WO2023005016A1 - 粒子计数器标定方法及粒子计量方法 - Google Patents
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Abstract
一种粒子计数器标定方法，包括：第一标定过程：对粒子计数器的激光工作区域进行标定；第二标定过程：将固定浓度的预知粒径的粒子气流通过标定后的激光工作区域，采用带有高速ADC板卡的Labview采集系统标定与预知粒径对应的门槛电压；辅助标定过程：采用外设工装对光电接收模组进行标定，外设工装包括提供均匀激光的激光器。该标定方法改变了传统依赖于人工和标准粒子计数器进行标定的做法，标定效率高、精度好；相应的，粒子计量方法因采用该标定方法标定的粒子计数器实施而具有相应优势，能够更加细化粒径分布，将粒子浓度提升到一个更高的档次，推动计量技术的进一步发展。
Description
本发明属于计量技术领域，尤其涉及用于标定光学粒子计数器的标定方法以及使用粒子计数器的计量方法。
光散射式激光粒子计数器一般是用于测量洁净环境中单位体积内尘埃粒子数和粒径分布的仪器。其基于米氏散射原理，光学模组的探测激光经尘埃粒子散射后由光电接收模组接收并产生脉冲信号，该脉冲信号被输出并放大，然后进行信号处理，通过与标准粒子信号进行比较，将对比结果用不同的参数表示出来。广泛应用于医药、精密机械、微生物等行业中，也是防疫站、疾控中心、质量监督所等权威机构的主要计量设备之一。随着GMP认证制度逐步实施，以及气溶胶中颗粒对于疾病的传播分析，粒子计数器的应用越来越广泛。然而，现有的粒子计数器产品计数测量的准确性、可靠性、一致性还不能完全满足应用要求，其中一个重要原因存在于现有的粒子计数器投入使用前没有完全标定，或者标定方法效果没有达到要求。现有的粒子计数器标定做法一般是检验员盲调各粒子通道比较器电压阈值，使各通道粒子计数与标准粒子计数器大致相同。显然，标定效率低、精确度差，也很难实现多(每)台粒子计数器之间的一致性。可知，对于生产粒子计数器的企业而言，采用现有的标定方法，效果不理想，不能分别对粒子计数器的光学模组和光电接收模组进行有效的标定，直接影响企业生产效率的提高和产品良率的优化。相应的现有粒子计量方法也存在相应缺陷，无法精确采集电压脉冲信号，特别当粒子浓度较高，测量结果不理想，无法细化粒径分布，不能满足应用需求。
因此目前十分需要研究有效可行的粒子计数器标定方法以及相应的粒子计量方法，能够适用于粒子计数器的标定和采用粒子计数器的计量工作，提高投入使用的粒子计数器的精确性和可靠性，以此进一步推动计量技术的深入发展及广泛应用。
发明内容
本发明是为了解决上述现有技术的部分、全部或潜在问题，本发明一方面提供了粒子计数器的标定方法，用于粒子计数器投入使用前的标定工作。本发明另一方面提供了相应的粒子计量方法，测试空气尘埃粒子颗粒的粒径及其分布。
对于本发明可能涉及的一些名词或原理，进行示例性而非限定的说明如下：
米氏散射(Mie scattering)，是一种光学现象，属于散射的一种情况。当粒子的大小接近于或者大于入射光线的波长λ的时候，大部分的入射光线会沿着前进和垂直的方向进行散射，这种现象被称为米氏散射。
粒径(particle size)：空气中某种散射粒子的直径，是与散射光的强度相对应的粒子的直径，单位μm。
粒子浓度(particle concentration):在规定的采样流量和采样时间内，被测空气单位体积中存在的不小于指定粒径的离散粒子的个数。
标准粒子计数器：经国家组织比对，并获得满意结果的粒子计数器。
本发明中粒子计数器计量原理是：在光学模组输出均匀的光场(激光工作区域)中，通过粒子的气流，单个粒子通过米氏散射出来的光被米氏散射收集器收集，然后照射到光电接收模组的光敏元件上，通过前置放大电路将能量转化为电压脉冲信号，采集电压脉冲信号，利用算法分辨粒径大小和分布。
