CN113984608B - 后散射光路自动校准系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种后散射光路自动校准系统及方法，所述后散射光路自动校准系统包括：激光发射装置，用于发射激光束至被测区间，经粉尘后产生散射光；视场限制器件，用于限制经被测区间返回的背景光和所述散射光的视场大小；光束聚焦器件，用于聚焦通过所述视场限制器件的背景光和散射光；光电转换器件，用于将聚焦后的所述背景光和/或所述散射光转换为电信号；位置移动机构，用于带动所述光束聚焦器件进行位置变化；位置调控设备，用于发出位置变化指令，使所述位置移动机构根据所述位置变化指令带动所述光束聚焦器件执行校准操作。本发明可以自动进行光路校准，在实际的工业生产应用中可以定期进行光路校准，以防止光路发生偏移导致测量误差。
Description
技术领域
本发明属于光路校准的技术领域，涉及一种校准系统，特别是涉及一种后散射光路自动校准系统及方法。
背景技术
目前后散射粉尘仪光路校准系统大多采用手动校准方式，由此，其光路系统校准过程十分困难，而且完成光路校准后可能由于振动等导致校准系统中各部件的位置发生变化，进而造成系统光路发生偏移，这种情况下需要重新拆机，再次进行手动校准，校准过程操作繁琐且校准后可靠性较低。在使用过程中光路何时发生偏移并不能及时获知，进而导致测量误差，进而，在大量的测量工作中存在误差时还有可能为整个工业生产过程带来更为严重的后果。
因此，如何提供一种后散射光路自动校准系统及方法，以解决现有技术无法自动进行光路校准，以防止光路发生偏移导致测量误差等缺陷，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种后散射光路自动校准系统及方法，用于解决现有技术无法自动进行光路校准，以防止光路发生偏移导致测量误差的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明一方面提供一种后散射光路自动校准系统，所述后散射光路自动校准系统包括：激光发射装置，用于发射激光束至被测区间，经粉尘后产生散射光；视场限制器件，用于限制经所述被测区间返回的背景光和所述散射光的视场大小；光束聚焦器件，用于聚焦通过所述视场限制器件的背景光和散射光；光电转换器件，用于将聚焦后的所述背景光和/或所述散射光转换为电信号；位置移动机构，与所述光束聚焦器件连接，用于带动所述光束聚焦器件进行位置变化；位置调控设备，分别与所述光电转换器件和所述位置移动机构连接，用于根据所述电信号向所述位置移动机构发出位置变化指令，使所述位置移动机构根据所述位置变化指令带动所述光束聚焦器件执行校准操作。
于本发明的一实施例中，所述视场限制器件包括光阑，通过所述光阑限制所述背景光和所述散射光的视场大小；所述光束聚焦器件包括抛物镜，通过所述抛物镜将所述背景光和/或所述散射光聚焦至所述光电转换器件上。
于本发明的一实施例中，所述光电转换器件包括硅光电池双阵列，所述硅光电池双阵列包括第一阵列和第二阵列；所述光束聚焦器件完成校准操作后，所述背景光聚焦成像于所述第一阵列上，所述散射光聚焦成像于所述第二阵列上。
于本发明的一实施例中，所述位置移动机构包括：第一电机、第二电机和第三电机；所述第一电机用于带动所述光束聚焦器件在XY平面方向上移动；所述第二电机用于带动所述光束聚焦器件在XZ平面方向上移动；所述第三电机用于带动所述光束聚焦器件在YZ平面方向上移动。
于本发明的一实施例中，所述第一电机、所述第二电机和所述第三电机均为自锁型步进电机。
于本发明的一实施例中，所述后散射光路自动校准系统还包括：安装底座；所述安装底座用于固定所述第一电机、所述第二电机、所述第三电机和所述光束聚焦器件。
于本发明的一实施例中，所述位置调控设备用于在发出位置变化指令之后，比较所述散射光的电信号与预设偏置电压的大小，连续调整所述位置变化指令直至零粉尘环境时硅光电池双阵列中所述第一阵列接收的背景光的电信号等于所述第二阵列接收的背景光的电信号，且有粉尘环境时所述第一阵列或所述第二阵列接收的背景光的电信号与零粉尘环境时电信号保持不变；所述预设偏置电压为所述后散射光路自动校准系统处于零粉尘环境时所采集的电压值。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明另一方面提供一种后散射光路自动校准方法，所述后散射光路自动校准方法包括：发射激光束至被测区间，经粉尘后产生散射光；限制经所述被测区间返回的背景光和所述散射光的视场大小；聚焦所述背景光和所述散射光；将聚焦后的所述背景光和/或所述散射光转换为电信号；根据所述电信号发出位置变化指令；基于所述位置变化指令调整聚焦角度执行校准操作。
