CN2729694Y - 光散射式尘埃粒子测量仪的光学装置 - Google Patents

Abstract

一种光散射式尘埃粒子测量仪的光学装置，包括照明系统、散射光收集系统、气路系统，其特征在于：一发出平行激光束的激光光源组件，在该激光光源组件发出的光束前进的方向上，依次设有柱面镜、球面反射镜和光陷阱，该激光光源组件输出的椭圆形光束的截面的长轴方向与柱面镜母线成一定角度φ，其角度范围在20°～80°之间；置于柱面镜右侧的球面反射镜，且光敏感区和光电探测器光敏面的位置分别在球面反射镜球心附近的两侧，并满足几何光学的物像关系；在光电探测器和光敏感区之间置有与光敏感区的形状相匹配的视场光阑；光电探测器采用高灵敏度的光电二极管。本实用新型具有体积小、结构简单、信噪比高、粒径分辨率高、计数效率高的特点。

Description

光散射式尘埃粒子测量仪的光学装置

技术领域

本实用新型涉及洁净度检测设备，特别是一种光散射式尘埃粒子测量仪的光学装置。

背景技术

在先技术中，光散射式尘埃粒子测量仪的光学装置所采用的技术方案，如苏州净化设备厂吴俊民等人在1994年10月28日申请的实用新型专利“尘埃粒子计数器的光学传感器”(专利号为ZL94239551.4)，请参阅图1。它采用直角散射光学系统结构，其照明系统光轴、散射光收集系统光轴和气路系统轴线相交于光敏感区中心且两两垂直。其中的照明系统采用激光二极管1作为光源，激光二极管1发出的发散光束经过置于激光二极管1右侧的准直镜2准直和置于准直镜2右侧的柱面镜3在垂直于母线的方向上一维聚焦后，照射在通过旋转椭球面反射镜4的近焦点5，即光敏感区处的被测气流上，然后被前方的光陷阱6吸收。被测气流中的尘埃粒子发出的散射光被旋转椭球面反射镜4聚焦于其远焦点处，在该焦点处设置的光电倍增管7将光散射脉冲信号转换成电脉冲信号。

上述在先技术的缺点是：

1、在上述装置中，没有调整柱面镜母线方向与激光二极管发出的椭圆形光束截面的长轴方向的夹角关系，因此造成光敏感区的照明强度均匀性差，进而造成粒子测量仪粒径分辨率不高。

2、采用的旋转椭球面反射镜虽然实现了二次曲面直接共轭成像，但其加工要求高，难于获得高的表面光洁度和反射率，因而对散射光的集光效率低，漫反射严重，系统的背景光噪声大，影响信噪比的提高。另外，旋转椭球面反射镜需要打孔，加工时容易炸裂，因而加工困难，而且成品率低。

3、由于在上述装置中在光电倍增管前面无视场光阑，所以散射光接收系统接收到的光脉冲宽度不一致，造成电脉冲宽度也不一致，即信号的频谱宽度不同。为了对不同宽度的脉冲信号进行同倍率放大，放大器的通频带必须与最大频谱宽度的脉冲信号一致，这就会对低通频带的信号引入额外的噪声，同时这也给后续低噪声放大器的设计带来困难。

4、采用的光电探测器为侧窗型的光电倍增管，虽然响应速度快，但体积大且需要高压供电，不利于光学传感器的微型化，使得整机难于实现小型化。

5、在上述装置中没有有效的消除背景噪声和外界电磁干扰，因此信噪比比较低，测量精度和计数效率不高。

实用新型内容：

本实用新型的目的在于克服上述在先技术的缺点，提供一种光散射式尘埃粒子测量仪的光学装置，该测量仪具有体积小、结构简单、信噪比高、粒径分辨率高、计数效率高的特点。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种光散射式尘埃粒子测量仪的光学装置，包括照明系统、散射光收集系统、气路系统，其特征在于：

①一发出平行激光束的激光光源组件，在该激光光源组件发出的光束前进的方向上，依次设有柱面镜、球面反射镜和光陷阱，该激光光源组件输出的椭圆形光束的截面的长轴方向与柱面镜母线成一定角度φ，其角度范围在20°～80°之间；

