專利名稱：激光塵埃粒子計數(shù)器的微型光學(xué)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及潔凈度檢測設(shè)備，特別是一種激光塵埃粒子計數(shù)器微型光學(xué)傳感器。
背景技術(shù)：
在先技術(shù)中，激光塵埃粒子計數(shù)器的光學(xué)傳感器所采用的技術(shù)方案，如蘇州凈化設(shè)備廠吳俊民等人在1994年10月28日申請的實用新型專利“塵埃粒子計數(shù)器的光學(xué)傳感器”(專利號為ZL94239551.4)，請參閱圖1。它采用直角散射光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其照明系統(tǒng)光軸、散射光收集系統(tǒng)光軸和氣路系統(tǒng)軸線相交于光敏感區(qū)中心且兩兩垂直。其中的照明系統(tǒng)采用激光二極管1作為光源，激光二極管1發(fā)出的發(fā)散光束經(jīng)過置于激光二極管1右側(cè)的準(zhǔn)直鏡2準(zhǔn)直和置于準(zhǔn)直鏡2右側(cè)的柱面鏡3在垂直于母線的方向上一維聚焦后，照射在通過旋轉(zhuǎn)橢球面反射鏡4的近焦點5，即光敏感區(qū)處的被測氣流上，然后被前方的光陷阱6吸收。被測氣流中的塵埃粒子發(fā)出的散射光被旋轉(zhuǎn)橢球面反射鏡4聚焦于其遠(yuǎn)焦點處，在該焦點處設(shè)置的光電倍增管7將光散射脈沖信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號。
上述在先技術(shù)的缺點是1、在上述裝置中，沒有調(diào)整柱面鏡母線方向與激光二極管發(fā)出的橢圓形光束截面的長軸方向的夾角關(guān)系，因此造成光敏感區(qū)的照明強度均勻性差，進(jìn)而造成粒子計數(shù)器粒徑分辨率不高。
2、采用的旋轉(zhuǎn)橢球面反射鏡雖然實現(xiàn)了二次曲面直接共軛成像，但其加工要求高，難于獲得高的表面光潔度和反射率，因而對散射光的集光效率低，漫反射嚴(yán)重，系統(tǒng)的背景光噪聲強，影響信噪比的提高。另外，旋轉(zhuǎn)橢球面反射鏡需要打孔，加工時容易炸裂，因而加工困難，而且成品率低。
3、由于在上述裝置中沒有在光電倍增管前面設(shè)置視場光闌，所以散射光接收系統(tǒng)接收到的光脈沖寬度不一致，造成電脈沖寬度也不一致，即信號的頻譜寬度不同。為了對不同寬度的脈沖信號進(jìn)行同倍率放大，放大器的通頻帶必須與最大頻譜寬度的脈沖信號一致，這就會對低通頻帶的信號引入額外的噪聲，同時這也給后續(xù)低噪聲放大器的設(shè)計帶來困難。
4、采用的光電探測器為側(cè)窗型的光電倍增管，雖然響應(yīng)速度快，但體積大且需要高壓供電，不利于光學(xué)傳感器的微型化，使得整機難于實現(xiàn)小型化。
5、在上述裝置中沒有有效的消除背景噪聲和外界電磁干擾，因此信噪比比較低，測量精度和計數(shù)效率不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述在先技術(shù)的缺點，提供一種激光塵埃粒子計數(shù)器的微型光學(xué)傳感器，該光學(xué)傳感器應(yīng)具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、信噪比高、粒徑分辨率高、計數(shù)效率高的特點。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種激光塵埃粒子計數(shù)器的微型光學(xué)傳感器，其特征在于其構(gòu)成包括①一發(fā)出平行激光束的激光光源組件，在該激光光源組件的光束前進(jìn)方向上依次設(shè)有柱面鏡、球面反射鏡和光陷阱，該激光光源組件輸出的橢圓形光束的截面的長軸方向與母線成一定角度φ，其角度范圍在20°～80°之間；②置于柱面鏡右側(cè)的球面反射鏡，且使光敏感區(qū)和光電探測器光敏面的位置分別位于該球面反射鏡球心附近的兩側(cè)，并滿足幾何光學(xué)的物像關(guān)系；
