CN202057569U - 一种气溶胶颗粒分析仪的自动校正系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种气溶胶颗粒分析仪的自动校正系统，包括：检测单元，其与气溶胶颗粒分析仪的紫外光路单元连接，用以检测散射光、荧光、校正光的强度信号；以及补偿处理单元，其与检测单元连接，其将所述的校正光的强度信号与一标定初值进行偏差运算以获得灵敏度偏差值，并根据该偏差值自动调整所述的散射光及荧光的强度增益。本实用新型用以解决激光光源的能量起伏、光路偏移发生的检测功率变化、光源长时间使用导致的激光发射功率下降以及仪器使用环境温度不同造成的检测结果摆动等原因造成的最终测量结果误差问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及信号处理领域，尤其是指一种用于连续光气溶胶粒子分析仪的一种自动校正系统。
背景技术
气溶胶粒子分析仪是检测大气环境中气溶胶颗粒特性的仪器，它是以气溶胶颗粒在激光束中产生的光散射现象和荧光现象为原理设计而成的，即当空气中气溶胶粒子随采样气流通过光敏感区时，产生与其粒径相关的散射光脉冲以及与粒子荧光特性相关的荧光脉冲，光学系统将散射光和荧光收集于光电转换器件，光电转换器件将光脉冲信号变为相应的电脉冲信号。信号处理系统将电脉冲信号放大，并经甄别器甄别后由数字处理模块处理，最后得到各档粒径和荧光的气溶胶粒子数。
2009年4月1日公开的发明专利气溶胶粒子激光分析仪(专利公开号：CN101398367A)是气溶胶粒子分析仪的一种实现方案，此发明专利公开的气溶胶粒子激光分析仪散射光和荧光分析系统分别采用了不同的发射光源和光路，散射光发射光源采用连续红光源，荧光发射光源采用脉冲紫外光源，可以实时在线分析空气中的生物气溶胶粒子并给出生物气溶胶粒子的数量和浓度。
然而，当气溶胶粒子激光分析仪定标后，在各器件均完好的情况下，若背景噪声发生变化，则其接收灵敏度也会随之发生变化，即背景噪声增大，其接收灵敏度增加；反之，接收灵敏度降低。引起背景噪声变化的因素主要有两个：一是光源，光源的光强略增强，背景噪声也略增大；反之，背景噪声就减小，而光源光强的变化直接会引起接收灵敏度的改变。二是由于温度等其它原因发生变化时，光电转换器件的转换效率将发生变化，从而导致接收灵敏度的变化。从以上分析，可以看出一个接收系统一旦定标后，其背景噪声的大小间接地反映了仪器的接收灵敏度。因此，可以利用背景噪声来进行接收灵敏度的校正。
激光光源的能量可能随着温度的变化而变化，极易导致分析仪接收灵敏度的变化。仪器振动可能使得光路发生偏移导致仪器接收灵敏度发生变化。激光光源使用时间长会导致发射功率下降或者损坏，从而使仪器接收灵敏度降低。仪器中采用的光电转换器，以及信号处理系统所用的器件均是温度敏感器件，温度特性较差，当环境温度发生变化时，仪器的接收灵敏度会发生偏移，从而使测量数据与实际数据发生偏差。因此，为了提高仪器的环境适应性，在设计气溶胶粒子激光分析仪时必须设计接收灵敏度的补偿校正系统。
2008年8月27日公开的实用新型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(专利公开号：CN200720178752.2)，其采用分光片将入射紫外光分出少部分作为补偿系统测量参考激光。这种补偿系统需要增加分光光路，分光光路的采用不但增加了仪器光路的复杂性，更是牺牲了部分宝贵的荧光光源资源。
发明内容
本实用新型的目的在于克服现有分析仪的灵敏度随背景噪声发生变化的不足，提供一种不需增加分光光路的结构简单的自动校正系统。
本实用新型提供的气溶胶颗粒分析仪的自动校正系统，包括：
检测单元，其与所述的气溶胶颗粒分析仪的紫外光路单元连接，所述的检测单元用以检测散射光、荧光、校正光的强度信号；以及