②置于柱面镜右侧的球面反射镜，且光敏感区和光电探测器光敏面的位置分别在球面反射镜球心附近的两侧，并满足几何光学的物像关系；

③在光电探测器和光敏感区之间置有与光敏感区的形状相匹配的视场光阑；

④光电探测器采用高灵敏度的光电二极管。

所述的激光光源组件是半导体激光器组件，或半导体激光器泵浦的固体激光器组件。

所述的视场光阑的尺寸是根据球面反射镜对光敏感区处等效物面的成像位置与像面大小来确定的。

所述的视场光阑为矩形视场光阑时，其尺寸为3.4mm×2.3mm。

所述的光电探测器也可为金属封装的微型光电倍增管。

所述的散射光收集系统采用球面反射镜代替传统的旋转椭球面反射镜或抛物面反射镜。光敏感区和光电探测器光敏面的位置根据几何光学的物像关系来确定，并使它们的位置分别位于球面反射镜球心附近的两侧，这样光敏感区处的等效物面在光电探测器光敏面处的成像质量好，接近旋转椭球面反射镜的成像质量。

所述的光电二极管座采用高导电率和高导磁的材料，并使其接地良好，这就有效地消除了外界的电磁干扰。

本实用新型与在先技术相比具有下列技术效果：

1、照明系统采用功率较高的激光光源组件，其光束截面形状一般为椭圆。本实用新型中柱面镜的母线与椭圆形光束截面长轴方向具有一个合适的夹角φ。这不仅增强了尘埃粒子测量仪光学传感器光敏感区处的照明强度，而且改善了它的照明均匀性。

2、采用球面反射镜作为散射光集光元件，加工容易，成本低。

3、球面反射镜对散射光的收集立体角大，这不仅可以提高散射光的收集效率，而且在粒径动态探测范围内，增大了散射光收集立体角，有利于散射光强度与粒径的关系曲线趋于平滑。

4、设置合适大小的视场光阑，对光散射脉冲进行整形，不仅可以减小粒子测量的离散度，而且还起到了消除杂散光的作用。

5、所采用的光电二极管或微型光电倍增管体积小，有利于本实用新型的微型化。

6、光电二极管座采用高导电率和高导磁材料，并使其接地良好，这就有效地消除了外界的电磁干扰，从而大大消除了背景噪声，提高了光电探测器的灵敏度。

附图说明：

图1是在先技术的尘埃粒子计数器的光学传感器示意图。

图2是本实用新型的光散射式尘埃粒子测量仪的光学装置的主视图。

图3是本实用新型的光散射式尘埃粒子测量仪的光学装置的剖视图。

图4是本实用新型中激光光源组件发出的光束截面形状与柱面镜母线之间的关系示意图。

图5是本实用新型中光敏感区沿气路系统轴线方向上视场光阑宽度的计算示意图。

图6是本实用新型中光敏感区沿照明系统轴线方向上视场光阑长度的计算示意图。

具体实施方式

请参阅图2和图3。图2和图3是本实用新型的光散射式尘埃粒子测量仪的光学装置的结构示意图，由图2和图3可以看出，本实用新型的光散射式尘埃粒子测量仪的光学装置，包括照明系统、散射光收集系统、气路系统，其特征在于：

①一发出平行激光束的激光光源组件13，在该激光光源组件13发出的光束前进的方向上，依次设有柱面镜3、球面反射镜8和光陷阱6，该激光光源组件13输出的椭圆形光束的截面的长轴方向与柱面镜3母线成一定角度φ，其角度范围在20°～80°之间；

②置于柱面镜3右侧的球面反射镜8，且光敏感区5和光电探测器14光敏面的位置分别在球面反射镜8球心附近的两侧，并满足几何光学的物像关系；

③在光电探测器14和光敏感区5之间置有与光敏感区5的形状相匹配的视场光阑9；

④光电探测器14采用高灵敏度的光电二极管。

所述的激光光源组件13是半导体激光器组件，或半导体激光器泵浦的固体激光器组件。

所述的视场光阑9的尺寸是根据球面反射镜8对光敏感区5处等效物面的成像位置与像面大小来确定的。所述的视场光阑9较合适的是长方形视场光阑时，较佳的尺寸为3.4mm×2.3mm。

