测，洁净室洁净度检测等方面都需要对颗粒物空气动力学粒径分布进行测量。而对于人体，气溶胶粒子尺寸在很大范围内决定了粒子在其所引起的呼吸反应中沉积的位置，大于 5微米的粒子一般沉积在呼吸系统的鼻部及咽喉部；而可渗透到肺部则是小于5微米的粒子，这些尺寸都是采用空气动力学粒径来衡量。我国目前也在积极准备实行 PM2.5 标准，在颗粒物检测方面与国际接轨。

现有的颗粒物粒径谱分析设备主要有光散射法、电迁移法、惯性冲击法和过滤法。人们常使用光散射装置来测试颗粒物，将颗粒物通过激光束后产生散射光，通过信号幅度获得颗粒物粒径、浓度等特性，该类装置存在的问题是，由于其仅依靠光散射强度来测量颗粒大小，受粒子形状、散射角度等因素的影响，测量的精确度较低。

基于对现有技术改进，本发明主要用于改善光散射法测量颗粒物空气动力学粒径仪器光敏区双光束质量的光机结构，可提高传感器灵敏度，信噪比的双光束照明装置，以及可降低采集误差的散射光收集单元。

发明内容

（一）解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于直角棱镜的颗粒物空气动力学粒径检测光机结构，解决了现有颗粒物粒径谱分析设备测量的精确度较低的问题，从而提供了使得动力学粒径测量仪的调试难度降低，传感器体积更小，粒径分辨率更高，光噪声更低，以及提高粒径测量准确度。

（二）技术方案

为了实现以上两个发明目的，本发明所提出的技术方案是：一种基于直角棱镜的颗粒物空气动力学粒径检测光机结构，它主要包括所述照明装置包括发光单元、分光单元和散射光信号收集单元，其特征在于所述发光单元内设有对光进行光束整形匀化组件；光束整形匀化组件包括激光器、第一非球面透镜、阵列散射片、第二非球面透镜构成；所述分光单元包括在圆孔光阑之后有第一直角棱镜和第二直角棱镜组合，平凸柱面镜与平凹柱面镜，矩形光阑；所述的散射光信号收集单元内设有光散射探测腔，所述光散射探测腔包括垂直于双光束方向存在进气口和出气口，与光束交叉重叠区域形成光敏区13及颗粒物22与光束碰撞区，所述光散射探测腔内设有沿着散射光方向一次排列的第一平凸透镜，第一探测器，第二平凸透镜，第二探测器，以及高速数据采集模块和光陷阱，所述散射光方向与入射光方向在光敏区倾斜相交。

进一步优选方案：所述激光器采用808nm大功率半导体激光器。

进一步优选方案：所述激光器产生连续激光；第一非球面透镜、微透镜阵列散射片和第二非球面镜使得光束进行匀化并产生平行光；第一直角棱镜和第二直角棱镜产生平行双光束经过平凸柱面镜和平凹柱面镜产生均匀的近邻双光束；第一平凸透镜汇聚一定角度范围内的散射光到第一探测器上。

进一步优选方案：所述第一探测器和第二探测器分别放置在光敏区中激光束发射方向呈30度和150度角的地方，所述光陷阱应实现出射激光的吸收率大于0.99。

（三）有益效果

本发明提供了一种基于直角棱镜的颗粒物空气动力学粒径检测光机结构。具备以下有益效果：

1、本发明的汇聚散射光的双探测器系统可以提高固定角度范围内的光信号密度，得到的两组信号也可相互修正测量数据，从而提高探测灵敏度和稳定性，进一步提高信噪比，传感器体积更小，粒径分辨率更高，光噪声更低，以及提高粒径测量准确度。

2、本发明只需前后调节两个柱面镜就可调节双光束间距和光斑大小，使得近似形成两层薄薄的光平面，最后再经过矩形光阑消除杂散光防止干扰，极大地降低了传感器的光学本底噪声。

