WO2023005017A1 - 粒子计数器标定方法及工作方法 - Google Patents
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Abstract
粒子计数器标定方法，包括：第一步.标定光学模组；第二步.标定光电接收模组；第三步.数据采集，标定粒径通道对应的门槛电压；第二步中，在工作区域加设光路转折元件将工作光束转折后覆盖照射光敏元件，测量前置放大电路输出电压，调节输出电压与预设输出电压标准值一致。一体化实施光学模组的标定和光电接收模组的标定，极大降低了粒子计数器标定的偏差，标定效率高、精确度好，易于实现。粒子计数器工作方法因采用标定方法，标定粒子计数器后工作而具有相应优势；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工作方法。
计量是检测的科学，是利用技术和法制手段实现单位统一和量值准确可靠的测量。《中华人民共和国计量法》对计量工作也有相关规定，如计量做法不符合要求，还可能存在法律风险。特别的，对于光散射式激光粒子计数器(以下或简称“粒子计数器”)的标定中华人民共和国国家计量技术规范(JJF)还有明确规范要求，国际标准ISO/FDIS 21501-4中也提出了粒子计数器的校准需求。粒子计数器的标定方法对于企业的计量工作以及生成粒子计数器产品本身都非常重要。
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方法一般是检验员采用标准粒子计 数器进行标定，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概相同。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。较好的做法中，企业设置标定工装进行标定，一般至少需要两套工装进行标定，两套标定工艺流程。工艺繁琐，而且不同标定过程中的偏差会累积，难以有效控制最终的标定结果的偏差范围，不利于标定效果的提高。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，标定效率低、效果差，直接影响企业生产效率的提高和产品良率的优化。相应的现有粒子计数器的工作方法也存在相应缺陷，测量结果不理想，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数器工作方法，能够适用于粒子计数器的标定，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，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；另一方面提供了相应的粒子计数器工作方法，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具体是：在光学模组输出均匀的光场(工作区域)中，通过一定浓度的粒子的气流，单个粒子通过米氏散射出来的光被光电接收模组收集，然后投射到光敏元件上，通过前置放大电路转化为电压脉冲信号。电压脉冲信号通过不同粒径通道的门槛电压比较分辨出粒径的大小。
本发明提供的粒子计数器标定方法，所述粒子计数器包括工作区域和在所述工作区域两个方向上设置的光学模组、光电接收模组；包括：第一步.标定所述光学模组；所述光学模组包括激光光源和光束整形部件；第二步.标定所述光电接收模组；所述光电接收模组包括光敏元件和前置放大电路；第三步.数据采集，标定粒径通道对应的门槛电压；其中，所述第一步中，将所述激光光源的输出光束通过所述光束整形部件进行整形得到工作光束；所述光束整形部件包括若干镜片；所述第二步中，包括：预设输出电压标准值，在所述工作区域加设光路转折元件将所述工作光束转折后覆盖照射光敏元件，测量所述前置放大电路输出电压，调节所述输出电压与所述预设输出电压标准值一致。所述光学模组和所述光电接收模组在所述工作区域的不在一直线上的两个方向上，而所述激光光源的输出光束沿直线传播，通过所述光路转折元件例如反光镜或若干反射镜的组合，将所述工作光束转折后能够照射到光敏元件用于后续的标定。所述光路转折元件可以结合粒子计数器工作区域的空间大小和光敏元件的具体布局相应设置，将所述工作光束导向光敏元件。
所述第一步中，包括采用激光光斑采集器获取所述工作光束的光斑信息，评估光斑大小是否符合要求，光斑内光强分布是否均匀；根据评估结果调节所述光 学模组中镜片与激光光源的间距，标定光斑。所述光学模组中设置有所述光路整形结构，其中设置有若干镜片，调节镜片在光路上的前后能够调整激光光斑。
所述第一步中，包括：预设所述工作区域光功率的标准总值，测量所述工作光束的光功率，基于测量结果，调节所述工作区域光功率与所述标准总值一致。对粒子计数器的所述工作区域光功率标定一致，有利于每台粒子计数器在后续测量工作中结果的一致性和可靠性。
所述第二步中，在所述光路转折元件与所述光敏元件之间设置衰减片，调整照射所述光敏元件的光斑光强；和/或在所述光路转折元件与所述光敏元件之间通过光斑切割夹具，调节照射所述光敏元件的光斑面积。由于在一些具体应用中，所述工作光束的光强可能超出光敏元件可承受光强范围，设置所述衰减片能够进行光斑光强的调整有效避免工作光束直接照射光敏元件而损伤光敏元件的风险。设置所述光斑切割夹具可以获得具体要求的光斑面积，标定特定大小的光斑照射后的输出电压，更好的结合实际应用，提高标定工作的灵活性。所述衰减片和所述光斑切割夹具可以结合设置，也可以只设置其中一个，根据实际应用需要，并不设定。