所述的光电探测器14也可采用金属封装的微型光电倍增管。

本实用新型是一个直角散射型光学装置，其工作过程及设计考虑：激光光源组件13发出准直的激光光束，被柱面镜3一维聚焦于光敏感区5处，焦线位于照明系统光轴和散射光收集系统光轴组成的平面内，且垂直于气流方向。激光光束穿过光敏感区5后进入光陷阱6，并被光陷阱6吸收掉。散射光收集系统主要由球面反射镜8、视场光阑9和光电探测器14组成。当被测气流通过光敏感区5时，其中的尘埃粒子产生的散射光的一部分直接进入光电探测器14，另一部分经过球面反射镜8反射后会聚在光电探测器14的光敏面上。气路系统主要由进气嘴11、排气嘴12、抽气泵10构成。抽气泵10将外界被测空气通过进气嘴11吸入光学传感器内，使带有被测尘埃粒子的采样气流通过光敏感区5，以得到粒子的散射光信号。前置放大电路将光电探测器14输出的电脉冲信号中的噪声去除并将该信号放大到相当幅度后送入多通道离散量数据采集系统，它根据电脉冲信号的峰值判别被测粒子尺寸，并分档计数，最后得到被测空气中各种粒径尘埃粒子的颗粒数浓度。

所述的照明系统的照明方式，是使激光光源组件13发出的椭圆形光束截面的长轴方向与柱面镜母线成一定角度φ。光敏感区5是一个很薄的圆柱，在照明光轴方向上，由于柱面镜3的焦距长，聚焦激光光束的焦深大，可以认为光强是均匀的。而在与照明系统光轴垂直的方向上，根据圆管层流理论，考虑在流速V＝12.4m/s处的r＝0.707R＝0.78mm，因此我们计算从轴线到r＝0.8mm处的照明光强均匀性。如图4所示，激光光源组件13发出的光束的截面形状为椭圆形。柱面镜3的母线302与椭圆长轴301夹角为φ。当φ为0°时，计算得光强不均匀度为0.9610；当φ为30°时，计算得光强不均匀度为0.5272；当φ为45°时，计算得光强不均匀度为0.3721；当φ为60°时，计算得光强不均匀度为0.2851；当φ为90°时，计算得光强不均匀度为0.2301。综合照明光强均匀性和绝对光强的考虑，选择一个比较合适的φ值，使得粒子测量仪的信噪比比较高。

所述的散射光收集系统采用球面反射镜8，易于加工，且表面粗糙度等级小于0.008μm，反射率达到99％以上，这不仅提高了散射光的收集效率，又减小了噪声源；球面反射镜8也是大立体角散射光收集元件，在粒径动态探测范围内，增大了散射光收集立体角，有利于散射光强度与粒径的关系曲线趋于平滑。

所述的散射光收集系统中在光电探测器14的前面设置长方形视场光阑9是比较合适的。一方面，长方形的视场光阑9与光敏感区5的形状匹配，阻止了光敏感区5以外的杂散光进入光电探测器14，而对被测粒子的散射光无影响。另一方面，由于仪器工作时，尘埃粒子是等速流过光敏感区5的，采用长方形的视场光阑9，可使流过光敏感区5各处的所有尘埃粒子产生同样宽度的散射光脉冲信号，因而光电探测器14输出的电脉冲信号也是等宽度的，这有利于后继放大电路设计合理的通频带，把电脉冲信号低噪声无失真地放大到所需的幅度。根据几何光学的物像关系计算视场光阑9的尺寸，如图5、图6所示。沿气路系统轴线方向上光敏感区5处等效物面501经过球面反射镜8成像后，在光电探测器14前面形成的等效像面901的高度作为视场光阑9的半宽度值。沿照明系统轴线方向上，光敏感区5处等效物面502经过球面反射镜8成像后，在光电探测器14前面形成的等效像面902的高度作为视场光阑9的半长度值。计算结果是，矩形的视场光阑的尺寸为3.4mm×2.3mm。