本发明提供的粒子计数器标定方法包括：第一标定过程:对粒子计数器的激 光工作区域进行标定；第二标定过程：将固定浓度的预知粒径的粒子气流通过标定后的所述激光工作区域，采用带有高速ADC板卡的Labview采集系统标定与所述预知粒径对应的门槛电压；辅助标定过程：采用外设工装对粒子计数器的光电接收模组进行标定，所述外设工装包括提供均匀激光的外设激光器；其中，所述辅助标定过程与所述第一标定过程、所述第二标定过程无时序关联。即辅助标定过程可以在第一标定过程之前、第二标定过程之后或者在第一、第二标定过程之间进行，也可以与第一标定过程或第二标定过程同时进行，并不限定。其中Labview是专为测试、测量和控制应用而设计的系统工程软件，可快速访问硬件和数据信息。
所述粒子计数器的光电接收模组包括光敏元件和前置放大电路；所述辅助标定过程中，将所述均匀激光完全覆盖照射光敏元件，采用万用表测量所述前置放大电路的实际输出电压；将所述实际输出电压与所述前置放大电路的输出电压的设计理论值比对；如所述实际输出电压与所述设计理论值不一致，则根据两者之间的比例设定修正系数。
所述光电接收模组还包括EEPROM(带电可擦可编程只读存储器)；所述辅助标定过程中，将所述实际输出电压与所述修正系数写入所述EEPROM。EEPROM是一种掉电后数据不丢失的存储芯片，一般用在即插即用。将所述实际输出电压与所述修正系数写入EEPROM后，在进行计数工作时插入粒子计数器的主控板，所述修正系数能被读取以修正计数工作的结果，使得计数结果不因光电接收模组的实际输出电压与设计理论值的差异而产生偏差，保障计数结果的可靠性和准确性。
所述辅助标定过程中还包括对所述光电接收模组进行编号，记录所述光电接 收模组的编号及相应的所述修正系数。在后续进行计数工作时，根据计数所使用的粒子计数器的光电接收模组的编号，将编号对应的修正系数写入相应粒子计数器主控板的存储器，计数时调用所述修正系数对计数结果进行修正，以保障计数结果的准确性。通过辅助标定过程中分析计算前置放大电路的输出电压设定修正参数，一方面提高了粒子计数器在计量工作应用时的精确度，另一方面使得粒子计数器前置放大电路的实际输出电压容许与设计理论值有差异，有利于粒子计数器制造中的灵活性，一定程度上降低生产难度。
所述第二标定过程中，Labview采集所述前置放大电路输出的波形，统计分析每个波形的峰值，然后标记出所述预知粒径的粒子的门槛电压；至少逐次通入4种不同的预知粒径，分辨标记至少4种预知粒径对应的门槛电压。
粒子计数器的光学模组包括激光器和光束整形结构；所述光束整形结构包括镜片；所述第一标定过程之前，将所述激光器的输出光束进行整形得到工作光束；所述光束整形结构包括镜片，所述工作光束为平顶光束；所述第一标定过程中，通过调节所述镜片的位置标定所述激光工作区域的光斑。
所述第一标定过程中，采集所述工作光束的光斑，测量光斑的大小是否符合预设值，评估是否为光强均匀的光斑。可以将测量所述光斑的大小与评估所述光斑内光强是否均匀同步进行，也可以先测量所述光斑的大小，当所述光斑大小符合满足计数需要的预设值时，再评估所述光斑内光强是否均匀；如测量得到光斑大小与所述预设值不一致，则调节所述镜片与激光器的间距，调整所述工作光束的光斑大小。
所述第一标定过程中，采用第一光斑切割夹具，在所述激光工作区域的起始点切割出所述工作光束的预设面积的第一工作光斑，接入功率计；计算所述第一 工作光斑总功率，相应调整激光器供电，使所述第一工作光斑总功率与预设标准总功率保持一致；计算所述第一工作光斑的平均光强。
所述第一标定过程中，还采用第二光斑切割夹具，在所述激光工作区域的终结点切割出工作光束的所述预设面积的第二工作光斑，接入功率计；计算所述第二工作光斑的平均光强。
若所述第一工作光斑的平均光强与所述第二工作光斑的平均光强之间的差异百分比范围在-10％到+10％之间，则判定所述第一标定过程完成。即工作光束的光斑调整完成。
本发明另一方面提供的粒子计量方法，包括：采用本发明一方面的粒子计数器标定方法对粒子计数器进行标定；之后，采集前置放大电路输出的电压脉冲信号，分辨粒径大小和粒径分布。
采用高速模数转换器采集所述电压脉冲信号；所述高速模数转换器的采集速度在10MSPS(每秒采样百万次Million Samples per Second)以上；所述电压脉冲信号输入专用集成电路(ASIC)计算得到粒径大小和分布；所述专用集成电路器件集成在用于计量的粒子计数器的主控板上，包括FPGA。FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列)是在PAL、GAL等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的。