③置于光電探測器前面且與光敏感區(qū)形狀相匹配的視場光闌；④光電探測器采用高靈敏度的光電二極管，或金屬封裝的微型光電倍增管；⑤安裝固定在光學(xué)傳感器散射腔外殼上且具有與散射光脈沖頻譜寬度一致的帶通型前置放大電路。
所述的前置放大電路是指采用下限頻率為100Hz～300Hz之間，上限頻率為1.18MHz～2.38MHz之間的帶通型前置放大電路。
所述的照明系統(tǒng)采用功率較高的激光光源組件，可以是半導(dǎo)體激光器組件，或半導(dǎo)體激光器泵浦的固體激光器組件。
所述的散射光收集系統(tǒng)采用球面反射鏡代替?zhèn)鹘y(tǒng)的旋轉(zhuǎn)橢球面反射鏡，或拋物面反射鏡。光敏感區(qū)和光電探測器光敏面的位置根據(jù)幾何光學(xué)的物像關(guān)系來確定，并使它們的位置分別位于球面反射鏡球心附近的兩側(cè)，這樣光敏感區(qū)處的等效物面在光電探測器光敏面處的成像質(zhì)量好，接近旋轉(zhuǎn)橢球面反射鏡的成像質(zhì)量。
所述的散射光收集系統(tǒng)中，在光電探測器的前面設(shè)置與光敏感區(qū)形狀匹配的視場光闌。根據(jù)球面反射鏡對光敏感區(qū)處等效物面的成像位置與像面大小來確定視場光闌的尺寸。
所述的光電探測器是高靈敏度的光電二極管，或金屬封裝的微型光電倍增管。
所述的前置放大電路是指采用下限頻率為100Hz～300Hz之間，上限頻率為1.18MHz～2.38MHz之間的帶通型前置放大電路。根據(jù)光學(xué)傳感器的系統(tǒng)參數(shù)和圓管層流理論模型，估算通過光敏感區(qū)時射流氣流的速度范圍、時間范圍，由此計算光散射脈沖信號及轉(zhuǎn)換后電脈沖信號的寬度范圍，進(jìn)而設(shè)計前置放大電路。
本發(fā)明與在先技術(shù)相比具有下列技術(shù)效果1、照明系統(tǒng)采用功率較高的激光光源組件，其光束截面形狀一般為橢圓。本發(fā)明中柱面鏡的母線與橢圓形光束截面長軸方向具有一個合適的夾角φ。這不僅增強了塵埃粒子計數(shù)器光學(xué)傳感器光敏感區(qū)處的照明強度，而且改善了它的照明均勻性。
2、采用球面反射鏡作為散射光集光元件，加工容易，成本低。
3、球面反射鏡對散射光的收集立體角大，這不僅可以提高散射光的收集效率，而且在粒徑動態(tài)探測范圍內(nèi)，增大散射光收集立體角有利于散射光強度與粒徑的關(guān)系曲線趨于平滑。
4、設(shè)置合適大小的視場光闌，不僅可以減小對粒子測量的離散度，即對光散射脈沖進(jìn)行整形，而且同時還起到了消除雜散光的作用。
5、所采用的光電二極管或微型光電倍增管體積小，有利于光學(xué)傳感器的微型化。
6、采用下限頻率為100Hz～300Hz之間，上限頻率為1.18MHz～2.38MHz之間的帶通型前置放大電路，該電路對直流和低頻成分的放大倍率為零。由于照明激光束衍射的噪聲為直流量，外界電磁干擾的頻率通常為低頻成分，所以采用帶通型前置放大電路可以清除背景噪聲和外界電磁干擾，減少虛假計數(shù)。這必將提高粒子計數(shù)器的信噪比、計數(shù)效率和測量精度。


圖1是在先技術(shù)的粒子計數(shù)器的光學(xué)傳感器示意圖。
圖2是本發(fā)明的激光塵埃粒子計數(shù)器微型光學(xué)傳感器的主視圖。
圖3是本發(fā)明的激光塵埃粒子計數(shù)器微型光學(xué)傳感器的剖視圖。
圖4是本發(fā)明中激光光源組件發(fā)出的光束截面形狀與柱面鏡母線之間的關(guān)系示意圖。
圖5是本發(fā)明中光敏感區(qū)沿氣路系統(tǒng)軸線方向上視場光闌寬度的計算示意圖。
圖6是本發(fā)明中光敏感區(qū)沿照明系統(tǒng)軸線方向上視場光闌長度的計算示意圖。
圖7是本發(fā)明中帶通型前置放大電路15的通頻帶的示意圖
具體實施例方式
