CN201107254Y - 气溶胶颗粒分析仪中的紫外激光能量监控和受激荧光补偿系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种紫外激光能量监控和受激荧光补偿系统，该系统包括紫外激光发射器、紫外光路单元、荧光检测单元、紫外激光强度检测单元和荧光强度校准单元，所述紫外激光强度检测单元通过紫外光路单元与紫外激光发射器光学连接，且位于紫外激光光源发射方向上，紫外光路单元与荧光检测单元光学连接，荧光检测单元与荧光强度校准单元电连接，紫外激光强度检测单元与荧光强度校准单元电连接；紫外激光强度检测单元检测到的紫外激光发射器产生的紫外激光强度与标准值的相对偏差输送到荧光强度校准单元进行荧光强度校准。采用该系统，解决了紫外激光器工作在不同的重复脉冲频率下，由于能量不稳定而导致的荧光强度变化和最终测量结果误差的问题。

Description

气溶胶颗粒分析仪中的紫外激光能量监控和受激荧光补偿系统

技术领域

本实用新型涉及紫外激光能量监控和受激荧光补偿系统，尤其涉及一种紫外激光能量监控和受激荧光补偿系统。

背景技术

空气中具有各种悬浮粒子，包括非生物粒子和生物粒子。这些悬浮粒子时刻在影响着人们的身体健康，尤其是生物气溶胶颗粒，可能会是具有传染危害的病原微生物，所以，监测空气中是否具有生物气溶胶粒子以及生物气溶胶粒子的浓度、数量并能够判定其特性显得尤为重要。

由于生物气溶胶粒子在激光击打下会发出固有的荧光光谱特性，利用这种原理，可以用紫外激光器以及相应光路、气路及电路组成的测量装置检测空气中是否具有生物气溶胶粒子，并判定其生物特性。

现有的生物气溶胶粒子检测装置(例如美国的TSI 3312紫外激光空气动力学生物粒子计数器)可以实时在线检测空气中是否具有生物气溶胶粒子以及生物气溶胶粒子的浓度和数量。

但现有生物气溶胶粒子装置存在的问题是：紫外激光的能量会随着触发频率和温度的变化而变化，以及随开机时间和累计开机时间的增加而有不同程度的衰减，极易导致激发荧光强度的变化和最终检测到的荧光强度数据的不准确。

例如，当使用紫外脉冲激光器时，若生物气溶胶粒子浓度较高，可能在一段时间内有很多生物气溶胶粒子从喷嘴口喷出，因而导致紫外激光器以高频率触发。这种高频率的触发会导致紫外激光器脉冲输出能量的下降，从而导致发射出的激光脉冲幅值的下降，这种幅值下降的激光束照射到生物粒子上，产生的荧光强度也变弱，使得同一种生物物质产生的荧光强度不一致，很容易出现对信号的误判断。

实用新型内容

本实用新型提供一种紫外激光能量监控和受激荧光补偿系统，紫外激光能量监控和受激荧光补偿系统能够实时校准荧光强度，使检测结果标准化。

本实用新型提供的紫外激光能量监控和受激荧光补偿系统紫外激光能量监控和受激荧光补偿系统包括：紫外激光发射器、紫外光路单元、荧光检测单元、紫外激光强度检测单元和荧光强度校准单元。

所述紫外激光强度检测单元通过紫外光路单元与紫外激光发射器光学连接，且位于紫外激光光源发射方向上，紫外光路单元与荧光检测单元光学连接，荧光检测单元与荧光强度校准单元电连接，紫外激光强度检测单元与荧光强度校准单元电连接；紫外激光强度检测单元检测到的紫外激光发射器产生的紫外激光强度与标准值的相对偏差输送到荧光强度校准单元进行荧光强度校准。紫外激光发射器可以是紫外脉冲激光器，也可以是紫外连续激光器。

