雷射粉塵測量儀光學探頭的製作方法

2024-03-22 09:37:05

專利名稱：雷射粉塵測量儀光學探頭的製作方法
技術領域：
本實用新型是一種雷射粉塵測量儀的光學探頭，用於測量空氣中粉塵(懸浮顆粒物)的質量濃度和顆粒數濃度。
已有技術是日本柴田(SIBATA)公司生產的P-5L2型數字粉塵儀的光學探頭，如圖1所示。該光學探頭主要由相互垂直的照明光路和散射光收集光路構成。其中的照明光路上有光源1和準直透鏡2，光源1是白熾燈；照明光路上的光陷阱4用於消除照明光能。散射光收集光路上有接收狹縫6和作為光電探測器7的側窗式光電倍增管；光敏感區3是照明光路和散射光收集光路的交叉區域，其中心點是照明光路的光軸和散射光收集光路的光軸的交點。含有粉塵顆粒的被測空氣從樣氣通道5以平行於照明光路光軸方向通過光敏感區3。
該光學探頭存在以下缺點1.光敏感區3照明光強度較低。該光學探頭照明光路上的光源1發出的全部光能量中，只有很小一部分光能量能經準直透鏡2準直後，以平行光束照明光敏感區3。光敏感區3在垂直於照明光路光軸方向上的照明面積等於準直透鏡2的通光口徑。因準直透鏡2的通光口徑較大而使光敏感區3的照明光強度較低。這影響了該光學探頭的靈敏度，其最小探測粉塵質量濃度為0.01mg/m3。
2.散射光收集光路的集光效率低。該光學探頭只能在垂直於照明光路光軸的一個方向上收集粉塵顆粒的散射光，光敏感區3對接收狹縫6所張的孔徑半角為15°，其接收立體角為0.068π球面度。因而信號強度弱，信噪比低，這也限制了其探測靈敏度。
3.只能探測空氣中粉塵的質量濃度，而無法探測其顆粒數濃度與粒徑分布。原因有二一是該光學探頭的信噪比低，只能在多個粉塵顆粒同時通過光敏感區3時，才能有足夠的信噪比，而單個粉塵顆粒通過時，因信噪比低而無法探測到；二是含有粉塵顆粒的被測空氣從樣氣通道5以平行於照明光路光軸方向通過光敏感區3，粉塵顆粒在照明光路中的流動軌跡長，多個粉塵顆粒即使先後通過光敏感區3也很難區分。
4.為了保證該光學探頭具有一定的性能，必須採用大功率的白熾燈光源1，並以高增益的側窗式光電倍增管作為光電探測器7。從而使該光學探頭功耗大、發熱嚴重、需要散熱結構，則導致體積大，嚴重的發熱還影響了該光學探頭的檢測穩定性。
本實用新型的目的是為了克服上述已有技術中光學探頭的不足，為空氣中粉塵檢測提供一種新型的雷射粉塵測量儀光學探頭。它既可檢測空氣中粉塵的質量濃度，又可檢測其顆粒數濃度和顆粒粒徑分布。其對粉塵質量濃度的探測靈敏度優於已有技術的0.01mg/m3，最小探測粒徑小於0.30μm，並可對大於或等於最小探測粒徑的粉塵顆粒進行分檔計數從而得到空氣中粉塵顆粒的粒徑分布。這將是一種具有功能多、信噪比高、靈敏度高、穩定性好、體積小、發熱少等優點的雷射光學探頭。
本實用新型的結構中含有二條相互垂直的照明光路和散射光收集光路。在照明光路上，沿著以半導體雷射器作光源1發射光束前進的方向上，依次置有準直透鏡2、柱面透鏡8、光敏感區3和光陷阱4。柱面透鏡8的焦點與光敏感區3的中心點O0重合。
散射光收集光路的光軸O2O2與照明光路的光軸O1O1相互垂直的交點是光敏感區3的中心點O0。在散射光收集光路上，置有光電探測器7；隔著光敏感區3與光電探測器7相對的一側有凹面反射鏡9。凹面反射鏡9的焦點與光敏感區3的中心點O0重合。如圖2和圖3所示。