請參閱圖2和圖3。圖2和圖3是本發(fā)明的激光塵埃粒子計數(shù)器微型光學(xué)傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖2和圖3可以看出，本發(fā)明激光塵埃粒子計數(shù)器微型光學(xué)傳感器是一個直角散射型光學(xué)系統(tǒng)，包括照明系統(tǒng)、散射光收集系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)和前置放大電路。照明系統(tǒng)由激光光源組件13、柱面鏡3和光陷阱6組成。激光光源組件13發(fā)出準(zhǔn)直的激光光束，被柱面鏡3一維聚焦于光敏感區(qū)5處，焦線位于照明系統(tǒng)光軸和散射光收集系統(tǒng)光軸組成的平面內(nèi)，且垂直于氣流方向。激光光束穿過光敏感區(qū)5后進(jìn)入光陷阱6，并被光陷阱6吸收掉。散射光收集系統(tǒng)主要由球面反射鏡8、視場光闌9和光電探測器14組成。當(dāng)被測氣流通過光敏感區(qū)5時，其中的塵埃粒子產(chǎn)生的散射光的一部分直接進(jìn)入光電探測器14，另一部分經(jīng)過球面反射鏡8反射后會聚在光電探測器14的光敏面上。氣路系統(tǒng)主要由進(jìn)氣嘴11、排氣嘴12、抽氣泵10構(gòu)成。抽氣泵10將外界被測空氣通過進(jìn)氣嘴11吸入光學(xué)傳感器內(nèi)，使帶有被測塵埃粒子的采樣氣流通過光敏感區(qū)5，以得到粒子的散射光信號。前置放大電路15將光電探測器14輸出的電脈沖信號中的噪聲去除并將該信號放大到相當(dāng)幅度后送入后續(xù)處理電路，后續(xù)處理根據(jù)電脈沖信號的峰值判別被測粒子尺寸，并分檔計數(shù)，最后得到被測空氣中各種粒徑塵埃粒子的顆粒數(shù)濃度。
所述的照明系統(tǒng)的照明方式，是使激光光源組件13發(fā)出的橢圓形光束截面的長軸方向與柱面鏡母線成一定角度φ。光敏感區(qū)5是一個很薄的圓柱，在照明光軸方向上，由于柱面鏡3的焦距長，聚焦激光光束的焦深大，可以認(rèn)為光強是均勻的。而在與照明系統(tǒng)光軸垂直的方向上，根據(jù)圓管層流理論，考慮在流速V＝12.4m/s處的r＝0.707R＝0.78mm，因此我們計算從軸線到r＝0.8mm處的照明光強均勻性。如圖4所示，激光光源組件13發(fā)出的光束的截面形狀為橢圓形。柱面鏡3的母線302與橢圓長軸301夾角為φ。當(dāng)φ為0°時，計算得光強不均勻度為0.9610；當(dāng)φ為30°時，計算得光強不均勻度為0.5272；當(dāng)φ為45°時，計算得光強不均勻度為0.3721；當(dāng)φ為60°時，計算得光強不均勻度為0.2851；當(dāng)φ為90°時，計算得光強不均勻度為0.2301。綜合照明光強均勻性和絕對光強的考慮，選擇一個比較合適的φ值，使得粒子計數(shù)器的信噪比比較高。
所述的散射光收集系統(tǒng)采用球面反射鏡8，易于加工，且表面粗糙度等級小于1.6μm和反射率達(dá)到99％以上，能夠提高散射光的收集效率，即減小了噪聲源；球面反射鏡8也是大立體角散射光收集元件，在粒徑動態(tài)探測范圍內(nèi)，增大散射光收集立體角有利于散射光強度與粒徑的關(guān)系曲線趨于平滑。
所述的散射光收集系統(tǒng)中在光電探測器14的前面設(shè)置視場光闌9。一方面，長方形的視場光闌9與光敏感區(qū)5的形狀匹配，阻止了光敏感區(qū)5以外的雜散光進(jìn)入光電探測器14，而對被測粒子的散射光無影響。另一方面，由于儀器工作時，塵埃粒子是等速流過光敏感區(qū)5的，采用長方形的視場光闌9可使流過光敏感區(qū)5各處的所有塵埃粒子產(chǎn)生同樣寬度的散射光脈沖信號，因而光電探測器輸出的電脈沖信號也是等寬度的，這有利于后繼放大電路設(shè)計合理的通頻帶，把電脈沖信號低噪聲無失真地放大到所需的幅度。根據(jù)幾何光學(xué)的物像關(guān)系計算視場光闌9的尺寸，如圖5、圖6所示。沿氣路系統(tǒng)軸線方向上光敏感區(qū)5處等效物面501經(jīng)過球面反射鏡8成像后，在光電探測器14前面形成的等效像面901的高度作為視場光闌9的半寬度值。沿照明系統(tǒng)軸線方向上，光敏感區(qū)5處等效物面502經(jīng)過球面反射鏡8成像后，在光電探測器14前面形成的等效像面902的高度作為視場光闌9的半長度值。綜上所述，矩形的視場光闌的尺寸為3.4mm×2.3mm。
