測量塵埃粒子的光學傳感器的製作方法
2023-05-28 23:53:31 1
專利名稱：測量塵埃粒子的光學傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種低噪聲光學傳感器，可以用於測量空氣中塵埃粒子 的大小和質量濃度。
背景技術：
測量塵埃粒子的光學傳感器以塵埃粒子在光束中產生的光散射現象為 原理，通過測量塵埃粒子產生的散射光強度而推知粒子的尺寸和空氣中所含 的塵埃粒子的質量濃度。在先技術中，塵埃粒子計數器的光學傳感器所採用的技術方案，可參見 蘇州淨化設備廠吳俊民等人在1994年10月28日申請的實用新型專利"塵 埃粒子計數器的光學傳感器"(專利號為ZL94239551.4)。測量塵埃粒子的光 學傳感器通常由照明系統、散射光收集系統、光電轉換器、氣路系統組成， 其中的照明系統、散射光收集系統和氣路系統的軸線相交於光敏感區中心 點。工作時，氣路系統將被測空氣吸入光學傳感器中的光敏感區，其中的塵 埃粒子在光束照明下產生與粒子尺寸成比例的散射光信號，散射光信號被散 射光收集系統接收後入射於光電轉換器上，光電轉換器輸出與散射光強度成 正比的電信號，後續信號處理系統根據此電信號的幅度給出粒子尺寸和空氣 中塵埃粒子的質量濃度。由於塵埃粒子的散射光信號是及其微弱的，所以不 允許雜光進入光電轉換器，否則測量結果將是不可信的。在先技術中，為了獲得體積儘量小的光學傳感器，通常把光學傳感器的 結構設計得十分簡單，在照明系統與散射光收集系統中省去了必要的消除雜 光的機構。比如散射光收集系統結構簡單，只有一個橢球面反射鏡，即光 敏感區和光電轉換器分別位於橢球面反射鏡的兩個焦點位置，由於光電轉換 器直接面對光敏感區，而氣路系統區中的進氣管十分靠近光敏感區，由照明 系統產生的衍射光被進氣管阻擋而產生嚴重的雜光，這種雜光將直接進入光 電轉換器；以及照明系統中的光陷阱結構簡單，只是單個錐形或直筒形結構， 這種簡單的光陷阱結構不能完全吸收照明光，使部分光線從光陷阱反射出來 而進入散射光收集系統，使光電轉換器接收到的雜光成分多，導致散射光信號的信噪比低。 發明內容本實用新型的目的在於克服上述在先技術的缺點，提供一種雜光過濾功 能強、靈敏度高的測量塵埃粒子的光學傳感器；本實用新型的另一目的在於 提供一種低噪聲的光學傳感器。本實用新型的目的通過以下技術解決方案來實現一種測量塵埃粒子的光學傳感器，包括有照明系統、散射光收集系統、 光電轉換器和氣路系統，所述的照明系統、散射光收集系統和氣路系統的軸 線相交於光敏感區中心點；在所述的照明系統中，沿半導體雷射器組件發出 的平行雷射束前進方向上依次設置有聚焦透鏡、光敏感區和光陷阱；所述的 氣路系統包括進氣管、光敏感區和出氣管；所述的散射光收集系統包括沿其 軸線依次設置的旋轉凹面反射鏡、光敏感區、光闌、中繼透鏡組，所述的光 敏感區與光闌分別位於旋轉凹面反射鏡的兩個共軛位置處，所述的中繼透鏡 組設置在光闌和光電轉換器之間，光闌與光電轉換器敏感面分別位於中繼透 鏡組的兩個共軛位置處。所述的光陷阱為雙錐形結構，沿雷射束前進方向上依次為入口、中部和 底部，其尺寸先從大變到小，再從小變到大。所述的光陷阱的內壁呈鋸齒狀 結構。所述的光陷阱的內壁上塗有消光黑漆。所述的旋轉凹面反射鏡與中繼透鏡組組成的成像系統的總倍率的絕對 值小於1。