CN117233066A - 一种角散射式液体颗粒计数装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种角散射式液体颗粒计数装置，包括激光源、整形光路、液体流通单元、散射光处理单元和信号处理单元，液体流通单元安装有流通单元台阶，流通单元台阶中心处垂直向流通池方向开设通孔并贯穿形成通道，散射光处理单元包括光阱与第一透镜，所述信号处理单元包括第二透镜、光电探测器与光电检测电路，激光源产生的激光通过整形光路进行准直与聚焦，整形后的光束聚在液体流通单元的流通池的中心处，形成一个薄片状光束，然后光通过散射光处理单元的光阱、第一透镜，最后通过信号处理单元得到流经流通池的液体中的颗粒数量与大小；本发明简化了检测结构；通过对光束的压缩整形，减少多个颗粒同时进入检测区域的概率，提高了测量精度。
Description
技术领域
本发明属于液体颗粒计数领域，具体涉及一种角散射式液体颗粒计数装置。
背景技术
现如今在许多领域里会遇到对颗粒数进行计量的要求。例如，对工作环境进行评价或者对产品洁净度以及它们受到杂质污染的程度进行监控和评价等。随着科学技术的发展，许多产品的生产过程需要在洁净室内进行。在医药工业中，注射针剂和输液中所混入的不溶性颗粒的尺寸过大或数量过多将对人体产生不良后果。为此，需要使用颗粒计数检测装置进行检测。
液体颗粒计数装置是一种用于检测液体介质中微小颗粒的大小分布和数量的仪器。光学计数法是目前使用最广泛的液体颗粒计数检测方法。光散射法是其中所采用的一种主要检测方法，该方法消除了入射光的干扰，可以检测到非常小的颗粒所产生的微弱散射光信号，使得能够检测亚微米级颗粒。当存在于介质中的颗粒经过测量区时，即被入射激光所照射并产生散射光，如能测得该颗粒的散射光分布信号大小，就可求得颗粒的粒径大小。角散射法大都采集颗粒在某一散射立体角(Δθ＝θ2-θ1)内的散射光能或散射光通量以实现测量，采用该原理的颗粒计数装置，测量速度快，精度高。大多国产颗粒计数器采用的光阻法原理，例如公开号为CN201610835801、名称为一种液体颗粒检测装置的中国专利，由于光阻法测量的是透射光强相对于入射光强的衰减情况，探测器采集到的透射光极大地受到入射光的影响，需要使用灵敏度极高的光电探测器，同时对光源光束的质量也有极高的要求。
发明内容
为解决现有液体颗粒计数装置量程小、结构复杂、精度低的问题，本发明提供一种角散射式液体颗粒计数装置，采用同轴采光系统，在简化检测结构的基础上，具有高灵敏度与大量程。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种角散射式液体颗粒计数装置，包括依次放置的激光源、整形光路、液体流通单元、散射光处理单元和信号处理单元，液体流通单元包括流通单元台阶、通道与流通池，所述液体流通单元的两侧安装有流通单元台阶，流通单元台阶中心处垂直向流通池方向开设通孔并贯穿形成通道，液体通过通道与流通池流通，所述散射光处理单元包括光阱与第一透镜，光阱面向流通池方向开口，用于吸收中心激光光束并阻挡散射角为15°内的散射光，第一透镜用于采集并准直散射角在35°的散射光，所述信号处理单元包括第二透镜、光电探测器与光电检测电路，第二透镜与第一透镜方向相反，接收到散射角在15°～35°的散射光并聚到光电探测器与光电检测电路，激光源产生的激光通过整形光路进行准直与聚焦，整形后的光束聚在液体流通单元的流通池的中心处，形成一个薄片状光束，然后光通过散射光处理单元的光阱、第一透镜，最后通过信号处理单元得到流经流通池的液体中的颗粒数量与大小。
进一步地，所述激光源采用半导体激光二极管，半导体激光二极管通过套筒与整形光路连接。
进一步地，所述整形光路包括准直透镜、准直光路和柱面镜，所述准直透镜、准直光路与柱面镜沿激光源出射的激光光束的传播方向依次放置，准直透镜与柱面镜的光轴均与激光光束的光轴重合。
进一步地，所述流通单元台阶为圆柱形，直径尺寸在10mm-12mm，通道上半部分孔径直径为3mm，通道下半部分直径为3.5mm，薄片状光束为20μm。