于本发明的一实施例中，在所述基于所述位置变化指令调整聚焦角度执行校准操作的步骤之后，所述后散射光路自动校准方法还包括：在执行校准操作之后，连续调整所述位置变化指令直至零粉尘环境时硅光电池双阵列中第一阵列接收的背景光的电信号等于第二阵列接收的背景光的电信号，且有粉尘环境时所述第一阵列或所述第二阵列接收的背景光的电信号与零粉尘环境时电信号保持不变。
于本发明的一实施例中，响应于零粉尘环境时硅光电池双阵列中第一阵列接收的背景光的电信号等于第二阵列接收的背景光的电信号，且有粉尘环境时所述第一阵列或所述第二阵列接收的背景光的电信号与零粉尘环境时电信号保持不变，发出电机自锁指令，锁定当前校准完成后的校准状态。
如上所述，本发明所述的后散射光路自动校准系统及方法，具有以下有益效果：
本发明通过将背景光和散射光转为电信号，对电信号进行分析，进而控制光束聚焦器件调整聚焦角度，通过这一闭环控制的光路校准方式可以自动进行光路校准，在实际的工业生产应用中还可以实时或定期分析转换得到的电信号，从而实现及时获知光路偏移信息并及时进行光路校准，也可以实现定期进行光路校准，以防止光路发生偏移导致测量误差。
附图说明
图1显示为本发明的后散射光路自动校准系统于一实施例中的结构原理图。
图2显示为本发明的后散射光路自动校准系统于一实施例中的光路原理图。
图3显示为本发明的后散射光路自动校准系统于一实施例中的位置移动机构示意图。
图4显示为本发明的后散射光路自动校准系统于一实施例中的位置调控设备原理示意图。
图5显示为本发明的后散射光路自动校准方法于一实施例中的原理流程图。
元件标号说明
1 后散射光路自动校准系统
11 激光发射装置
12 视场限制器件
13 光束聚焦器件
14 光电转换器件
141 硅光电池双阵列a
142 硅光电池双阵列b
15 位置移动机构
151 第一电机
152 第二电机
153 第三电机
16 位置调控设备
161 处理器
162 存储器
S11～S16 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明所述的后散射光路自动校准系统及方法可以自动进行光路校准，在实际的工业生产应用中可以定期进行光路校准，以防止光路发生偏移导致测量误差。
以下将结合图1至图5详细阐述本实施例的一种后散射光路自动校准系统及方法的原理及实施方式，使本领域技术人员不需要创造性劳动即可理解本实施例的后散射光路自动校准系统及方法。
请参阅图1，显示为本发明的后散射光路自动校准系统于一实施例中的结构原理图。如图1所示，本发明所述的后散射光路自动校准系统1包括：激光发射装置11、视场限制器件12、光束聚焦器件13、光电转换器件14、位置移动机构15和位置调控设备16。
所述激光发射装置11用于发射激光束至被测区间，经粉尘后产生散射光。
具体地，所述激光发射装置11为激光器或其他可以发射激光光束的装置。
于实际应用中，所述被测区间为烟道，所述烟道(flue pipe)是指炼钢厂、化工厂等工业生产场所或住宅的厨房卫生间等生活场所所用的废气和烟雾排放的管状装置。
所述视场限制器件12用于限制经所述被测区间返回的背景光和所述散射光的视场大小。
所述光束聚焦器件13用于聚焦通过所述视场限制器件12的背景光和散射光。
所述光电转换器件14用于将聚焦后的所述背景光和/或所述散射光转换为电信号。
所述位置移动机构15与所述光束聚焦器件13连接，用于带动所述光束聚焦器件13进行位置变化。
所述位置调控设备16分别与所述光电转换器件14和所述位置移动机构15连接，用于根据所述电信号向所述位置移动机构15发出位置变化指令，使所述位置移动机构15根据所述位置变化指令带动所述光束聚焦器件13执行校准操作。
请参阅图2，显示为本发明的后散射光路自动校准系统于一实施例中的光路原理图。如图2所示，呈现了所述后散射光路自动校准系统于一实际应用场景中的光路设计原理。
于一实施例中，所述视场限制器件包括光阑，通过所述光阑限制所述背景光和所述散射光的视场大小。