所述的聚焦透鏡的焦點與光敏感區的中心點重合。 所述的光電轉換器是光電二極體、光電池，或光電倍增管。 本實用新型的有益效果是散射光收集系統中釆用了光闌與中繼透鏡 組，可以阻擋照明系統產生的衍射雜光和由光陷阱反射出來的雜光。光陷阱 為雙錐形結構，其對入射照明雷射束的吸收效率高，因而照明系統產生的雜 光很弱。旋轉凹面反射鏡與中繼透鏡組組成的成像系統的總倍率的絕對值小 於l，減小了光電轉換器輸出電信號中的噪聲。
圖1為本實用新型的主視圖。圖2為圖1中沿A-A向的剖視圖。 其中l:半導體雷射器組件、2:聚焦透鏡、3:光敏感區、4:光陷阱、5:旋轉凹 面反射鏡、6:光闌、7:中繼透鏡組、8:光電轉換器、9:進氣管、IO:出氣管。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明，但不應以此限制本 實用新型的保護範圍。請參閱圖1和圖2。本實用新型的測量塵埃粒子的低噪聲光學傳感器由 照明系統、散射光收集系統、光電轉換器和氣路系統組成。所述的照明系統、 散射光收集系統和氣路系統的軸線AA、 BB和CC相交於光敏感區中心點01C如圖1所示，在所述的照明系統中，沿半導體雷射器組件1發出的平行 雷射束前進方向上，依此置有聚焦透鏡2、光敏感區3和光陷阱4，聚焦透 鏡2的焦點與光敏感區的中心點O,重合。所述的光陷阱4為雙錐形結構，即由入口DD、中部EE和底部FF構成， 其尺寸從入口 DD變小到中部EE，再從中部EE變大到底部FF，光陷阱內壁 加工成鋸齒狀並塗消光黑漆。這種雙錐形結構的光陷阱的作用是，入射照明 雷射束首先從入口 DD處進入第一個錐形DD-EE，經第一個錐形DD-EE內壁多 次反射後進入第二個錐形EE-FF，由於中部EE的尺寸小於底部FF，所以進 入第二個錐形EE-FF的光線很難反射出來，即在第二個錐形EE-FF內經多次 反射後被完全吸收。所述的散射光收集系統包括沿其軸線依次設置的旋轉凹面反射鏡5、光 敏感區3、光闌6、中繼透鏡組7，所述的中繼透鏡組7設置在光闌6和光電 轉換器8之間。所述的光敏感區3與光闌6分別位於旋轉凹面反射鏡5的兩個共軛位置 (X和02處，即光敏感區3與光闌6滿足物像關係。光闌6的通光口徑與光敏 感區3的尺寸對應，即如果旋轉凹面反射鏡5的成像倍率為oc倍，光敏感區 3的尺寸為axb，則光闌6的尺寸為otaxab。光闌6的作用是只允許光敏感 區3內塵埃粒子發出的散射光通過，而阻擋光敏感區3以外的雜光進入後續 光路。所述的光闌6與光電轉換器8的敏感面分別位於中繼透鏡組7的兩個共軛位置處，即光闌6與光電轉換器8的敏感面滿足物像關係。中繼透鏡組7 以一定倍率(3將光闌6成像於光電轉換器8的敏感面上，中繼透鏡組7的成 像倍率為P。在所述的散射光收集系統中，由旋轉凹面反射鏡5與中繼透鏡組7組成 的成像系統的總倍率ocxp的絕對值小於1，即旋轉凹面反射鏡5與中繼透鏡 組7將光敏感區3縮小後成像於光電轉換器8的敏感面上。這樣，可以使用 敏感面面積小的光電轉換器。敏感面面積小的光電轉換器可以減小暗噪聲， 獲得高的信噪比。如圖2所示，所述的氣路系統由進氣管9、光敏感區3和出氣管IO構成。 