塵埃粒子計數器的製作方法

2023-12-11 15:05:27

專利名稱：塵埃粒子計數器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種測量潔淨環境中單位體積空氣內所含塵埃粒子數 的測試儀器。
背景技術：
塵埃粒子計數器的主要部件為一個光學傳感器，其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，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； 以及簡單的氣路系統會導致計數器本身的自淨性能的降低。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，提供一種功能多，測 試精度高，速度快，操作方便的塵埃粒子計數器。本實用新型的目的通過以下技術解決方案來實現一種塵埃粒子計數器，包括有殼體及設置在殼體內部的光學傳感器和前置放大器，所述的光學傳感器包括照明系統、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，且兩兩垂直；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為單一 孔徑的球面反射鏡，光敏感區和光電轉換器光敏面的位置分別位於球面反射 鏡球心附近兩側的共軛面處，氣路系統包括氣溶膠入口、氣溶膠出口、光散 射腔、氣泵和空氣過濾器，所述的空氣過濾器包括相互固定連接的過濾器座 和過濾器蓋，以及設置其內部的過濾膜和壓圈，壓圈上排列設置有若干個小 孔，使氣流能均勻地通過過濾膜。所述的散射光收集系統也可以由依次設置的旋轉凹面反射鏡、光敏感 區、光闌、中繼透鏡組組成，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。所述的半導體雷射器組件的波長為780mn。所述的光電轉換器是光電二極體。所述的前置放大器釆用寬帶型對數放大電路，其帶寬與散射光脈衝的頻 譜寬度相一致。該塵埃粒子計數器的供電系統的設計採用交直流兩用的形式。 所述的供電系統還包括一個電池保護電路。本實用新型的有益效果是由於氣路系統中的過濾器的改進，防止了由 於氣流不均勻而損壞過濾膜，從而提高了塵埃粒子計數器的自淨性能；而且 本實用新型的測試精度高，速度快，操作方便。


圖1為本實用新型的光學傳感器的示意圖。圖2為圖1中沿A-A向的剖視圖。圖3為本實用新型的空氣過濾器的示意圖。圖4為圖3中A部分的放大圖。圖5為本實用新型的氣路流程圖。 圖6為本實用新型的前面板布置圖。 圖7為本實用新型的後面板布置圖。 g巾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、 ll:過濾器座、12:過濾膜、13:軟密封墊、14:壓圈、15:0型密封圈、16:過 濾器蓋、17:光散射腔、18:流量計、19:氣泵、20:空氣過濾器、21:多功能 顯示屏、22:測量鍵、23:粒徑鍵、24:列印鍵、25:選擇鍵、26:調整鍵、27: 數據/時鐘鍵、28:清除鍵、29:周期鍵、30:UCL鍵、31:設置鍵、32:內置式 印表機、33:採樣口、 34:自淨口、 35:採樣流量顯示、36:流量調節、37:電 源插口、 38:電源開關。
具體實施方式
本實用新型的塵埃粒子計數器，包括有殼體及設置在殼體內部的光學傳 感器和前置放大器。其中光學傳感器由照明系統、散射光收集系統、光電轉 換器8和氣路系統組成，前置放大器採用寬帶型對數放大電路，這是為了擴 大可測粒徑的動態範圍，它的帶寬與散射光脈衝的頻譜寬度相一致。前置放 大器將光電轉換器8輸出的電脈衝信號濾除低頻噪聲並放大到適當幅度後送 入雷射塵埃粒子計數器的後續處理電路，後續處理根據電脈衝信號的峰值判 別被測粒子尺寸，並分檔計數，最後得到被測空氣中各種粒徑塵埃粒子的顆 粒數濃度。光學傳感器是塵埃粒子計數器內部結構中最重要的組成部分，以下為本 實用新型光學傳感器的具體介紹。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(X，且兩兩垂直。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(X重合。半導 體雷射器組件1的波長為780腦。