所述FPGA读取修正系数，运行分辨算法进行分辨；所述分辨算法采用所述修正系数调整粒径大小的分辨。
与现有技术相比，本发明的主要有益效果：
1、本发明一方面的粒子计数器标定方法，标定采用带有高速ADC板卡的 Labview采集系统，改变了传统依赖于人工和标准粒子计数器进行标定的做法，且能够在更高的精度水平对粒径及其对应的门槛电压进行标定；通过分立的辅助标定过程，能够对光电接收模组进行标定与分析；采用本发明标定方法标定的粒子计数器，多台粒子计数器之间的一致性好；极有利于计量技术的进一步推广和发展，推动粒子计数器生产企业生产效率的提高和产品良率的优化。
2、本发明另一方面的粒子计量方法，基于本发明的标定方法标定的粒子计数器后进行计量，能够有效分辨粒径的完整范围，例如0.2μm，0.3μm，0.4μm等等，能够更加细化粒径分布，将粒子浓度提升到一个更高的档次。此外，测试效率高、可靠性好，能够通过读取修正系数进一步完善测试结果的准确性。
图1为本发明实施例一的粒子计数器构成示意图。
图2为本发明实施例一的粒子计数器标定方法过程示意图。
图3为本发明实施例一的第一工作光斑测量示意图。
图4为本发明实施例一的第二工作光斑测量示意图。
图5为本发明实施例一的辅助标定情况示意图。
图6为本发明实施例一的粒子计量方法示意图。
图7为本发明实施例二的工作光束光斑采集示意图。
下面将对本发明具体实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解。附图中，相同结构或功能的部分利用相同的附图标记来标记，出于显示清楚的原因必要时并不是所有示出的部分在全部附图中用所属的附图标记来标记。
在下述实施例中采用特定次序描绘了实施例的操作，这些次序的描述是为了更好的理解实施例中的细节以全面了解本发明，但这些次序的描述并不一定与本发明的方法一一对应，也不能以此限定本发明的范围。
需要说明的是，附图中的流程图和框图，图示出按照本发明实施例的方法可能实现的操作过程。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以并不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以穿插的执行，依所涉及的步骤要实现的目的而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与人工操作结合来实现。
实施例一
本发明实施例一中，如图1所示，本实施例示例的粒子计数器，由提供工作光束的光学模组、进行探测的激光工作区域、进行光学信号接收和转换的光电接收模组构成。其中激光工作区域是光敏工作区及米氏散射收集器。光学模组中有作为激光光源的激光器及其供电部件，通过调节激光器供电可以调节激光光源的输出光强。本实施例中，示例的粒子计数器在靠近激光器输出端设置有光路整形结构，将激光器的输出光束的高斯光斑进行整形得到工作光束，工作光束在激光工作区域形成的光斑是平顶均匀化的。在工作光束的光场中通过固定浓度粒子气 流，单个粒子通过米氏散射收集器后出来的光被光电接收模组收集进行光电信号转换。本实施例的光敏元件是光电二极管，在也有的实施情况中采用其他光敏元件如光敏三极管等，并不限定。本实施例采用的粒径标定设备是带有高速ADC板卡的Labview采集系统。示例的粒子计数器在计数工作中，经ADC数模转换和FPGA/ASIC运算，根据粒径范围算法，得到粒径大小和分布的结果。
本实施例中，如图2所示，粒子计数器标定方法包括：第一标定过程:对粒子计数器的激光工作区域进行标定；第二标定过程：将固定浓度的预知粒径的粒子气流通过标定后的激光工作区域，采用带有高速ADC板卡的Labview采集系统标定与预知粒径对应的门槛电压；辅助标定过程：采用外设工装对光电接收模组进行标定，所述外设工装包括提供均匀激光的外设激光器。辅助标定过程是与第一标定过程、第二标定过程没有时序关联的。实施例中为了便于理解本发明示例的辅助标定过程的具体操作是在第一标定过程与第二标定过程之间进行的。