进一步地，所述流通池包括流通池左侧玻璃窗口、流通池右侧玻璃窗口和流道，流道位于流通池左侧玻璃窗口和流通池右侧玻璃窗口之间，流道上设有与液体流通的通孔，流通池左侧玻璃窗口和流通池右侧玻璃窗口的上下表面且靠近流道处开有槽口，使通道液体流通至流道，并防止液体泄漏。
进一步地，所述流通池左侧玻璃窗口、流通池右侧玻璃窗口采用石英玻璃，流道采用金属材质。
进一步地，所述流道两侧为圆弧，与液体流通的通孔为两侧宽、中间窄的沙漏形状，流道中心为最窄处。
进一步地，所述流道高度为10mm，厚度为1mm，流道中心处截面为0.5mm×1mm的矩形。
进一步地，所述光阱与第一透镜同轴心，光阱为圆柱体，内壁有螺纹。
进一步地，所述第一透镜和第二透镜为平凸透镜，通过适配的台阶固定安装，第一透镜NA为0.6。
本发明与现有技术相比，其具有下列优点：
1、采用柱面镜对准直后的平行光进行整形，所述整形光路将激光光束会聚在液体流道单元中的流道中心处，形成厚度为20μm的薄片状光束。对光束的压缩整形使得大多数粒子能单独通过检测区域，相比于传统光束，大大提高了测量精度，提高了颗粒的计数效率与装置测量的灵敏度。
2、整体采用同轴采光系统，所述散射光处理单元和信号处理单元中的光阱与透镜，其光轴皆与激光光束光轴重合。相比于异轴采光系统，结构更加简单，对零件加工、透镜间距要求更低，使得装置更易制作。
3、对前向散射光进行收集，相比于侧向散射光收集系统，检测结构更为简单，显著降低了对零件尺寸精度、安装工艺的要求。
4、选择了合适的立体采光角，颗粒散射光能与粒径关系曲线平缓不振荡，颗粒粒径的测量范围显著提升。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为角散射式液体颗粒计数装置的结构示意图。
图2为本发明的流道(332)的结构示意图。
图3为本发明的流通池(33)的俯视图。
其中：1、激光源；2、整形光路；3、液体流通单元；4、散射光处理单元；5、信号处理单元；11、半导体激光二极管；12、连接套筒；21、准直透镜；22、准直光路；23、柱面镜；31、流通单元台阶；32、通道；33、流通池；41、光阱；42、第一透镜安装台阶；43、第一透镜；51、第二透镜安装台阶；52、第二透镜；53、光电探测器和光电检测电路；331、流通池左侧玻璃窗口；332、流道；333、流通池右侧玻璃窗口；332a、流道中心。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
一种角散射式液体颗粒计数装置，包括激光源1、整形光路2、液体流通单元3，散射光处理单元4和信号处理单元5。激光源1产生的激光通过整形光路2进行准直与聚焦，整形后的光束会聚在液体流通单元3的流通池33的流道中心332a处。激光源1与整形光路2能够形成入射光束，流通池33设置在入射光束的传播路径上。液体流通单元3包括流通单元台阶31、通道32与流通池33。流通池由流道332、流通池左侧玻璃窗口331与流通池右侧玻璃窗口332组成。散射光处理单元4由第一透镜43、光阱41与第一透镜安装台阶42组成，第一透镜43采集并准直散射角为35°内的散射光，光阱41用于吸收中心激光光束并阻挡散射角为15°内的散射光。光通过第二透镜52收到散射角在15°～35°的散射光并会聚至光电探测器与光电检测电路53，信号经处理后得到流经流道332的液体中的颗粒数量与大小的数据。可测量颗粒的粒径范围在0.5μm～50μm，同时兼具大颗粒测量与小颗粒测量，量程大。
所述激光源1包括能够产生具有一定发散角的激光光束的半导体激光二极管11，通过套筒12与整形光路2连接，整形光路2包括准直透镜21，准直光路22，柱面镜23，所述准直透镜21与柱面镜23沿半导体激光二极管11出射的激光光束的传播方向依次放置。所述准直透镜21与柱面镜23的光轴均与激光光束的光轴重合。所述半导体激光二极管11产生的激光经准直透镜21准直后，经过柱面镜23对Y轴方向上的光束进行会聚，所述激光光束经整形后在流道中心332a处形成一个厚度在20μm左右的薄片状光束，并且中心亮度均匀。