于一实施例中，所述光束聚焦器件包括抛物镜，通过所述抛物镜将所述背景光和/或所述散射光聚焦至所述光电转换器件上。
需要说明的是，抛物镜仅为本发明中所述光束聚焦器件的一种具体实施方式，其他的除抛物镜之外的可以实现光束聚焦的聚焦透镜均在本发明保护的范围内。
于一实施例中，所述光电转换器件包括硅光电池双阵列，所述硅光电池双阵列包括第一阵列和第二阵列。如图2所示，所述硅光电池双阵列PD中，第一阵列为硅光电池双阵列a，第二阵列为硅光电池双阵列b。
进一步地，所述光束聚焦器件完成校准操作后，所述背景光聚焦成像于所述第一阵列上，所述散射光聚焦成像于所述第二阵列上。
请继续参阅图2，所述位置移动机构包括：第一电机、第二电机和第三电机。
所述第一电机用于带动所述光束聚焦器件在XY平面方向上移动。
所述第二电机用于带动所述光束聚焦器件在XZ平面方向上移动。
所述第三电机用于带动所述光束聚焦器件在YZ平面方向上移动。
于一实施例中，所述后散射光路自动校准系统还包括：安装底座。
所述安装底座用于固定所述第一电机、所述第二电机、所述第三电机和所述光束聚焦器件。
请参阅图3，显示为本发明的后散射光路自动校准系统于一实施例中的位置移动机构示意图。如图3所示，所述第一电机、所述第二电机和所述第三电机均为自锁型步进电机。所述安装底座以六面立方体为例，所述第一电机为自锁型步进电机a，自锁型步进电机a设于前或后面，在XY平面方向上移动；所述第二电机为自锁型步进电机b，自锁型步进电机b设于左或右面，在XZ平面方向上移动；所述第三电机为自锁型步进电机c，自锁型步进电机c设于上或下面，在YZ平面方向上移动。
于一实施例中，所述位置调控设备用于在发出位置变化指令之后，比较所述散射光的电信号与预设偏置电压的大小，连续调整所述位置变化指令直至零粉尘环境时硅光电池双阵列中所述第一阵列接收的背景光的电信号等于所述第二阵列接收的背景光的电信号，且有粉尘环境时所述第一阵列或所述第二阵列接收的背景光的电信号与零粉尘环境时电信号保持不变；所述预设偏置电压为所述后散射光路自动校准系统处于零粉尘环境时所采集的电压值。
请参阅图4，显示为本发明的后散射光路自动校准系统于一实施例中的位置调控设备原理示意图。如图4所示，所述位置调控设备16包括处理器161及存储器162；所述存储器162用于存储计算机程序，所述处理器161用于执行所述存储器162存储的计算机程序，以使所述位置调控设备16执行本发明所述的后散射光路自动校准方法。
上述的处理器161可以是通用处理器，包括中央处理器(Central ProcessingUnit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processing，简称DSP)、专用集成电路(Alication SpecificIntegrated Circuit，简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field Programmable GateArray，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
上述的存储器162可能包含随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM)，也可能还包括非易失性存储器(non-volatilememory)，例如至少一个磁盘存储器。
于一实施例中，结合图2，所述后散射光路自动校准系统的工作原理为：在所述后散射光路自动校准系统上电正常运行后，激光器8发出一束激光束，经过烟道后反射的背景光和经过粉尘产生的散射光通过光阑在抛物镜上进行聚焦。抛物镜聚焦后的物象呈现在硅光电池双阵列(PD)上，通过第一电机、第二电机和第三电机调整抛物镜的位置来使得抛物镜聚焦后的物象，使得经过烟道后反射的背景光和经过粉尘产生的散射光分别打在硅光电池双阵列a和硅光电池双阵列b上，以便背景光和散射光得以分开。
具体地，第一电机、第二电机和第三电机执行所述位置变化指令的过程可以是通过所述位置变化指令控制第一电机正转，比较所述散射光的电信号与预设偏置电压的差值增大时，则通过所述位置变化指令控制第一电机反转；当再次比较所述散射光的电信号与预设偏置电压的差值减小至某一差值后又有增大趋势，则通过所述位置变化指令控制第二电机进行正转或反转，直至第一电机、第二电机和第三电机中的一个电机或多个电机将抛物镜调节至某一位置，在该位置下，抛物镜可以使得所述散射光的电信号与所述预设偏置电压相等，完成校准。