优选地，紫外激光强度检测单元包括分光片和紫外光探测单元，从分光片透射的紫外光入射到紫外光探测单元。更优选地，紫外光探测单元包括高通滤波片和紫外光强检测器。

优选地，紫外激光强度校准单元包括前置放大器、与所述前置放大器连接的放大/积分电路、与所述放大/积分电路连接的激光强度增益运算电路、与所述激光强度增益运算电路连接的荧光强度增益控制电路。

优选地，紫外光路单元包括沿紫外激光发射方向排列的紫外整形球透镜、紫外整形柱面镜和双色镜。

优选地，荧光检测单元包括依次连接的带通滤波片、荧光检测器、前置放大器、放大/积分电路、峰值采样保持电路、A/D转换器。

与现有技术相比，采用本实用新型提供的紫外激光能量监控和受激荧光补偿系统，在紫外激光发射器输出能量较低的时候，能够及时调整检测端的增益，解决了紫外激光器工作在不同的重复脉冲频率下由于能量不稳定而导致的荧光强度变化和最终测量结果误差的问题。并且做到了荧光强度最终测量值的归一化处理，避免了对荧光信号的误判断。

附图说明

图1为本实用新型紫外激光能量监控和受激荧光补偿系统的示意图；

图2为本实用新型紫外激光检测单元的结构示意图；

图3为本实用新型紫外激光强度贺荧光信号测量及校准电路原理框图；

图4为本实用新型紫外激光能量监控和受激荧光补偿系统的电路结构示意图。

具体实施方式

本实用新型中的紫外激光能量监控和受激荧光补偿系统包括紫外激光发射器、紫外光路单元、荧光检测单元、紫外激光强度检测单元、荧光强度校准单元，所述紫外激光强度检测单元通过紫外光路单元与紫外激光发射器光学连接，且位于紫外激光光源发射方向上，紫外光路单元与荧光检测单元光学连接，荧光检测单元与荧光强度校准单元电连接，紫外激光强度检测单元与荧光强度校准单元电连接；紫外激光强度检测单元检测到的紫外激光发射器产生的紫外激光强度与标准值的相对偏差输送到荧光强度校准单元进行荧光强度校准。

图1为本实用新型紫外激光能量监控和受激荧光补偿系统的示意图。双管芯激光发射器1发出的两束平行光经过准直透镜2后，分别形成发散角为毫弧度数量级的光束。两束激光再经过整形正透镜3、柱面镜4，形成两个垂直于喷嘴10喷气方向的两个椭圆光斑。消光器9用于消除散射激光和紫外激光的剩余光线对系统测量的影响。喷嘴10安装在竖直方向，所述喷嘴10与相应的气路装置相连。待测的气溶胶颗粒在一定压力下从喷嘴10喷出。

紫外激光发射器16位于光路19上，其紫外光束经过整形球透镜15和整形柱面镜14作用后，经过双色镜5，在垂直于喷嘴10喷气方向上照射从喷嘴10喷出的气溶胶颗粒。

本实用新型的紫外激光能量监控和受激荧光补偿系统的紫外激光强度检测单元包括分光片21和紫外光探测单元20。分光片21可以是一种透过式光栅，可以将入射光分出一部分以供测量。当需要测量的激光功率远远大于功率/能量计测量范围时，通常考虑使用分光片进行光线的采样。分光片21位于光路中双色镜5、紫外整形柱面镜14和紫外整形球透镜15的前端。紫外光探测单元20置于分光片21的背面，紫外光线从分光片21的正面入射，大部分紫外光线经过分光片21反射射向双色镜5，然后再经过双色镜5的反射，照射气溶胶颗粒。照射到分光片上的少部分紫外光线经分光片21滤除红光、散射光和荧光成份后，由紫外光探测单元20接收转换为电信号，并送至荧光强度校准单元(未示出)进行信号处理，并进行荧光强度的校正。具体处理过程将在下面的内容中详细描述。