附图说明：

图1是本发明的结构示意图

图2是本发明颗粒物空气动力学传感器光束匀化分光的照明装置和采样气路截面结构示意图；

图3是本发明气室内散射光收集单元的结构示意图；

图4是本发明电脑终端对颗粒物光电信息采集流程图

图中：111、发光单元；112、分光单元； 113、散射光信号收集单元；1、激光器；2、第一非球面透镜； 3、阵列散射片； 4、第二非球面透镜；5、圆孔光阑 ；6、第一直角棱镜； 7、第二直角棱镜； 8、第一矩形光阑； 9、平凸柱面镜； 10、平凹柱面镜； 11、第二矩形光阑； 12、进气口； 13、光敏区； 14、出气口； 15、照明装置； 16、第一探测器 ；17、第一平凸透镜；18、第二平凸透镜； 19、第二探测器； 20、高速数据采集模块； 21、光陷阱；22、颗粒物。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

本发明提供一种技术方案：一种基于直角棱镜的颗粒物空气动力学粒径检测光机结构，为提高颗粒物粒径测量传感器的分辨率、准确性、稳定性、降低调试难度，及采用了可汇聚散射光的双探测器信号收集单元。

如图1所示一种基于直角棱镜的颗粒物空气动力学粒径检测光机结构，主要包括：主要包括所述照明装置15包括发光单元111和分光单元112，所述发光单元111内设有对光进行光束整形匀化组件，所述的散射光信号收集单元113内设有光散射探测腔，光束整形匀化组件包括激光器1 、第一非球面透镜2、阵列散射片3、第二非球面透镜4构成；所述分光单元112包括在圆孔光阑5之后有第一直角棱镜6 和第二直角棱镜7构成，平凸柱面镜9与平凹柱面镜10，矩形光阑；所述光散射探测腔包括垂直于双光束方向存在进气口12和出气口14，与光束交叉重叠区域形成光敏区13及颗粒物22与光束碰撞区，所述光散射探测腔内设有沿着散射光方向一次排列的第一平凸透镜17，第一探测器16，第二平凸透镜18，第二探测器19，以及高速数据采集模块20和光陷阱21，所述散射光方向与入射光方向在光敏区13倾斜相交。

进一步优选方案所述激光器1采用808nm大功率半导体激光器1；所述激光器1发出的多模激光束经过第一非球面透镜2准直后，再通过所述阵列散射片3使得激光波前强度分布均匀，所述阵列散射片3的单元尺度在50μm以上，消除激光器1由于第一非球面透镜22产生的条纹，经过第二非球面透镜4准直为准平行光，再通过圆孔光阑5消除杂散光，提高激光稳定性，且圆孔边缘保持尖锐，光阑直径为4±0.5 mm，再由第一直角棱镜6使得光束进行偏折，光斑中心对准第一直角棱镜6的中心，之后放置反向的第二直角棱镜7使得两条激光束平行，再通过第一矩形光阑8，光阑边长为4±0.5 mm，最后先后经过由平凸柱面镜9和平凹面镜10调整光斑大小以及双光束间距，光敏区13内双光束间距在0.6±0.1mm范围内，双光束再进入光敏区13之前，设置了第二矩形光阑11，光阑尺寸为4mm*1mm，其中1mm为宽度及与采样气流传输同向，再次过滤杂散光降低光学本底噪声。

进一步优选方案光散射探测腔中所述中的进气口12为椭圆形，长轴约为3mm，短轴约为1mm，末端距离光敏区13为3-5mm；出气口14为圆形，内径为7±1.0mm；从而保证采样气流进入光敏区13时，颗粒物处于加速状态也减少粒子在水平方向上的不规则飞行，并且出气口14的圆形气嘴使得采样气流输出流动稳定，有利于颗粒物空气动力学粒径测量。

使用时：激光器1发出多模激光束通过第一非球面透镜2准直后，再由微透镜阵列散射片3匀化后激光束波前强度分布更加均匀，提高传感器的粒径分辨率和粒径测量的准确性，消除激光束经单个非球面透镜形成的明暗条纹，特别是垂直于光束和气流方向的光强分布对粒径分辨率影响很大；而后经过第二非球面透镜4准直为平行光或准平行光，得到匀化平行光束，通过圆孔光阑5消除杂散光也防止直角棱镜反射杂光。