所述的前置放大電路15是帶通型前置放大電路，如圖7所示。根據(jù)光學(xué)傳感器的系統(tǒng)參數(shù)和層流理論模型，估算被測塵埃粒子通過光敏感區(qū)時的速度范圍和相應(yīng)的時間間隔，由此計算脈沖信號的上限頻率，進(jìn)而根據(jù)噪聲信號的頻率特性確定下限頻率，從而設(shè)計具有合適的通頻帶的前置放大電路。已知照明光路的數(shù)值孔徑NA、進(jìn)氣嘴11的口徑半徑R、流量Q、流速范圍和光敏感區(qū)處的光束厚度δ，計算脈寬τ和上升時間tr，并根據(jù)公式f上＝0.35/tr，得到通頻帶的上限頻率f上在1.18MHz～2.38MHz之間。其中上升時間的定義為脈沖幅值從10％上升到90％的所需要的時間。外界的電磁干擾主要來自交流電，因此下限頻率設(shè)定f下在100Hz～300Hz之間。因此，我們采用適當(dāng)帶寬的前置放大電路，可以有效屏蔽來自外部設(shè)備的低頻電磁干擾，同時避免氣流紊動帶來的高頻虛假計數(shù)。這必將提高粒子計數(shù)器的信噪比、計數(shù)效率和測量精度。要制成具有這種性能的前置放大電路是不難的，在此不贅述。
圖2、圖3是本發(fā)明的最佳實施例的結(jié)構(gòu)示意圖，其具體結(jié)構(gòu)和參數(shù)敘述如下激光塵埃粒子計數(shù)器微型光學(xué)傳感器的激光光源組件13采用穩(wěn)功率的半導(dǎo)體激光器組件，其波長為0.65μm、0.78μm或其它波長，功率為50mW或者更高。柱面鏡3是一個平凸柱面透鏡，通光直徑為φ6mm，焦距為33mm。光敏感區(qū)5的尺寸為φ2.2mm×13μm，其照明不均勻程度為0.3721(φ＝45°)，即被測塵埃粒子通過光敏感區(qū)的軌跡長度僅為13μm。球面反射鏡8的球面的曲率半徑為12mm，其內(nèi)表面鍍有反射率大于99％的多層介質(zhì)膜，通光口徑為φ21mm，球面頂點與光敏感區(qū)的中心點O的距離為10mm，它對光敏感區(qū)5的中心O所張的立體角為1.316π球面度。14是一個PIN型光電二極管，光敏面積為3.6mm×3.6mm，窗口到光敏面的距離為0.8mm，窗口離開光敏感區(qū)中心O的距離為4.5mm，即光敏面離開光敏感區(qū)中心點O的距離為5.3mm。氣路系統(tǒng)中的進(jìn)氣嘴11和排氣嘴12的直徑均為2.2mm。視場光闌9位于PIN型光電二極管窗口的前面，距離光敏感區(qū)5的中心O的距離為3.5mm，它的長度和寬度的具體取值確定如下。沿氣路系統(tǒng)軸線方向上光敏感區(qū)5處等效物面501的高度為0，等效像面901高度為1.15mm。考慮系統(tǒng)的對稱性，視場光闌9的寬度為2.3mm。沿照明系統(tǒng)軸線方向上，光敏感區(qū)5處等效物面502的高度為1.1mm，等效像面902高度為1.7mm?？紤]系統(tǒng)的對稱性，視場光闌9的長度為3.4mm。
前置放大電路15的下限頻率f下和上限頻率f上的具體取值確定如下已知照明光路的數(shù)值孔徑NA＝2/33；進(jìn)氣嘴11的口徑半徑R＝1.1mm；流量Q＝2.831/min；流速范圍V＝12.4～24.8m/s。光敏感區(qū)處的光束厚度δ＝1.22λ/NAμm；計算結(jié)果如下脈寬τ＝0.524～1.048μs；上升時間tr＝0.147～0.296μs；根據(jù)公式f上＝0.35/tr，得到通頻帶的上限頻率f上在1.18MHz～2.38MHz之間。外界的電磁干擾主要來自交流電，因此下限頻率f下設(shè)定在100Hz～300Hz之間。