本实施例中，粒子计数器的光束整形结构将激光器的输出光束进行整形得到工作光束。光束整形结构包括镜片，工作光束为平顶光束。对于整形后得到工作光束在第一标定过程中进行标定，使其符合应用要求。结合图3和图4所示，第一标定过程中，采用第一光斑切割夹具，在激光工作区域的起始点切割出工作光束的预设面积的第一工作光斑，接入功率计；计算第一工作光斑总功率，相应调整激光器供电，使总功率与预设标准总功率保持一致；计算所述第一工作光斑的平均光强。之后采用第二光斑切割夹具，在激光工作区域的终结点切割出工作光束的与第一工作光斑相同的预设面积的第二工作光斑，接入功率计；计算第二工作光斑的平均光强。本实施例中，第一光斑切割夹具和第二光斑切割夹具的孔径相同，保持投射到光功率计上的光斑大小一致，两种夹具情况下计算出来的平均 光强可以判别光路整形有没有调整好，假如偏差控制在10％以内，即第一工作光斑的平均光强与所述第二工作光斑的平均光强之间的差异百分比范围在-10％到+10％之间，就认为光路调整好了，否则光斑没有调整好，需要继续调整。第二光斑切割夹具的长度比第一光斑切割夹具的长度长，由此可以分别设置在激光工作区域的起始点和终结点。在也有的实施情况中在激光工作区域的多个位置截取光斑进行测试，并不一定只有在起始点和终结点设置光斑切割夹具，并不限定。
本实施例中，如图5所示，辅助标定过程中，由外设激光器提供的均匀激光完全覆盖照射光电二极管之后，采用万用表测试当下前置放大电路的实际输出电压。将实际输出电压与该粒子计数器的前置放大电路输出电压的设计理论值比对，如所述实际输出电压与设计理论值不一致，则根据两者之间的比例设定修正系数。输出电压的设计理论值，是可以通过计算得到。一般的情况，外设激光器的均匀激光光强可知，粒子计数器的光电二极管的光电转换率的标准值在光电二极管厂家出厂时提供，根据前置放大电路的增益理论可以计算出输出电压的设计理论值。为了便于理解，举例而言，已知均匀激光的功率是0.5μW，光电二极管的光电转换率是0.5A/W，前置放大电路的放大增益是4000000Ω，则输出电压设计理论值为1V，在同样的光照条件下，测量得到前置放大电路的实际输出电压仅为0.9V，那么，该粒子计数器的修正系数即为1/0.9＝0.9，EEPROM记录该实际输出电压0.9V以及修正系数0.9(或者以百分数形式记录为90％)。
本实施例中光电接收模组还设置有一块EEPROM，在辅助标定过程中，将测量得到的实际输出电压与相应的修正系数写入EEPROM。在采用该粒子计数器进行计数时将EEPROM插上主控板，FPGA就能读取EEPROM里的修正系数，分辨算法采用该修正系数调整粒径大小的分辨。
本实施例中，第二标定过程中在激光工作区域内通过预知粒径的粒子，采集前置放大电路输出的波形，统计分析波形的峰值，标记所述预知粒径对应的门槛电压。示例的做法包括：通过0.3μm的粒子，然后用Labview采集前置放大电路输出的波形，统计分析每个波形的峰值，然后标记出0.3μm粒子的门槛电压。同样的，通过0.5μm的粒子，然后用Labview采集前置放大电路输出的波形，统计分析每个波形的峰值，然后标记出0.5μm粒子的门槛电压；通过1.0μm的粒子，然后用Labview采集前置放大电路输出的波形，统计分析每个波形的峰值，然后标记出1.0μm粒子的门槛电压。本实施例中还通过其他3种不同的预知粒径的粒子气流，进行相似操作。根据粒子计数器的粒径通道数量对应通过多种不同粒径的粒子进行标定。粒径通道数量和需要标定的不同粒径的种类个数可以结合实际应用需要设置，并不限定。
本实施例的高速模数转换器的采集速度在10MSPS(每秒采样百万次Million Samples per Second)以上，示例采用的ADC是ADI公司(亚德诺半导体技术有限公司)的AD9629型模数转换器。
如图6所示，本实施例的粒子计量方法是，先按本实施例的粒子计数器标定方法标定粒子计数器；采用高速模数转换器采集电压脉冲信号；根据标定时Labview计算的出门槛电压，分辨采集到波形所对应的粒径。电压脉冲信号输入FPGA，计算得到粒径大小和分布。采用这种方法可以分辨出粒径的完整范围，例如0.2μm，0.3μm，0.4μm等等，甚至可以更加细化粒径分布，可以将粒子浓度提升到一个更高的档次，是普通比较器的100倍以上。对ADC有很高的要求，采集速度要达到10M以上才能完整分布粒径，一般控制部分可采用FPGA或者其他专用控制芯片，并不限定。