所述第二步中，测量所述前置放大电路的输出电压是采用万用表测量；所述前置放大电路预设有电位计，通过所述电位计调整所述输出电压与所述预设输出电压标准值一致。电位计和万用表操作简单，易于配置，成本低，有利于标定方法的实现。每台粒子计数器的所述输出电压标定一致有利于后续测量结果的一致性和可靠性。
所述第三步中，包括在所述工作区域内通过预知粒径的粒子，采集所述前置放大电路输出的波形，统计分析所述波形的峰值，标记所述预知粒径对应的门槛 电压。
一次性统计分析所述波形的峰值，将统计分析得出的数据写入预设主控板的存储器，处理器标记每个粒径通道对应的门槛电压。
采用虚拟示波器统计分析所述波形的峰值；所述虚拟示波器基于图形化编程的软件，包括Labview。虚拟示波器是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。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。
一个具体的情况中，采用高速模数转换器(ADC)采集所述前置放大电路输出的波形。
本发明另一方面提供的粒子计数器工作方法，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；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
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，通过设置光路转折元件实现了采用同一个激光光源，一体化实施光学模组的标定和光电接收模组的标定，极大降低了粒子计数器标定的偏差，有效控制最终标定结果的偏差范围，利于标定效果 的优化；标定效率高、精确度好，易于实现，不依赖于现有的标准计数器。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数器工作方法，基于本发明的标定方法标定的粒子计数器后进行工作，步骤简洁，还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，是比较器的100倍以上。测试效率高、可靠性高。
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标定光学模组示意图。
图4为本发明实施例一的光电接收模组标定工装示意图。
图5为本发明实施例一的粒子计数器工作方法示意图。
图6为本发明实施例二的标定光学模组示意图。
图7为本发明实施例二的光电接收模组标定工装示意图。
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、进行探测的工作区域、进行光学信号接收和转换的光电接收模组以及数据处理部件构成。其中工作区域一般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，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，工作光束在光敏工作区域形成的光斑是平顶均匀化的。在光敏工作区的光场中通过一定浓度粒子的气流，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，然后到光敏元件 上，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。通过前置放大电路将能量转化为电压脉冲信号。本实施例的粒径标定设备采用带有高速ADC板卡的Labview采集系统，本实施例采用虚拟示波器基于图形化编程的软件具体是Labview，并不限定，也可以是其他能够直观显示应用的各个方面，包括硬件配置、测量数据和调试的图形化编程的软件。电压脉冲信号通过不同粒径通道的门槛电压比较分辨出粒径的大小，具体是经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：第一步.标定光学模组；第二步.标定光电接收模组；第三步.数据采集，标定粒径通道对应的门槛电压；其中，第一步中，将激光光源的输出光束进行整形得到工作光束；第二步中，包括：预设输出电压标准值，在工作区域加设光路转折元件将工作光束转折后覆盖照射光敏元件，测量前置放大电路输出电压，调节输出电压与预设输出电压标准值一致。在标定光电接收模组时标定了粒子计数器的前置放大电路的输出电压，使得每台粒子计数器的前置放大电路输出电压都是相等的。
本实施例中，如图3所示，第一步中，包括采用激光光斑采集器，示例的情况中采用一个设置在滑轨上前后位置可调的CCD相机获取多个工作光束的光斑信息，评估光斑大小是否符合要求，光斑内光强分布是否均匀；如光斑大小不符合要求均匀则调节所述光学模组中镜片与激光光源的间距。