本實用新型中的柱面透鏡8把由半導體雷射器作光源1發出的經準直透鏡2準直後的平行光束一維線聚焦於光敏感區3，使照明光束在垂直於照明光路光軸O1O1和散射光收集光路光軸O2O2組成的平面的方向上得到壓縮，而在照明光路光軸O1O1和散射光收集光路光軸O2O2組成的平面內光束尺寸不變。其作用有兩個一是大大減小了光敏感區3在垂直於照明光路光軸O1O1方向上的照明面積，從而使光敏感區3的照明光強度成倍提高；二是大大縮短了被測粉塵顆粒通過光敏感區3的軌跡，重疊誤差小。
本實用新型中的樣氣通道5垂直地置於相互垂直的照明光路的光軸O1O1和散射光收集光路的光軸O2O2所構成的平面。樣氣通道5的中心軸線O3O3穿過光敏感區3的中心點O0。所以被測空氣經樣氣通道5以垂直於照明光路光軸O1O1和散射光收集光路光軸O2O2所構成的平面的方向通過光敏感區3。
本實用新型中的凹面反射鏡9可以是球面的凹面反射鏡，或者是旋轉拋物面的凹面反射鏡，或者是旋轉橢球面的凹面反射鏡，其反射面鍍有反射率大於90％的光學薄膜。
本實用新型中的光電探測器7不僅可以採用側窗式的光電倍增管，也可以採用低靈敏度的光電池，或者是光電管，或者是光電二極體。
本實用新型的工作過程是半導體雷射器的光源1發出的光束先由準直透鏡2準直，再經柱面透鏡8一維線聚焦後照明光敏感區3，最後進入光陷阱4，被吸收掉；待測粉塵顆粒以一定速度以垂直於照明光路光軸O1O1和散射光收集光路光軸O2O2組成的平面流過光敏感區3時產生散射光；在散射光收集光路上，一個方向上的一定立體角範圍內的散射光被凹面反射鏡9反射後穿過光敏感區3進入光電探測器7，另一個方向上的一定立體角範圍內的散射光直接進入光電探測器7；光電探測器7輸出的幅度與粉塵顆粒大小成正比的電脈衝信號被同時作如下兩種處理一是甄別其幅值，得到相應的粉塵顆粒直徑值；二是將這個電脈衝信號積分得到一個直流電信號，其大小與粉塵顆粒的質量濃度成正比，從而得到被測空氣中所含粉塵顆粒的質量濃度值。
本實用新型的優點，與已有技術相比1.光敏感區3照明光強度高。因為半導體雷射器的光源1發出的光束的方向性好，其發出的幾乎所有光能量都能被準直透鏡2準直；而且柱面透鏡8又把準直後的雷射束一維線聚焦後再照明光敏感區3，照明光束的橫截面積很小，因而照明光強度高。因此，本光學探頭的信號強度、靈敏度都比已有技術大為提高；2.本實用新型的散射光收集光路的集光效率高。因為有凹面反射鏡9和光電探測器7雙向、大角度接收散射光。凹面反射鏡9把流過光敏感區3的粉塵顆粒發出的另一個方向上的散射光又反射到光電探測器7，使本光學探頭對粉塵顆粒的散射光集光效率提高一倍。從而使本光學探頭的信號強度和信噪比都比已有技術大為提高，從而提高了光學探頭的靈敏度；3.由於本實用新型的光學探頭光敏感區3的照明光強度大、對散射光的收集效率高、被測空氣通過光敏感區3的軌跡短，所以它可同時檢測空氣中粉塵顆粒的質量濃度和顆粒數濃度。檢測功能比已有技術多。
4.由於本實用新型的光學探頭對光源1的光能利用率高，對散射光的收集效率高，所以不僅可以採用小功率的半導體雷射器作光源1，而且還可以採用側窗式光電倍增管和低靈敏度的光電池、光電管、或者是光電二極體作為光電探測器7，從而降低了發熱量與電功損耗，又減小了光學探頭的體積。



圖1是已有技術日本柴田(SIBATA)公司生產的P-5L2型數字粉塵儀光學探頭的結構示意圖。
圖2是本實用新型的雷射粉塵測量儀光學探頭結構的正視俯視剖面圖。
圖3是本實用新型的雷射粉塵測量儀光學探頭在圖2結構中的A-A面剖視圖。