进匀化处理后的激光束经过直角棱镜利用折射率弯曲使得分为两束交叉光束，通过反向直角棱镜得到两束平行激光束，经过平凸柱面镜和平凹柱面镜10形成双光束调节装置，只需前后调节两个柱面镜就可调节双光束间距和光斑大小，使得近似形成两层薄薄的光平面，最后再经过矩形光阑消除杂散光防止干扰，极大地降低了传感器的光学本底噪声。

本发明的双光束照明装置15，提高了光敏区13光强分布的均匀性和光功率密度，也降低了调试难度，只需在一个维度上调整器件就可实现光束大小以及双光束间距的调整，降低了传感器成本，提高了传感器粒径分辨率，信噪比和灵敏度。

如图2所示气室内散射光收集单元，由照明装置15及第一非球面透镜2、微透镜阵列散射片3和第二非球面镜4使得光束进行匀化并产生平行光；第一直角棱镜6和第二直角棱镜7产生平行双光束经过平凸柱面镜9和平凹柱面镜10产生均匀的近邻双光束；若在光敏区13没有颗粒物与光束接触，双光束将被光陷阱21吸收，所述光陷阱21优先采用布儒斯特光阱；实现出射激光的吸收率大于0.99，探测器包括第一探测器16和第二探测器19；防止反射的杂散光对探测器信号的干扰，并且第一探测器16和第二探测器19选择使用硅PIN光电二极管探测器。

若有颗粒物经过则将先后经过两条激光束，激光束入射到采样颗粒物上，产生的散射光分别由与激光器1出射角度呈约30度和150度方向的第一探测器16和第二探测器19接收，以确保测量值的准确和有效，直接投射的激光由光陷阱21吸收；在光信号被采集前，第一平凸透镜17和第二平凸透镜18会收集一定角度范围内的散射光，再汇聚到各自探测器的接收面上，之后信号经过高速数据采集模块20被采集下来进行处理，最终得到粒子渡越双光束时间，从而计算出颗粒物空气动力学粒径的大小；本发明的汇聚散射光的双探测器系统可以提高固定角度范围内的光信号密度，得到的两组信号也可相互修正测量数据，从而提高探测灵敏度和稳定性，进一步提高信噪比，提高检测精度。

本发明一种基于直角棱镜的颗粒物空气动力学粒径检测光机结构采用全新的光机结构以及室内散射光收集单元，传感器结构简单，成本低，在实验室颗粒物使用0.5μm聚苯乙烯标准球形粒子进行检测的结果表明，对于粒径为0.5μm的颗粒物检测时误差为10%，信噪比高于2:1，测量1μm附近的标准粒子粒径时，检测误差小于5%，传感器整体性能优于一般产品但成本低于现有产品。

在双光束接触到颗粒物时，散射光可以由与激光出射角度呈30度150度的第一探测器16和第二探测器19接收，两个探测器可以相互修正检测数据，提高颗粒物经过双光束时飞行时间的检测精度；并且在接收之前，散射光会经第一平凸透镜17和第二平凸透镜18收集压缩汇聚到探测器的探头上，提高接收到的散射光信号的能量密度，进一步提高传感器的信噪比与灵敏度。

照明装置15通过激光器1发出后经过匀化分光变成近邻双光束，然后从气室内腔穿过，与采样气流相交，未接触到气流中粒子的光会被光陷阱21吸收，不再反射出来；而光照射到气流中经过的颗粒物时，产生散射光，然后散射光收集单元收集一定角度范围内的散射光，光电信号转换后通过高速数据收集处理模块得到颗粒物的粒径信息，颗粒物先后通过两束激光束，表面反射光被汇聚收集后，形成模拟电信号，再经过AD转换芯片（12位串行AD转换器型号为TLC2543与单片机的接口设计与编程）得到12位数字信号传输值FPGA电路进行数字信号处理得到两个光信号峰值之间的时间以及峰值大小，从而储存并通过ARM芯片传输到电脑终端主机进行后续的粒径分析以及结果显示，该电脑终端主机对高速数据采集模块信息进行分析与处理不需要做出创造性劳动就可以实施的技术手段，目前光学实验室都常规采用的常规技术手段。