所述液体流通单元3在上下面各开有一个圆柱形的台阶31，直径尺寸在10mm-12mm，台阶处用于安装快拧接头。台阶中心处垂直向流通池33方向开设通孔并贯穿，形成通道32，所述通孔为圆孔，通道32上半部分孔径直径为3mm，通道32下半部分直径为3.5mm。
所述液体流通单元3的流通池33由流通池左侧玻璃窗口331和流通池右侧玻璃窗口333之间放置一个金属材质的流道332组成。玻璃窗口材料为石英玻璃，具有高透光率，使得入射光几乎无损耗的进入流道332，同时在上下面各开有槽口，使得液体流通并防止液体泄漏。流道332结构如图2所示，高度为10mm，厚度为1mm，形状为切割掉上下部分的圆形，方便使用圆形压圈进行固定。流道供液体流经的部分类似沙漏形状，具有一定程度的鞘流效应，使得大部分液体中的颗粒在通过流道中心332a时单独通过。在流道中心332a最窄处长度为0.5mm，流道中心332a处截面为0.5mm×1mm的矩形。
散射光处理单元4包括一个光阱41与第一透镜43，第一透镜43为平凸透镜，安装在长度与透镜边缘厚度相等的台阶42上，透镜NA在0.6左右，用于收集并准直散射角在35°内的散射光信号。
所述光阱41与第一透镜43同轴心，光阱为圆柱体，直径在4.3mm左右，面向流通池方向开口，内壁有螺纹，放置在第一透镜43前方，用于吸收流通池33出射光束的中心光束，排除未被散射的光信号的干扰，并用于阻挡散射角在15°内的散射光。
信号处理单元5包括第二透镜52、光电探测器与光电检测电路53，第二透镜52为平凸透镜，安装在长度与透镜边缘厚度相等的台阶51上，用于进一步会聚光束，光电探测器用于接收会聚光，光电检测电路能将光电探测器输入的电信号放大并处理获得流经所述流道332的液体中的颗粒的数量和大小的数据。
颗粒的散射光能可以有两种不同的采集方式：同轴采光和异轴采光。根据Mie散射理论，颗粒的散射光强空间分布可按下式表示：
式中，I0是入射光强度，λ是光波长，r是颗粒到观察点之间的距离，i1和i2是Mie散射强度函数，则是采集面上任一点在XY平面上的投影与X轴之间的夹角。该点的单元面积为:
该单元面积所接受到的散射光能为：
dF＝ISdS (3)
在同轴采光系统中，i1和i2相对于Z轴对称，不随角变化。因此可得一个颗粒在散射立体角θ1/θ2范围内散射光能的数学表达式：
由此可见，同轴采光相比于异轴采光，采集与入射光方向光轴平行的前向散射光，散射光能计算方式更为简单，能够简化检测装置的结构，检测速度更为快速。根据颗粒计数器的工作原理，要求散射光能F与粒径D之间保持一一对应的单值关系，即F-D曲线应是一单调曲线。这样根据每次所测量到的散射光能F即可唯一地确定颗粒的粒径大小D。同时根据信号的个数可以确定待测液体中的颗粒数量。
本发明所述的角散射式液体颗粒计数器在进行液体中的颗粒检测时，将待测液体通过蠕动泵抽取，经液体流通单元上方的快拧接头流经通道进入流通池。打开激光源1，形成入射光束。入射光束经过准直透镜21和柱面镜23后，在流道中心332a会聚成一个薄片状光束。光束与流道332的流道中心332a相交，形成检测区域，检测区域尺寸为0.5mm×1mm×0.05mm。当待测液体的微粒通过检测区域时，微小颗粒被激光光束照射，产生光散射效应形成散射光束，散射光束被第一透镜43接收并准直散射角为35°内的光束后，继续由第二透镜52进行再次会聚。其中，未被微粒散射而直接出射的光束将继续向前传播，被光阱41吸收阻挡，不能到达第二透镜的表面。根据光阱尺寸及透镜数值孔径的设计，最终第二透镜会采集到散射角在15°～35°内的散射光。在此范围内，颗粒散射光能与粒径关系曲线震荡性小，单调性好，能够检测粒径在0.5μm～50μm的微粒，同时提高了颗粒计数器的灵敏度。
本发明设计的结构，采用光散射法，使用光陷阱吸收掉不需要的入射光束，并采集15～35°内的散射光，极大降低了对探测器灵敏度、光源质量的要求；同时采用同轴采光系统，简化了结构，降低了装配要求。本发明采用同轴采光系统，透镜对称放置，简化了检测结构；通过对光束的压缩整形，减少多个颗粒同时进入检测区域的概率，提高了测量精度。