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(3。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axp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。當然，為了節省空間，減小塵埃粒子計數器的體積，散射光收集系統只 採用現有技術的單一大數值孔徑的球面反射鏡，它對散射光的收集半角由原 來的44°提高到70°。光敏感區3和光電轉換器8光敏面的位置分別位於球 面反射鏡球心附近兩側的共軛面處。這種設計簡單易行，集光效率高。球面 反射鏡反射面鍍介質全反射膜，在雷射波長780nm處的反射率接近與1。同 時光學傳感器中的光電轉換器8採用PIN型光電二極體而不是側窗式光電倍 增管，這樣光學傳感器的體積由180xl60x40mm3變成了 105x28x32mm3，約為 原體積的1/10，達到了微型化的目的。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。 結合圖5的氣路流程圖，採樣氣會依次經過光散射腔17、流量計18、氣泵 19、空氣過濾器20。採樣流量是2.83L/min，簡明流暢的腔體設計、恰當的 氣溶膠入口直徑保證了塵埃粒子在散射腔17內不產生紊流， 一次通過光敏 感區3。過濾器是氣路系統中的非常重要的部件，如圖4和圖5所示，所述的空 氣過濾器20包括相互固定連接的過濾器座ll和過濾器蓋16，以及設置其內 部的過濾膜12和壓圈14，壓圈14上排列設置有若干個小孔。進入過濾器的 氣流經9(T直角處理，並通過小孔後，氣流均勻地通過過濾膜12時，防止 了由於氣流不均勻而損壞過濾膜12，從而提高了自淨性能。本實用新型光學傳感器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；前 置放大器將光電轉換器8輸出的電脈衝信號濾除低頻噪聲並放大到適當幅度 後送入雷射塵埃粒子計數器的後續處理電路，後續處理根據電脈衝信號的峰 值判別被測粒子尺寸，並分檔計數，最後得到被測空氣中各種粒徑塵埃粒子 的顆粒數濃度。本實用新型的控制軟體設計充分考慮了使用者對數據處理的需要，編制 了多種數據處理程序，由印表機列印包括置信上限和0.5pm 、 5.(Him粒 子的英公制數據轉換等信息，給使用者帶來了極大的方便。為了能使儀器更方便地使用，本實用新型供電系統的設計採用交直流兩 用的形式，機內裝有高性能的鋰電池，依靠機內電池供電，連續工作時間不 小於5小時，由機內電池供電，連續工作時間在國內是領先的。電路中還專 門設計了一個電池保護電路，該電池保護電路具有低電壓時，LED發光管指 示，蜂鳴器提示；失電壓時自動關閉儀器的功能，有效地保護了電池。本實用新型運用硬體和軟體的巧妙設計，使得同類產品要用48片集成 電路組成的計數接口減少為只用6片集成電路，既降低了功耗，又提高了儀器的可靠性。凡是計量儀器，必須根據外部因素以及內在因素的任何差異進行精細嚴 格的校正。本實用新型的校正系統，採用了對整機的測量系統，包括測量系 統本身進行校正。這種校正系統的原理是將採集到的散射腔內的光信號及放 大器的電信號送入計算機進行處理，由計算機根據標定時的數據自動進行校 正，校整精度《2%。抗幹擾性能是儀器性能的重要指標之一，本實用新型的機內電路較為復 雜，包括以下有效措施①抗幹擾電源；②外圍電路採用CMOS，降低功耗， 提高了穩定性；③設計了一個硬體抗幹擾電路，自動封閉幹擾脈衝； 軟體 設計具有識別錯碼能力，自動糾錯。圖6和圖7揭示了本實用新型的殼體上按鍵的布置圖。前面板包括多功 能顯示屏21、測量鍵22、粒徑鍵23、列印鍵24、選擇鍵25、調整鍵26、 數據/時鐘鍵27、清除鍵28、周期鍵29、 UCL鍵30、設置鍵31、內置式打 印機32、採樣口 33;後面板包括自淨口 34、採樣流量顯示35、流量調節36、 電源插口 37、電源開關38。下面簡單介紹下各個按鍵的功能(1) 多功能顯示屏(LED顯示屏)——通過按鍵操作，可顯示年、月、 日；分、時、秒；粒徑檔別以及塵埃顆粒的測量數據。(2) 數據/時鐘鍵一一顯示年、月、日；分、時、秒。(3) 測量鍵_—按此鍵，儀器中氣泵開始工作，使儀器處於測量或自 淨狀態；再按一次，氣泵停止工作，儀器處於準備狀態。