實施例如圖2和圖3的結構所示。圖中光源1是半導體雷射器，功率為10mW，波長為670nm；準直透鏡2為單個非球面透鏡，焦距為10mm；柱面透鏡8為一個平凸柱面透鏡，焦距為68mm；光敏感區3的尺寸為2mm×2mm×0.023mm，即被測空氣通過光敏感區3的軌跡僅為0.023mm；凹面反射鏡9是一個球面的凹面反射鏡，球面曲率半徑為20mm，焦距為10mm，通光口徑為φ16mm，其球面頂點與光敏感區3中心點O0的距離為10mm，它對光敏感區3中心點O0所張的立體角為0.557π球面度；光電探測器7是一個PIN型光電二極體，光敏面面積為φ16mm，離開光敏感區3中心點O0的距離為10mm，它對光敏感區3中心點O0所張的立體角為0.557π球面度。本實用新型的光學探頭對散射光總的有效收集立體角為1.114π球面度，是已有技術的16.4倍。球面的凹面反射鏡9的反射面鍍有反射率大於90％的鋁膜。
本實施例對粉塵質量濃度的探測靈敏度為0.001mg/m3，對粉塵顆粒粒徑的探測靈敏度為0.20μm，最小探測粒徑處的信噪比為4∶1，可探測的粒徑動態範圍為0.20～10.0μm，此動態範圍被分成0.2、0.3、0.5、0.7、1.0、2.0、5.0、10.0μm六檔；本實施例的空氣採樣流量為2升/分鐘，可測最大粉塵顆粒數濃度值為7×105顆/升；本光學探頭的電功率損耗低，發熱量少，無需專門的散熱結構，檢測結果穩定可靠；結構緊湊，外形尺寸僅為150mm×60mm×60mm。
權利要求1.一種雷射粉塵測量儀光學探頭，包括1二條相互垂直的照明光路和散射光收集光路，在照明光路上，沿著光源(1)發射光束前進的方向上，依次有準直透鏡(2)、光敏感區(3)和光陷阱(4)，在散射光收集光路上置有光電探測器(7)；2散射光收集光路的光軸(O2O2)與照明光路的光軸(O1O1)相互垂直的交點是光敏感區(3)的中心點(O0)；其特徵在於3在照明光路上的光源(1)是半導體雷射器，在準直透鏡(2)與光敏感區(3)之間置有柱面透鏡(8)，柱面透鏡(8)的焦點與光敏感區(3)的中心點(O0)重合；4在散射光收集光路上，隔著光敏感區(3)與光電探測器(7)相對的一側有凹面反射鏡(9)，凹面反射鏡(9)的焦點與光敏感區(3)的中心點(O0)重合；5樣氣通道(5)垂直地置於由相互垂直的照明光路的光軸(O1O1)和散射光收集光路的光軸(O2O2)所構成的平面，樣氣通道(5)的中心軸線(O3O3)穿過光敏感區(3)的中心點(O0)。
2.根據權利要求1所述的雷射粉塵測量儀光學探頭，其特徵在於所說的凹面反射鏡(9)是球面的凹面反射鏡，或者是旋轉拋物面的凹面反射鏡，或者是旋轉橢球面的凹面反射鏡。
3.根據權利要求1所述的雷射粉塵測量儀光學探頭，其特徵在於所說的光電探測器(7)是側窗式光電倍增管，或者是低靈敏度的光電池、或者是光電管、或者是光電二極體。
專利摘要一種雷射粉塵測量儀光學探頭,包括光軸相互垂直的散射光收集光路和照明光路,兩光軸的交點是光敏感區的中心點。在照明光路上,沿著以半導體雷射器作光源發射的光束前進方向上,依次置有準直透鏡、焦點與光敏感區中心點重合的柱面透鏡、光敏感區和光陷阱。在散射光收集光路上,光敏感區的兩側分別有光電探測器和凹面反射鏡。樣氣通道垂直於兩光軸構成的平面。本光學探頭既可以測量粉塵的質量濃度,又可以測量顆粒數濃度。測量靈敏度高。
文檔編號G01N21/47GK2397489SQ9925192
公開日2000年9月20日 申請日期1999年12月2日 優先權日1999年12月2日
發明者黃惠傑, 路敦武, 趙永凱, 杜龍龍 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所