本實用新型的工作過程如下半導體雷射器組件1發出的平行雷射束經聚焦透鏡2聚焦於光敏感區3， 照明光敏感區3內的塵埃粒子，最後進入光陷阱4，被吸收掉；待測塵埃粒 子經進氣管9進入光敏感區3，在雷射束照射下產生與其尺寸成比例的散射 光信號，然後由出氣管10流出；散射光經旋轉凹面反射鏡5反射後成像於 光闌6處，經光闌6消除雜光後由中繼透鏡組7成像於光電轉換器8的敏感 面上，光電轉換器8輸出與塵埃粒子產生的散射光強度成正比的電信號；根 據電信號的幅度可以得到被測塵埃粒子的尺寸與空氣中塵埃粒子的質量濃 度。除上述優選實施方案之外，本實用新型尚有多種具體的實施方式。凡採 用等同替換或者等效變換而形成的所有技術方案，均落在本實用新型要求保 護的範圍之內。
權利要求1.一種測量塵埃粒子的光學傳感器，包括有照明系統、散射光收集系統、光電轉換器(8)和氣路系統，所述的照明系統、散射光收集系統和氣路系統的軸線相交於光敏感區中心點；在所述的照明系統中，沿半導體雷射器組件(1)發出的平行雷射束前進方向上依次設置有聚焦透鏡(2)、光敏感區(3)和光陷阱(4)；所述的氣路系統包括進氣管(9)、光敏感區(3)和出氣管(10)；其特徵在於所述的散射光收集系統包括沿其軸線依次設置的旋轉凹面反射鏡(5)、光敏感區(3)、光闌(6)、中繼透鏡組(7)，所述的光敏感區(3)與光闌(6)分別位於旋轉凹面反射鏡(5)的兩個共軛位置處，所述的中繼透鏡組(7)設置在光闌(6)和光電轉換器(8)之間，光闌(6)與光電轉換器(8)敏感面分別位於中繼透鏡組(7)的兩個共軛位置處。
2. 根據權利要求1所述的測量塵埃粒子的光學傳感器，其特徵在於 所述的光陷阱(4)為雙錐形結構，沿雷射束前進方向上依次為入口、中部和 底部，其尺寸先從大變到小，再從小變到大。
3. 根據權利要求2所述的測量塵埃粒子的光學傳感器，其特徵在於 所述的光陷阱(4)的內壁呈鋸齒狀結構。
4. 根據權利要求3所述的測量塵埃粒子的光學傳感器，其特徵在於 所述的光陷阱(4)的內壁上塗有消光黑漆。
5. 根據權利要求1所述的測量塵埃粒子的光學傳感器，其特徵在於所述的旋轉凹面反射鏡(5)與中繼透鏡組(7)組成的成像系統的總倍率的絕 對值小於l。
6. 根據權利要求1所述的測量塵埃粒子的光學傳感器，其特徵在於-所述的聚焦透鏡(2)的焦點與光敏感區(3)的中心點重合。
7. 根據權利要求1所述的測量塵埃粒子的光學傳感器，其特徵在於 所述的光電轉換器(8)是光電二極體、光電池，或光電倍增管。
專利摘要本實用新型提供了一種測量塵埃粒子的低噪聲光學傳感器，由照明系統、散射光收集系統、光電轉換器和氣路系統組成；照明系統包括聚焦透鏡、光敏感區和光陷阱；散射光收集系統包括旋轉凹面反射鏡、光敏感區、光闌和中繼透鏡組；氣路系統由進氣管、光敏感區和出氣管構成。其中，光陷阱為雙錐形結構，光敏感區與光闌分別位於旋轉凹面反射鏡的兩個共軛位置處，光闌與光電轉換器敏感面分別位於中繼透鏡組的兩個共軛位置處，旋轉凹面反射鏡與中繼透鏡組組成的成像系統的總倍率的絕對值小於1。本實用新型具有噪聲低、信噪比高、靈敏度高的優點，具有較強的推廣意義。
文檔編號G01N21/47GK201116912SQ20072004497
公開日2008年9月17日 申請日期2007年11月16日 優先權日2007年11月16日
發明者民 孫, 鄒麗新, 黃惠傑 申請人:蘇州華達儀器設備有限公司