补偿处理单元，其与所述的检测单元连接，所述的补偿处理单元将所述的校正光的强度信号与一标定初值进行偏差运算以获得灵敏度偏差值，并根据所述的偏差值自动调整所述的散射光及荧光的强度增益。
实施时，所述的紫外光路单元包括激光整形透镜组及椭球镜；所述的紫外光路单元将接收到的激光进行整形处理并聚焦于所述的椭球镜的中心。
实施时，所述的检测单元包括：
校正光检测模块，其设置于所述的气溶胶颗粒分析仪的光源发射方向上，且位于所述的椭球镜的检测区后面；
散射光检测模块，其设置于所述的椭球镜的散射光收集位置处；以及
荧光检测模块，其设置于椭球镜的荧光收集位置处。
实施时，所述的校正光检测模块包括依次连接的光电转换器、信号放大器、平滑滤波器以及A/D转换器。
实施时，所述的散射光检测模块包括依次连接的散射光检测器、信号前置放大器、信号放大积分电路、信号峰值采样保持电路以及A/D转换器。
实施时，所述的荧光检测模块包括顺序连接的带通滤波器、荧光检测器、信号前置放大器、信号放大积分电路、信号峰值采样保持电路以及A/D转换器。
实施时，所述的补偿处理单元包括：
标定初值存储模块，其存储所述的标定初值；
数字处理模块，其与所述的校正光检测模块、标定初值存储模块连接，所述的数字处理模块接收所述的校正光检测模块的强度信号，并与所述的标定初值存储模块存储的标定初值进行偏差运算以获得灵敏度偏差值，并计算散射及荧光信号增益值；
散射信号增益控制模块，其一端与所述的散射光检测模块连接，另一端与所述的数字处理模块连接，所述的散射信号增益控制模块将所述的散射光检测模块检测得到的散射光强度信号与所述的数字处理模块确定的散射信号增益值相乘，以得到最终校正后的散射信号检测结果；以及
荧光信号增益控制模块，其一端与所述的荧光检测模块连接，另一端与所述的数字处理模块连接，所述的荧光信号增益控制模块将所述的荧光检测模块检测得到的荧光强度信号与数字处理模块确定的荧光信号增益值相乘，以得到最终校正后的荧光信号检测结果。
实施时，所述的补偿处理单元还包括一与所述的数字处理模块连接的报警单元。
与现有技术相比，本实用新型提供的气溶胶颗粒分析仪的自动校正系统，能够使得气溶胶颗粒分析仪的灵敏度变化时，能够调整散射和荧光信号的强度增益，解决激光光源的能量起伏、光路偏移发生的检测功率变化、光源长时间使用导致的激光发射功率下降以及仪器使用环境温度不同造成的检测结果摆动等原因造成的最终测量结果误差问题；在分析仪光源性能严重下降甚至发生损坏时，校正偏差超过规定范围，本实用新型还能发出报警并停止测量。
附图说明
图1为本实用新型的气溶胶颗粒分析仪的自动校正系统的结构示意图；
图2为本实用新型的气溶胶颗粒分析仪的自动校正系统光路原理示意图；
图3为本实用新型的气溶胶颗粒分析仪的自动校正系统的工作原理示意图。
附图标记说明：1-检测单元；11-校正光检测模块；12-散射光检测模块；13-荧光检测模块；2-补偿处理单元；21-标定初值存储模块；22-数字处理模块；23-散射信号增益控制模块；24-荧光信号增益控制模块；3-紫外激光发射单元；4-紫外光路单元；41-双凹透镜；42-平凸透镜；43-弯月透镜；44-激光扩束镜；45-椭球镜。
具体实施方式
为使本实用新型的特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细的说明。
请参阅图1，本实用新型提供的气溶胶颗粒分析仪的自动校正系统，包括：
检测单元1，其与所述的气溶胶颗粒分析仪的紫外光路单元4连接，所述的检测单元1用以检测散射光、荧光、校正光的强度信号；其中，所述的紫外光路单元4包括激光整形透镜组及椭球镜45；所述的紫外光路单元4将接收到的激光进行整形处理并聚焦于所述的椭球镜45的中心；该椭球镜45可采用对称集光椭球镜；该检测单元1包括：校正光检测模块11，其设置于所述的光源发射方向上，且位于椭球镜45的检测区后面；散射光检测模块12，其设置于所述的椭球镜45的散射光收集位置处；以及荧光检测模块13，其设置于椭球镜45的荧光收集位置处；以及