实施例二
如图7所示，实施例二与实施例一的区别主要在于，第一标定过程中，对工作光束的光斑进行采集和评估。采用激光光斑采集器，具体是一个设置在滑轨上前后位置可调的CCD相机获取工作光束的多个光斑信息，根据获得的工作光束的多个光斑信息统计分析光斑大小是否符合要求，光斑内光强分布是否均匀。如果光斑大小与预设值不一致，则调节光束整形结构，一般的做法中是调整镜片与激光器之间的距离，调整后再采集光斑信息进行评估，直至光斑大小符合预设值为止。本实施例中采用较为方便的CCD相机进行采集，当然，在其他实施例中激光光斑采集器还可以利用小面元APD或PIN探测器搭建一个三维扫描检测设备，本发明对此不作具体限定。
本实施例中，与实施例一的另一个区别是在辅助标定过程中，没有设置EEPROM，而是采用外部记录的方式，对每个光电接收模组进行编号，记录编号以及对应的修正系数，示例的做法中在粒子计数器的光电接收模组表面贴有标签，标签上标识了编号及修正系数。后续使用该粒子计数器进行计数时，将该修正系数写入主控板的存储器，供FPGA调用。
本发明为了便于叙述清楚而采用的一些常用的英文名词或字母只是用于示例性指代而非限定性解释或特定用法，不应以其可能的中文翻译或具体字母来限定本发明的保护范围。
还需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要 素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
以上对本发明进行了详细介绍，本文中应用了具体的个例对本发明的结构及工作原理进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求保护的范围内。
Claims (7)
- 粒子计数器标定方法，其特征在于：包括：第一标定过程：对粒子计数器的激光工作区域进行标定；第二标定过程：将固定浓度的预知粒径的粒子气流通过标定后的所述激光工作区域，采用带有高速ADC板卡的Labview采集系统标定与所述预知粒径对应的门槛电压；辅助标定过程：采用外设工装对粒子计数器的光电接收模组进行标定，所述外设工装包括提供均匀激光的外设激光器；其中，所述辅助标定过程与所述第一标定过程、所述第二标定过程无时序关联。
- 根据权利要求1所述的粒子计数器标定方法，其特征在于：所述粒子计数器的光电接收模组包括光敏元件和前置放大电路；所述辅助标定过程中，将所述均匀激光完全覆盖照射光敏元件，采用万用表测量所述前置放大电路的实际输出电压；将所述实际输出电压与所述前置放大电路的输出电压的设计理论值比对；如所述实际输出电压与所述设计理论值不一致，则根据两者之间的比例设定修正系数。
- 根据权利要求2所述的粒子计数器标定方法，其特征在于：所述第二标定过程中，Labview采集所述前置放大电路输出的波形，统计分析每个波形的峰值，然后标记出所述预知粒径的粒子的门槛电压；至少逐次通入4种不同的预知粒径，分辨标记至少4种预知粒径对应的门槛电压。
- 根据权利要求1-3任意一项所述的粒子计数器标定方法，其特征在于：粒子计数器的光学模组包括激光器和光束整形结构；所述光束整形结构包括镜片；所述第一标定过程之前，将所述激光器的输出光束进行整形得到工作光束；所述 工作光束为平顶光束；所述第一标定过程中，通过调节所述镜片的位置标定所述激光工作区域的光斑。
- 粒子计量方法，其特征在于：包括：采用权利要求1-4任意一项所述的标定方法对粒子计数器进行标定；之后，采集前置放大电路输出的电压脉冲信号，分辨粒径大小和粒径分布。
- 根据权利要求5所述的粒子计量方法，其特征在于：采用高速模数转换器采集所述电压脉冲信号；所述高速模数转换器的采集速度在10MSPS以上；所述电压脉冲信号输入专用集成电路计算得到粒径大小和分布；所述专用集成电路器件集成在用于计量的粒子计数器的主控板上，包括FPGA。
- 根据权利要求6所述的粒子计量方法，其特征在于：所述FPGA读取修正系数，运行分辨算法进行分辨；所述分辨算法采用所述修正系数调整粒径大小的分辨。
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