如上所述，按照本发明的宗旨进行了说明，其目的在于使该领域技术人士了解本发明内容并加以实施，但本发明并非局限于上述实施例和实施方法。相关技术领域的从业者可在本发明的技术思想许可的范围内进行不同的变化及实施。
Claims (10)
1.一种角散射式液体颗粒计数装置，其特征在于，包括依次放置的激光源(1)、整形光路(2)、液体流通单元(3)、散射光处理单元(4)和信号处理单元(5)，液体流通单元(3)包括流通单元台阶(31)、通道(32)与流通池(33)，所述液体流通单元(3)的上下安装有流通单元台阶(31)，流通单元台阶(31)中心处垂直向流通池(33)方向开设通孔并贯穿形成通道(32)，液体通过通道(32)与流通池(33)流通，所述散射光处理单元(4)包括光阱(41)与第一透镜(43)，光阱(41)面向流通池方向开口，用于吸收中心激光光束并阻挡散射角为15°内的散射光，第一透镜(43)用于采集并准直散射角在35°的散射光，所述信号处理单元(5)包括第二透镜(52)、光电探测器与光电检测电路，第二透镜(52)与第一透镜(43)方向相反，接收到散射角在15°～35°的散射光并聚到光电探测器与光电检测电路，激光源(1)产生的激光通过整形光路(2)进行准直与聚焦，整形后的光束聚在液体流通单元(3)的流通池(33)的中心处，形成一个薄片状光束，然后光通过散射光处理单元(4)的光阱(41)、第一透镜(43)，最后通过信号处理单元(5)得到流经流通池(33)的液体中的颗粒数量与大小。
2.根据权利要求1所述的一种角散射式液体颗粒计数装置，其特征在于，所述激光源(1)采用半导体激光二极管(11)，半导体激光二极管(11)通过套筒(12)与整形光路(2)连接。
3.根据权利要求1所述的一种角散射式液体颗粒计数装置，其特征在于，所述整形光路(2)包括准直透镜(21)、准直光路(22)和柱面镜(23)，所述准直透镜(21)、准直光路(22)与柱面镜(23)沿激光源(1)出射的激光光束的传播方向依次放置，准直透镜(21)与柱面镜(23)的光轴均与激光光束的光轴重合。
4.根据权利要求1所述的一种角散射式液体颗粒计数装置，其特征在于，所述流通单元台阶(31)为圆柱形，直径尺寸在10mm-12mm，通道(32)上半部分孔径直径为3mm，通道(32)下半部分直径为3.5mm，薄片状光束为20μm。
5.根据权利要求1所述的一种角散射式液体颗粒计数装置，其特征在于，所述流通池(33)包括流通池左侧玻璃窗口(331)、流通池右侧玻璃窗口(333)和流道(332)，流道(332)位于流通池左侧玻璃窗口(331)和流通池右侧玻璃窗口(333)之间，流道(332)上设有与液体流通的通孔，流通池左侧玻璃窗口(331)和流通池右侧玻璃窗口(333)的上下表面且靠近流道(332)处开有槽口，使通道(32)液体流通至流道(332)，并防止液体泄漏。
6.根据权利要求5所述的一种角散射式液体颗粒计数装置，其特征在于，所述流通池左侧玻璃窗口(331)、流通池右侧玻璃窗口(333)采用石英玻璃，流道(332)采用金属材质。
7.根据权利要求5所述的一种角散射式液体颗粒计数装置，其特征在于，所述流道(332)两侧为圆弧，与液体流通的通孔为两侧宽、中间窄的沙漏形状，流道中心为最窄处。
8.根据权利要求7所述的一种角散射式液体颗粒计数装置，其特征在于，所述流道(332)高度为10mm，厚度为1mm，流道中心处截面为0.5mm×1mm的矩形。
9.根据权利要求1所述的一种角散射式液体颗粒计数装置，其特征在于，所述光阱(41)与第一透镜(43)同轴心，光阱(41)为圆柱体，内壁有螺纹。
10.根据权利要求1所述的一种角散射式液体颗粒计数装置，其特征在于，所述第一透镜(43)和第二透镜(52)为平凸透镜，通过适配的台阶固定安装，第一透镜(43)NA为0.6。
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