补偿处理单元2，其与所述的检测单元1连接，所述的补偿处理单元2接收校正光检测模块11的强度信号，并与一标定初值进行偏差运算以获得灵敏度偏差值，并计算散射和荧光信号增益值，自动调整散射和荧光信号增益。
请参阅图3，是本实用新型的工作原理示意图，所述的补偿处理单元2包括：
标定初值存储模块21，其存储所述的标定初值；其中，该标定初值为预先设定的标准值，该标准值一般是在规定温度下、洁净环境中工作时，校正光检测模块11接收到的背景光噪声信号的值；
数字处理模块22，其与所述的校正光检测模块11、标定初值存储模块21连接，所述的数字处理模块22接收所述的校正光检测模块11的强度信号，并与所述的标定初值存储模块21存储的标定初值进行偏差运算以获得灵敏度偏差值，并计算散射信号和荧光信号的增益值；
散射信号增益控制模块23，其一端与所述的散射光检测模块连接，另一端与所述的数字处理模块连接，其根据散射信号增益值自动调整散射信号增益；如果校正光强度大于标定初值(即偏差值为正值)，则降低该散射信号增益；反之(即偏差值为负值)，则增加该散射信号增益；以及
荧光信号增益控制模块24，其一端与所述的荧光检测模块连接，另一端与所述的数字处理模块连接，其根据荧光信号增益值自动调整荧光信号增益；如果荧光信号大于标定初值(即偏差值为正值)，则降低该荧光信号增益；反之(即偏差值为负值)，则增加该荧光信号增益。
请参阅图2，本实用新型的气溶胶颗粒分析仪的自动校正系统光路原理示意图，首先，由一紫外激光发射单元3产生激光；其中，所述的紫外激光发射单元3可采用紫外半导体激光器或紫外固体激光器发射紫外激光；然后，该激光通过紫外光路单元4依次设置的双凹透镜41、平凸透镜42、弯月透镜43及激光扩束镜44进行整形处理并聚焦于该紫外光路单元4的椭球镜45的中心，形成检测用的光斑。
在无气溶胶粒子通过时，校正光检测模块11可检测该激光发射至所述的椭球镜45检测区后产生的背景噪声，通过该校正光检测模块11的光电转换器、信号放大器、平滑滤波器及A/D转换器进行处理，获得该背景噪声的数字量化信号，并传输至补偿处理单元2，在补偿处理单元2中将接收到的该数字量化信号与标定初值进行对比，通过补偿算法计算灵敏度偏差值，以确定自动调整增益值。
当有气溶胶颗粒进入椭球镜45的光检测区并垂直经过紫外激光时，激发出散射光并被诱发出荧光，在一定立体角范围内的散射光经椭球镜45聚焦后被散射光检测模块12的散射光检测器接收；散射光检测器接收到的散射光强度信号经由信号前置放大器、信号放大积分电路、信号峰值采样保持电路以及A/D转换器进行处理，获得散射数字量化信号，将该信号传输至补偿处理单元2，在补偿处理单元2中将接收到的该散射信号与前述补偿处理单元2中确定的散射信号增益值相乘得到最终校正后的散射信号测量结果。
在一定立体角范围内的荧光经椭球镜45聚焦后，先经由散射光检测模块12的带通滤波器进行滤波，再被荧光检测模块13的荧光检测器接收，荧光检测器接收到的荧光强度信号经由信号前置放大器、信号放大积分电路、信号峰值采样保持电路以及A/D转换器进行处理，获得荧光数字量化信号，将该信号传输至补偿处理单元2，在补偿处理单元2中将接收到的该荧光信号与前述补偿处理单元2中确定的荧光信号增益值相乘得到最终校正后的荧光信号测量结果。
在气溶胶颗粒分析仪出厂时，将测定的标定初值送入补偿处理单元2的校正初值存储器中保存。每次开机使用气溶胶颗粒分析仪时，必须进行初始化测试，此时，数字处理模块22接收校正光检测模块11中光电转换器送出并经信号放大器放大后的背景噪声信号，与校正初值存储器21中的标定初值进行比较运算，在散射信号增益控制模块23中根据散射信号增益值调整散射信号强度增益，在荧光强度增益控制模块24中根据荧光信号增益值调整荧光信号强度增益。如果偏差值超过预先设置的范围时，则通过该系统的报警单元进行报警并停止检测及校正处理。