图2为本实用新型紫外激光检测单元的结构示意图。在本图中示出了一种具有紫外激光强度检测单元的气溶胶颗粒检测仪的光学结构。

两束平行的红色激光经透射镜37和椭球镜38的入口汇聚在椭球镜38的第一焦点处，形成两个光斑。其中透射镜37与图1中双色镜5相似，对红色激光近似完全透射，对紫外激光近似完全反射。椭球镜38包括上椭球镜和下椭球镜，两个椭球镜的前面有供红光和紫外激光入射的进口、后面有用于消除余光的光陷阱出口即消光器。上下椭球镜分别在其第二焦点位置设有供散射光强度和荧光强度测量的窗口。含有气溶胶粒子的气流经过喷口加速，会使其中的气溶胶粒子依次穿过两个红色激光光斑。并由此而产生粒子的散射光。该散射光经下椭球镜反射汇聚在下椭球镜的第二焦点位置上，通过低通滤光片32滤除紫外激光和荧光干扰后，由散射光探测器31接收并送至粒径测量电路中。

每个粒子在穿过散射光路的两个红色激光光斑时，由于其质量不同，穿过两个光斑的速度也不同，通过测量其穿过两个红色光斑的飞行时间，即可以得到对应的空气动力学直径。通过对气溶胶粒子进行粒径分类筛选，可以检测到符合粒径范围的气溶胶粒子。

通过判定粒径大小并确定其有效性后，触发紫外脉冲激光，该紫外激光经反射镜37聚焦在椭球镜的第一焦点处，并对气溶胶粒子击打，气溶胶粒子被激发产生的荧光经上椭球镜反射汇聚在其第二焦点位置上，所述荧光通过带通滤光片36滤除杂散光和紫外光成份后，由荧光探测器35接收并送至荧光测量电路中进行信号和数据处理。荧光检测单元包括依次连接的带通滤波片、荧光检测器，以及前置放大器、放大/积分电路、峰值采样保持电路、AD转换器等电子元件。

在紫外脉冲激光器发射紫外激光时，紫外激光强度检测单元对发射出的激光强度进行检测。紫外激光强度检测单元包括分光片34和紫外光强探测器39，少部分紫外脉冲激光经分光片34滤除红光、散射光和荧光成份后，由紫外光强探测器39接收并送至后续紫外激光校准单元中进行信号处理。

图3为本实用新型紫外激光强度和荧光信号测量及校准电路的工作原理框图。在粒径检测装置100根据气溶胶颗粒的粒径判断该颗粒可能为生物粒子时，向紫外激光发射器发送触发信号，使紫外激光发射器发射紫外激光。紫外激光强度检测单元301检测紫外激光发射器发出的紫外光强度，并且将测得的强度发送到紫外激光强度校准单元302与标准的紫外激光强度进行比较，确定增益值，并将增益值发送到荧光检测单元201，从而校准接收到的生物粒子所发出的荧光。

同时，结合图4，粒径测量装置的信号处理流程为：由散射光探测器接收散射光并转换为电信号后，由低噪声、高增益的前置放大器进行放大，经行信号缓冲后送入计时器计时并送入A/D转换器进行模数转换，再经过粒径分类电路，最后送入控制及数据处理电路。

同时，计时器会给逻辑门控电路发出信号，以便在判定该粒子有效后发出触发信号触发紫外脉冲激光。

荧光测量电路的信号流程为：由荧光探测器接收荧光并转换为电信号后，由低噪声、高增益宽带放大器进行放大，经积分电路送入峰值采样保持电路进行峰值信号的采样和保持，并经A/D转换后，进行荧光强度校准和荧光强度分类，最后送入控制及数据处理电路。

上述的控制及数据处理电路包括缓冲器、微处理器及外围电路。

逻辑门控电路在发出紫外激光触发信号的同时，也对荧光校准电路发出选通信号。荧光强度校准电路的信号流程为：由紫外光强探测器接受紫外激光信号，经低噪声前置放大电路和积分电路后，送入脉冲强度校准电路对紫外脉冲强度进行校准，通过计算标准紫外激光强度和实测紫外激光强度的比值得到荧光检测单元信号接收的增益值，随后将所述增益值送入荧光强度校正电路对荧光强度信号进行校准。