请参阅图5，显示为本发明的后散射光路自动校准方法于一实施例中的原理流程图。如图5所示，所述后散射光路自动校准方法具体包括以下几个步骤：
S11，发射激光束至被测区间，经粉尘后产生散射光。
S12，限制经所述被测区间返回的背景光和所述散射光的视场大小。
S13，聚焦所述背景光和所述散射光。
S14，将聚焦后的所述背景光和/或所述散射光转换为电信号。
S15，根据所述电信号发出位置变化指令。
S16，基于所述位置变化指令调整聚焦角度执行校准操作。
于一实施例中，在步骤S16之后，所述后散射光路自动校准方法还包括：在执行校准操作之后，连续调整所述位置变化指令直至零粉尘环境时硅光电池双阵列中第一阵列接收的背景光的电信号等于第二阵列接收的背景光的电信号，且有粉尘环境时所述第一阵列或所述第二阵列接收的背景光的电信号与零粉尘环境时电信号保持不变。由此，根据所述散射光的电信号与所述预设偏置电压相等，判定完成校准操作。
具体地，在无粉尘的测量环境下校准，后散射光路自动校准系统启动后，此时抛物镜的还不能使得经过烟道后反射的背景光和经过粉尘产生的散射散射光信号分开，此时的硅光电池双阵列(PD)上的两个PD均能接收到背景光，位置调控设备由硅光电池双阵列(PD)上能采集到PD上的电压Ua和Ub，定义系统偏置电压Ubios为系统处于零粉尘环境时位置调控设备采集到的硅光电池双阵列(PD)上的电压，定义Ua为经过烟道后反射的背景光，Ub为经过粉尘产生的散射散射光Ub，Ub-Ubios≠0，此时位置调控设备控制自锁型步进电机a、自锁型步进电机b和自锁型步进电机c进行在XY，YZ和XZ方向上不断进行移动。
在自锁型步进电机a、自锁型步进电机b和自锁型步进电机c使得抛物镜运动到某一确定的位置的时候，Ub-Ubios＝0，进而使得零粉尘环境时硅光电池双阵列(PD)的7a上接收的背景光的电信号等于硅光电池双阵列(PD)的7b上接收的背景光的电信号，且有粉尘环境时所述硅光电池双阵列(PD)的7a上或硅光电池双阵列(PD)的7b上接收的背景光的电信号与零粉尘环境时电信号保持不变，例如，有粉尘环境时所述硅光电池双阵列(PD)的7a上接收的背景光的电信号与零粉尘环境时电信号保持不变，硅光电池双阵列(PD)的7b上接收的电信号大于零粉尘环境时电信号，电机开启自锁，完成系统校准过程。
于一实施例中，响应于零粉尘环境时硅光电池双阵列中第一阵列接收的背景光的电信号等于第二阵列接收的背景光的电信号，且有粉尘环境时所述第一阵列或所述第二阵列接收的背景光的电信号与零粉尘环境时电信号保持不变，发出电机自锁指令，锁定当前校准完成后的校准状态。
于一实施例中，连续或按照预设时间间隔定期获取并分析比较所述散射光的电信号与预设偏置电压的大小关系，在后散射光路自动校准系统经过振动或其他导致各部件的位置发生变化时，原先相等的所述散射光的电信号与所述预设偏置电压变得不再相等，此时重新调整光束聚焦器件的位置，以便重新调整后的聚焦角度再次使得所述散射光的电信号与所述预设偏置电压相等。由此，实现了实时或定期的自动校准。
本发明所述的后散射光路自动校准方法的保护范围不限于本实施例列举的步骤执行顺序，凡是根据本发明的原理所做的现有技术的步骤增减、步骤替换所实现的方案都包括在本发明的保护范围内。
本发明所述的后散射光路自动校准系统的原理与所述的后散射光路自动校准方法一一对应，本发明所述的后散射光路自动校准系统可以实现本发明所述的后散射光路自动校准方法，但本发明所述的后散射光路自动校准方法的实现装置包括但不限于本实施例列举的后散射光路自动校准系统的结构，凡是根据本发明的原理所做的现有技术的结构变形和替换，都包括在本发明的保护范围内。
综上所述，本发明所述后散射光路自动校准系统及方法通过将背景光和散射光转为电信号，对电信号进行分析，进而控制光束聚焦器件调整聚焦角度，通过这一闭环控制的光路校准方式可以自动进行光路校准，在实际的工业生产应用中还可以实时或定期分析转换得到的电信号，从而实现及时获知光路偏移信息并及时进行光路校准，也可以实现定期进行光路校准，以防止光路发生偏移导致测量误差。本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具有高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种后散射光路自动校准系统，其特征在于，所述后散射光路自动校准系统包括：