与现有技术相比，本实用新型提供的气溶胶颗粒分析仪的自动校正系统，能够使得气溶胶颗粒分析仪的灵敏度变化时，自动调整散射信号和荧光信号的增益，解决激光光源的能量起伏、光路偏移发生的检测功率变化、光源长时间使用导致的激光发射功率下降以及仪器使用环境温度不同造成的检测结果摆动等原因造成的最终测量结果误差问题；在分析仪光源性能严重下降甚至发生损坏时，校正偏差超过规定范围，本实用新型还能发出报警并停止测量。
显然，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其进行限制；本领域的普通技术人员可以对本实用新型的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型的实施例技术方案的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种气溶胶颗粒分析仪的自动校正系统，其特征在于，包括：
检测单元，其与所述的气溶胶颗粒分析仪的紫外光路单元连接，所述的检测单元用以检测散射光、荧光、校正光的强度信号；以及
补偿处理单元，其与所述的检测单元连接，所述的补偿处理单元将所述的校正光的强度信号与一标定初值进行偏差运算以获得灵敏度偏差值，并根据所述的偏差值自动调整所述的散射光及荧光的强度增益。
2.根据权利要求1所述的气溶胶颗粒分析仪的自动校正系统，其特征在于，所述的紫外光路单元包括激光整形透镜组及椭球镜；所述的紫外光路单元将接收到的激光进行整形处理并聚焦于所述的椭球镜的中心。
3.根据权利要求2所述的气溶胶颗粒分析仪的自动校正系统，其特征在于，所述的检测单元包括：
校正光检测模块，其设置于所述的气溶胶颗粒分析仪的光源发射方向上，且位于所述的椭球镜的检测区后面；
散射光检测模块，其设置于所述的椭球镜的散射光收集位置处；以及
荧光检测模块，其设置于椭球镜的荧光收集位置处。
4.根据权利要求3所述的气溶胶颗粒分析仪的自动校正系统，其特征在于，所述的校正光检测模块包括依次连接的光电转换器、信号放大器、平滑滤波器以及A/D转换器。
5.根据权利要求3所述的气溶胶颗粒分析仪的自动校正系统，其特征在于，所述的散射光检测模块包括依次连接的散射光检测器、信号前置放大器、信号放大积分电路、信号峰值采样保持电路以及A/D转换器。
6.根据权利要求3所述的气溶胶颗粒分析仪的自动校正系统，其特征在于，所述的荧光检测模块包括顺序连接的带通滤波器、荧光检测器、信号前置放大器、信号放大积分电路、信号峰值采样保持电路以及A/D转换器。
7.根据权利要求4或5或6所述的气溶胶颗粒分析仪的自动校正系统，其特征在于，所述的补偿处理单元包括：
标定初值存储模块，其存储所述的标定初值；
数字处理模块，其与所述的校正光检测模块、标定初值存储模块连接，所述的数字处理模块接收所述的校正光检测模块的强度信号，并与所述的标定初值存储模块存储的标定初值进行偏差运算以获得灵敏度偏差值，并计算散射及荧光信号增益值；
散射信号增益控制模块，其一端与所述的散射光检测模块连接，另一端与所述的数字处理模块连接，所述的散射信号增益控制模块将所述的散射光检测模块检测得到的散射光强度信号与所述的数字处理模块确定的散射信号增益值相乘，以得到最终校正后的散射信号检测结果；以及
荧光信号增益控制模块，其一端与所述的荧光检测模块连接，另一端与所述的数字处理模块连接，所述的荧光信号增益控制模块将所述的荧光检测模块检测得到的荧光强度信号与数字处理模块确定的荧光信号增益值相乘，以得到最终校正后的荧光信号检测结果。
8.根据权利要求7所述的气溶胶颗粒分析仪的自动校正系统，其特征在于，所述的补偿处理单元还包括一与所述的数字处理模块连接的报警单元。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CX01 | Expiry of patent term | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20111130 |