本实施例中，如图4所示，光电接收模组标定工装是由一面反光镜作为光路转折元件，在光路上还加设了衰减片，用于减弱投射到光电二极管上的光斑光强，以保护光电二极管，避免光强过高损伤光电二极管。第二步中，测量前置放大电 路输出电压是采用万用表测量；前置放大电路预设有电位计，调整电位计所述输出电压与预设输出电压标准值一致。第三步中，包括在工作区域内通过预知粒径的粒子，采集所述前置放大电路输出的波形，统计分析所述波形的峰值，标记预知粒径对应的门槛电压。例如：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；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。根据粒子计数器的粒径通道数量通过多种粒径的粒子进行标定。
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5所示，本实施例的粒子计数器工作方法是，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所述电压脉冲信号；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，一般控制部分采用FPGA或者其他专用控制芯片，并不限定。
实施例二
如图6所示，实施例二与实施例一的区别主要在于，标定光学模组除了采用 CCD相机还采用一台光功率计，第一步中，预设工作区域光功率的标准总值，测量所述工作光束的光功率，基于测量结果，调节工作区域光功率与标准总值一致。采用光功率计，计算总功率，然后反馈至激光供电部件调节激光光源供电，使得每台光学模组中激光器整形后的功率保持一致。因为粒子计数器的光强要求均匀，并且在整个工作区域每个点的光强是相同的，要求每台粒子计数器的光学模组的光强一致性要好。本实施例的做法在采用多台粒子计数器进行工作时，每台的工作光束光强相同，工作区域光功率一致，工作得到的结果一致性高。
如图7所示，本实施例中，光电接收模组的标定工装还包括在衰减片与光电二极管之间加设的光斑切割夹具。第二步中，通过光斑切割夹具调整照射所述光敏元件的光斑面积和光强。
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。
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 (10)
- 粒子计数器标定方法，所述粒子计数器包括工作区域和在所述工作区域两个方向上设置的光学模组、光电接收模组；其特征在于：包括：第一步.标定所述光学模组；所述光学模组包括激光光源和光束整形部件；第二步.标定所述光电接收模组；所述光电接收模组包括光敏元件和前置放大电路；第三步.数据采集，标定粒径通道对应的门槛电压；其中，所述第一步中，将所述激光光源的输出光束通过所述光束整形部件进行整形得到工作光束；所述光束整形部件包括若干镜片；所述第二步中，包括：预设输出电压标准值，在所述工作区域加设光路转折元件将所述工作光束转折后覆盖照射所述光敏元件，测量所述前置放大电路输出电压，调节所述输出电压与所述预设输出电压标准值一致。
- 根据权利要求1所述的粒子计数器标定方法，其特征在于：所述第一步中，包括采用激光光斑采集器获取所述工作光束的光斑信息，评估光斑大小是否符合要求，光斑内光强分布是否均匀；根据评估结果调节所述光学模组中镜片与激光光源的间距，标定光斑。
- 根据权利要求1所述的粒子计数器标定方法，其特征在于：所述第一步中，包括：预设所述工作区域光功率的标准总值，测量所述工作光束的光功率，基于测量结果，调节所述工作区域光功率与所述标准总值一致。
- 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：所述第二步中，在所述光路转折元件与所述光敏元件之间设置衰减片，调整照射所述光敏元件的光斑光强；和/或在所述光路转折元件与所述光敏元件之间通过光斑切割夹具，调节照射所述光敏元件的光斑面积。
- 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：所述第二步中，测量所述前置放大电路的输出电压是采用万用表测量；所述前置放大电路预设有电位计，通过所述电位计调整所述输出电压与所述预设输出电压标准值一致。
- 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：所述第三步中，包括在所述工作区域内通过预知粒径的粒子，采集所述前置放大电路输出的波形，统计分析所述波形的峰值，标记所述预知粒径对应的门槛电压。
- 根据权利要求6所述的粒子计数器标定方法，其特征在于：采用虚拟示波器统计分析所述波形的峰值；所述虚拟示波器基于图形化编程的软件，包括Labview。
- 根据权利要求6所述的粒子计数器标定方法，其特征在于：采用高速模数转换器采集所述前置放大电路输出的波形。
- 粒子计数器工作方法，其特征在于：包括：采用权利要求1-8任意一项所述的标定方法对粒子计数器进行标定；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9所述的粒子计数器工作方法，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10 MSPS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包括FPGA。
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