需要说明的是，该文中出现诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种基于直角棱镜的颗粒物空气动力学粒径检测光机结构;它主要包括所述照明装置(15)包括发光单元（111）、分光单元（112）和散射光信号收集单元（113），其特征在于所述发光单元（111）内设有对光进行光束整形匀化组件；光束整形匀化组件包括激光器（1）、第一非球面透镜（2）、阵列散射片（3）、第二非球面透镜（4）构成；所述分光单元（112）包括在圆孔光阑（5）之后设有第一直角棱镜（6）和第二直角棱镜（7）组合，平凸柱面镜（9）与平凹柱面镜（10），矩形光阑；所述的散射光信号收集单元（113）内设有光散射探测腔，所述光散射探测腔包括垂直于双光束方向存在进气口（12）和出气口（14），与光束交叉重叠区域形成光敏区（13）及颗粒物（22）与光束碰撞区，所述光散射探测腔内设有沿着散射光方向一次排列的第一平凸透镜（17），第一探测器（16），第二平凸透镜（18），第二探测器（19），以及高速数据采集模块（20）和光陷阱（21），所述散射光方向与入射光方向在光敏区（13）倾斜相交。

2.根据权利要求1所述的一种基于直角棱镜的颗粒物空气动力学粒径检测光机结构，其特征在于所述激光器（1）采用808nm大功率半导体激光器。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于直角棱镜的颗粒物空气动力学粒径检测光机结构，其特征在于所述激光器（1）产生连续激光；第一非球面透镜（2）、微透镜阵列散射片（3）和第二非球面镜（4）使得光束进行匀化并产生平行光；第一直角棱镜（6）和第二直角棱镜（7）产生平行双光束经过平凸柱面镜（9）和平凹柱面镜（10）产生均匀的近邻双光束；第一平凸透镜（17）汇聚一定角度范围内的散射光到第一探测器（16）上。

4.根据权利要求1所述的一种基于直角棱镜的颗粒物空气动力学粒径检测光机结构；其特征在于：所述的圆孔光阑（5）设置于第二非球面镜（4）与第一直角棱镜（6）之间，直径为4±0.5mm；矩形孔光阑（8）放置在第二直角棱镜（7）和平凸柱面镜（9）之间，尺寸为边长4±0.5mm矩形孔光阑（11）竖直设置于平凹柱面镜（10）与光敏区（13）之间，尺寸为4mm*1mm。

5.根据权利要求1所述的一种基于直角棱镜的颗粒物空气动力学粒径检测光机结构，其特征在于：所述光陷阱（21）采用布儒斯特光阱。

6.根据权利要求1或5所述的一种基于直角棱镜的颗粒物空气动力学粒径检测光机结构，其特征在于：所述第一探测器（16）和第二探测器（19）分别放置在光敏区（13）中激光束发射方向呈30度和150度角的地方，所述光陷阱（21）应实现出射激光的吸收率大于0.99。

7.根据权利要求1所述的一种基于直角棱镜的颗粒物空气动力学粒径检测光机结构，其特征在于：所述光散射探测腔包括垂直于双光束方向存在进气口（12）为椭圆形。

8.根据权利要求1所述的一种基于直角棱镜的颗粒物空气动力学粒径检测光机结构，其特征在于：所述矩形光阑包括第一矩形光阑（8）和第二矩形光阑（11）。

9.根据权利要求1所述的一种基于直角棱镜的颗粒物空气动力学粒径检测光机结构，其特征在于：所述第一探测器（16）和第二探测器（19）都采用硅PIN光电二极管探测器。

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