图2、图3是本实用新型的最佳实施例的结构示意图，下面给出本实用新型的最佳实施例的具体结构参数：

光散射式尘埃粒子测量仪的光学装置的激光光源组件13采用稳功率的半导体激光器组件，其波长为0.65μm、0.78μm或其它波长，功率为50mW或者更高。柱面镜3是一个平凸柱面透镜，通光直径为φ6mm，焦距为33mm。光敏感区5的尺寸为φ2.2mm×13μm，其照明不均匀程度为0.3721(φ＝45°)，即被测尘埃粒子通过光敏感区的轨迹长度仅为13μm。球面反射镜8的球面的曲率半径为12mm，其内表面镀有反射率大于99％的多层介质膜，通光口径为φ21mm，球面顶点与光敏感区的中心点O的距离为10mm，它对光敏感区5的中心O所张的立体角为1.316π球面度。光电探测器14采用一个PIN型光电二极管，光敏面积为3.6mm×3.6mm，窗口到光敏面的距离为0.8mm，窗口离开光敏感区中心O的距离为4.5mm，即光敏面离开光敏感区中心点O的距离为5.3mm。光电二极管座15采用高导电率和高导磁的坡莫合金，厚度为1mm，并使其接地良好。气路系统中的进气嘴11和排气嘴12的直径均为2.2mm。视场光阑9位于PIN型光电二极管14窗口的前面，距离光敏感区5的中心O的距离为3.5mm，它的长度和宽度的具体取值确定如下。沿气路系统轴线方向上光敏感区5处等效物面501的高度为0，等效像面901高度为1.15mm。考虑系统的对称性，视场光阑9的宽度为2.3mm。沿照明系统轴线方向上，光敏感区5处等效物面502的高度为1.1mm，等效像面902高度为1.7mm。考虑系统的对称性，视场光阑9的长度为3.4mm。

本最佳实施例对聚苯乙烯标准粒子进行标定的结果表明：本实用新型的光散射式粒子测量仪最小探测粒径小于0.2μm，最小探测粒径处的信噪比大于3∶1，计数效率大于80％。本测量仪的光学装置的体积为105mm×28mm×32mm，重量约为150g，这些性能远远优于在先技术。

在上述实施例基础上，将激光光源组件1改为半导体激光器泵浦的固体激光器组件，功率为500mW，波长为532nm。将光电探测器14改为金属封装的微型光电倍增管。这样可以得到本实用新型的又一个实施例。本实施例的最小探测粒径可小于0.1μm，最小探测粒径处的信噪比可大于4∶1，计数效率可大于90％；而重量与体积保持不变。

Claims (5)

1、一种光散射式尘埃粒子测量仪的光学装置，包括照明系统、散射光收集系统、气路系统，其特征在于：

①一发出平行激光束的激光光源组件(13)，在该激光光源组件(13)发出的光束前进的方向上，依次设有柱面镜(3)、球面反射镜(8)和光陷阱(6)，该激光光源组件(13)输出的椭圆形光束的截面的长轴方向与柱面镜(3)母线成一定角度φ，其角度范围在20°～80°之间；

②置于柱面镜(3)右侧的球面反射镜(8)，且光敏感区(5)和光电探测器(14)光敏面的位置分别在球面反射镜(8)球心附近的两侧，并满足几何光学的物像关系；

③在光电探测器(14)和光敏感区(5)之间置有与光敏感区(5)的形状相匹配的视场光阑(9)；

④光电探测器(14)采用高灵敏度的光电二极管。

2、根据权利要求1所述的光散射式尘埃粒子测量仪的光学装置，其特征在于所述的激光光源组件(13)是半导体激光器组件，或半导体激光器泵浦的固体激光器组件。

3、根据权利要求1所述的光散射式尘埃粒子测量仪的光学装置，其特征在于所述的视场光阑(9)的尺寸是根据球面反射镜(8)对光敏感区(5)处等效物面的成像位置与像面大小来确定的。

4.根据权利要求3所述的光散射式尘埃粒子测量仪的光学装置，其特征在于所述的视场光阑(9)为矩形视场光阑时，的尺寸为3.4mm×2.3mm。

5、根据权利要求1所述的光散射式尘埃粒子测量仪的光学装置，其特征在于所述的光电探测器(14)为金属封装的微型光电倍增管。

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