本最佳實施例對聚苯乙烯標(biāo)準(zhǔn)粒子進(jìn)行標(biāo)定的結(jié)果表明本發(fā)明的光學(xué)傳感器的粒子計數(shù)器最小探測粒徑小于0.2μm，最小探測粒徑處的信噪比大于3∶1，計數(shù)效率大于80％。本光學(xué)傳感器的體積為105mm×28mm×32mm，重量為150g，這些性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于在先技術(shù)。
在上述實施例基礎(chǔ)上，將激光光源組件1改為半導(dǎo)體激光器泵浦的固體激光器組件，功率為500mW，波長為532nm。將光電探測器14改為金屬封裝的微型光電倍增管。這樣可以得到本發(fā)明的又一個實施例。本實施例的最小探測粒徑可小于0.1μm，最小探測粒徑處的信噪比可大于4∶1，計數(shù)效率可大于90％；而重量與體積保持不變。
權(quán)利要求
1.一種激光塵埃粒子計數(shù)器的微型光學(xué)傳感器，其特征在于其構(gòu)成包括①一發(fā)出平行激光束的激光光源組件(13)，在該激光光源組件(13)發(fā)出的光束前進(jìn)的方向上，依次設(shè)有柱面鏡(3)、球面反射鏡(8)和光陷阱(6)，該激光光源組件(13)輸出的橢圓形光束的截面的長軸方向與柱面鏡(3)母線成一定角度φ，其角度范圍在20°～80°之間；②置于柱面鏡(3)右側(cè)的球面反射鏡(8)，且使光敏感區(qū)(5)和光電探測器(14)光敏面的位置分別在球面反射鏡(8)球心附近的兩側(cè)，并滿足幾何光學(xué)的物像關(guān)系；③置于光電探測器(14)前面且與光敏感區(qū)形狀相匹配的視場光闌(9)；④光電探測器(14)采用高靈敏度的光電二極管，或金屬封裝的微型光電倍增管；⑤安裝固定在光學(xué)傳感器散射腔外殼上且具有與散射光脈沖頻譜寬度一致的帶通型前置放大電路(15)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光塵埃粒子計數(shù)器的微型光學(xué)傳感器，其特征在于所述的前置放大電路(15)是指采用下限頻率為100Hz~300Hz之間，上限頻率為1.18MHz～2.38MHz之間的帶通型前置放大電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光塵埃粒子計數(shù)器的微型光學(xué)傳感器，其特征在于所述的照明系統(tǒng)采用功率較高的激光光源組件(13)，可以是半導(dǎo)體激光器組件，或半導(dǎo)體激光器泵浦的固體激光器組件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光塵埃粒子計數(shù)器的微型光學(xué)傳感器，其特征在于所述的視場光闌(9)的尺寸是根據(jù)球面反射鏡(8)對光敏感區(qū)處(5)等效物面的成像位置與像面大小來確定的。
全文摘要
一種激光塵埃粒子計數(shù)器的微型光學(xué)傳感器，其特征在于其構(gòu)成包括在激光光源組件的光束前進(jìn)方向上依次設(shè)有柱面鏡、球面反射鏡和光陷阱，該激光光源組件輸出的橢圓形光束的截面的長軸方向與母線成一定角度φ；置于柱面鏡右側(cè)的球面反射鏡，且使光敏感區(qū)和光電探測器光敏面的位置分別位于該球面反射鏡球心附近的兩側(cè)，并滿足幾何光學(xué)的物像關(guān)系；置于光電探測器前面且與光敏感區(qū)形狀相匹配的視場光闌；光電探測器采用高靈敏度的光電二極管，或金屬封裝的微型光電倍增管；安裝固定在光學(xué)傳感器散射腔外殼上且具有與散射光脈沖頻譜寬度一致的帶通型前置放大電路。本發(fā)明具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、信噪比高、粒徑分辨率高、計數(shù)效率高的特點。
文檔編號G01N15/14GK1570604SQ20041001816
公開日2005年1月26日 申請日期2004年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月9日
發(fā)明者黃惠杰, 梁春雷, 任冰強, 趙永凱, 杜龍龍 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所