激光发射装置，用于发射激光束至被测区间，经粉尘后产生散射光；
视场限制器件，用于限制经所述被测区间返回的背景光和所述散射光的视场大小；
光束聚焦器件，用于聚焦通过所述视场限制器件的背景光和散射光；
光电转换器件，用于将聚焦后的所述背景光和/或所述散射光转换为电信号，其中，所述光电转换器件包括硅光电池双阵列，所述硅光电池双阵列包括第一阵列和第二阵列；所述光束聚焦器件完成校准操作后，所述背景光聚焦成像于所述第一阵列上，所述散射光聚焦成像于所述第二阵列上；
位置移动机构，与所述光束聚焦器件连接，用于带动所述光束聚焦器件进行位置变化，其中，所述位置移动机构包括：第一电机、第二电机和第三电机；所述第一电机用于带动所述光束聚焦器件在XY平面方向上移动；所述第二电机用于带动所述光束聚焦器件在XZ平面方向上移动；所述第三电机用于带动所述光束聚焦器件在YZ平面方向上移动；
位置调控设备，分别与所述光电转换器件和所述位置移动机构连接，用于根据所述电信号向所述位置移动机构发出位置变化指令，使所述位置移动机构根据所述位置变化指令带动所述光束聚焦器件执行校准操作。
2.根据权利要求1所述的后散射光路自动校准系统，其特征在于：
所述视场限制器件包括光阑，通过所述光阑限制所述背景光和所述散射光的视场大小；
所述光束聚焦器件包括抛物镜，通过所述抛物镜将所述背景光和/或所述散射光聚焦至所述光电转换器件上。
3.根据权利要求1所述的后散射光路自动校准系统，其特征在于：所述第一电机、所述第二电机和所述第三电机均为自锁型步进电机。
4.根据权利要求1所述的后散射光路自动校准系统，其特征在于，所述后散射光路自动校准系统还包括：安装底座；
所述安装底座用于固定所述第一电机、所述第二电机、所述第三电机和所述光束聚焦器件。
5.根据权利要求1所述的后散射光路自动校准系统，其特征在于：
所述位置调控设备用于在发出位置变化指令之后，比较所述散射光的电信号与预设偏置电压的大小，连续调整所述位置变化指令直至零粉尘环境时硅光电池双阵列中所述第一阵列接收的背景光的电信号等于所述第二阵列接收的背景光的电信号，且有粉尘环境时所述第一阵列或所述第二阵列接收的背景光的电信号与零粉尘环境时电信号保持不变；所述预设偏置电压为所述后散射光路自动校准系统处于零粉尘环境时所采集的电压值。
6.一种后散射光路自动校准方法，其特征在于，所述后散射光路自动校准方法包括：
基于激光发射装置发射激光束至被测区间，经粉尘后产生散射光；
基于视场限制器件限制经所述被测区间返回的背景光和所述散射光的视场大小；
基于光束聚焦器件聚焦所述背景光和所述散射光；
基于光电转换器件将聚焦后的所述背景光和/或所述散射光转换为电信号，其中，所述光电转换器件包括硅光电池双阵列，所述硅光电池双阵列包括第一阵列和第二阵列；
所述光束聚焦器件完成校准操作后，所述背景光聚焦成像于所述第一阵列上，所述散射光聚焦成像于所述第二阵列上；
基于位置调控设备根据所述电信号发出位置变化指令；
基于位置移动机构基于所述位置变化指令调整聚焦角度执行校准操作，其中，所述位置移动机构包括：第一电机、第二电机和第三电机；所述第一电机用于带动所述光束聚焦器件在XY平面方向上移动；所述第二电机用于带动所述光束聚焦器件在XZ平面方向上移动；所述第三电机用于带动所述光束聚焦器件在YZ平面方向上移动。
7.根据权利要求6所述的后散射光路自动校准方法，其特征在于，在所述基于所述位置变化指令调整聚焦角度执行校准操作的步骤之后，所述后散射光路自动校准方法还包括：
在执行校准操作之后，连续调整所述位置变化指令直至零粉尘环境时硅光电池双阵列中第一阵列接收的背景光的电信号等于第二阵列接收的背景光的电信号，且有粉尘环境时所述第一阵列或所述第二阵列接收的背景光的电信号与零粉尘环境时电信号保持不变。
8.根据权利要求7所述的后散射光路自动校准方法，其特征在于，响应于零粉尘环境时硅光电池双阵列中第一阵列接收的背景光的电信号等于第二阵列接收的背景光的电信号，且有粉尘环境时所述第一阵列或所述第二阵列接收的背景光的电信号与零粉尘环境时电信号保持不变，发出电机自锁指令，锁定当前校准完成后的校准状态。
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