具体校准算法如下：

校准荧光强度： $I_{\mathrm{FC}}=I_{\mathrm{FT}}\frac{I_{\mathrm{UVS}}}{I_{\mathrm{UVT}}}$

式中：I_FC----校准后荧光强度

I_FT----实测荧光强度

I_UVS----标准紫外激光强度

I_UVT----实测紫外激光强度

从上面的算法可以看出，紫外激光强度的衰减比例等于校准后荧光强度的增益比例。也就是说，当紫外激光衰减为标准紫外激光的1/k时，则校准后荧光强度的增益为实测荧光强度的k倍。这样，荧光强度得到了归一化的处理，避免了对荧光信号的误判。上述算法可以通过相应的增益运算电路完成。

图4为本实用新型紫外激光能量监控和受激荧光补偿系统的电路结构示意图。

粒径测量装置的电路部分包括低通滤波片(或散射光检测器上的镀膜)、散射光检测器(APD)、前置放大器、缓冲放大器、计时器及AD转换器、时间和粒径分类电路/同步触发器。

荧光测量单元的电路包括带通滤波片(或荧光检测器上的镀膜)、荧光检测器(例如光电倍增管)、前置放大器、放大/积分电路、峰值采样保持电路、AD转换器、荧光强度校准、荧光强度分类电路。

紫外激光强度检测单元的电路包括高通滤波片(或在紫外光强检测器上的镀膜)、紫外光强检测器。紫外激光强度校准单元包括前置放大器、放大/积分电路、脉冲强度校正电路、荧光强度校准电路。

紫外激光强度测量装置能够随时检测自外脉冲的能量强度的变化，将测量值统一到标准的脉冲强度下，从而将荧光强度最终测量值作归一化处理。

尽管本实用新型是结合上述的优选实施方式进行描述的，但是其实现形式并不局限于上述的实施方式。应该认识到，在不脱离本实用新型主旨的情况下，本领域技术人员可以对本实用新型做出不同的变化和修改。

Claims (6)

1、一种紫外激光能量监控和受激荧光补偿系统，其特征在于，包括紫外激光发射器、紫外光路单元、荧光检测单元、紫外激光强度检测单元和荧光强度校准单元，所述紫外激光强度检测单元通过紫外光路单元与紫外激光发射器光学连接，且位于紫外激光光源发射方向上，紫外光路单元与荧光检测单元光学连接，荧光检测单元与荧光强度校准单元电连接，紫外激光强度检测单元与荧光强度校准单元电连接；紫外激光强度检测单元检测到的紫外激光发射器产生的紫外激光强度与标准值的相对偏差输送到荧光强度校准单元进行荧光强度校准。

2、根据权利要求1所述的紫外激光能量监控和受激荧光补偿系统，其特征在于，紫外激光强度检测单元包括分光片和紫外光探测单元，从分光片透射的部分紫外光入射到紫外光探测单元。

3、根据权利要求2所述的紫外激光能量监控和受激荧光补偿系统，其特征在于，紫外光探测单元包括高通滤波片和紫外光强检测器。

4、根据权利要求3所述的紫外激光能量监控和受激荧光补偿系统，其特征在于，紫外激光强度校准单元包括前置放大器、与所述前置放大器连接的放大/积分电路、与所述放大/积分电路连接的激光强度增益运算电路、与所述激光强度增益运算电路连接的荧光强度增益控制电路。

5、根据权利要求4所述的紫外激光能量监控和受激荧光补偿系统，其特征在于，紫外光路单元包括沿紫外激光发射方向排列的紫外整形球透镜、紫外整形柱面镜和双色镜。

6、根据权利要求5所述的紫外激光能量监控和受激荧光补偿系统，其特征在于，荧光检测单元包括依次连接的带通滤波片、荧光检测器、前置放大器、放大/积分电路、峰值采样保持电路、A/D转换器。

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