(4) 粒徑鍵——每按一次，儀器便按0.3、 0.5、 0.7、 1.0、 2.0、 5.0 ( n m)……順序循環顯示某一粒徑的粒子數。(5) 調整鍵一一選擇設置內容。每按一次，便按年一月一日一時一分 —秒—年—月……順序改變設置內容。(6) 選擇鍵_一每按一次，改變顯示方式一次，其順序為程顯一選顯 —窗顯一觀察一程顯……。(7) 列印鍵一_按一次鍵，儀器執行列印功能，再按一次列印命令取消。(8) 清除鍵一一按一次鍵，測量數據清零，測量周期重新開始。(9) 周期鍵--每按一次儀器便按lmin—2min—3min—10min—lmin—…選擇測量周期。(10) UCL鍵——儀器進入置信上限計算功能。(11) 設置鍵一一修改年、月、日、時、分、秒數據。(12) 內置印表機一_列印出紙置於儀器上部。(13) 採樣口——現場採樣進口。(14) 自淨口——儀器處於自淨狀態下與採樣口 (位於儀器頂部)軟管 連接使用。(15) 採樣流量計__指示採樣流量。(16) 流量調節一一調節採樣流量。(17) 電源插口——接入220V/50Hz交流電。(18) 電源開關一一控制儀器電源的接通或斷開。 本實用新型的使用方法，包括以下步驟(1) 準備與測量經預熱後，在準備狀態下按測量鍵22，儀器即開始一個檢測周期，此時 測量指示燈和程序指示燈亮，氣泵19開始工作，此時，可觀察後面板上的 採樣流量顯示35,若流量正常，即可測量；若流量高於或低於2.83L,則可 用小起子通過流量調節36將流量調至2.83L，當多功能顯示屏21上原來的 "READY"字樣消失，所顯示的數據為"0"，若原來顯示時間，則保持不變， 直到再次按時鐘/數據鍵27才開始顯示粒子數；(2) 測量操作i儀器自淨用軟管將採樣口 33與自淨口 34連接，使0.3!xm檔總計 數連續三次為零，每次1分鐘，則視儀器自淨結束；ii將軟管兩埠分別與採樣口 33、採樣喇叭口 (附件)連接，儀器進 入測量狀態，為防止管道內壁吸附的塵埃粒子影響測量結果，應放過一至二 遍測量數據；iii在測量過程中，按測量鍵22，則儀器立即停止測量，若在測量過程 中按清除鍵28，則當前測量周期結束，數據無效，下一個測量周期立即開始；(3) 列印測量結果需列印時，可按列印鍵，這時列印指示燈亮，表示檢測周期結 束後，可自動列印出檢測結果，再次按列印鍵24,列印指示燈滅，列印命令 解除；(4)充電操作當儀器中的電池電量用完時，儀器將自動關閉，待充好電後才能使用。 在關閉電源開關狀態下，儀器接上充電器便進行充電，此時充電器上指示燈顯示紅色，當指示燈顯示綠色時，表示充電完成。建議每次充電的時間為6小時(關機狀態)。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1.一種塵埃粒子計數器，包括有殼體及設置在殼體內部的光學傳感器和前置放大器，所述的光學傳感器包括照明系統、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，且兩兩垂直；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)；所述的散射光收集系統為單一孔徑的球面反射鏡，光敏感區(3)和光電轉換器(8)光敏面的位置分別位於球面反射鏡球心附近兩側的共軛面處，其特徵在於氣路系統包括氣溶膠入口、氣溶膠出口、光散射腔(17)、氣泵(19)和空氣過濾器(20)，所述的空氣過濾器(20)包括相互固定連接的過濾器座(11)和過濾器蓋(16)，以及設置其內部的過濾膜(12)和壓圈(14)，壓圈(14)上排列設置有若干個小孔，使氣流能均勻地通過過濾膜(12)。
2. 根據權利要求1所述的塵埃粒子計數器，其特徵在於所述的散射 光收集系統也可以由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)組成，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。
3. 根據權利要求1所述的塵埃粒子計數器，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。
4. 根據權利要求1所述的塵埃粒子計數器，其特徵在於所述的半導 體雷射器組件(l)的波長為780nm。
5. 根據權利要求1所述的塵埃粒子計數器，其特徵在於所述的光電 轉換器(8)是光電二極體。
6. 根據權利要求1所述的塵埃粒子計數器，其特徵在於所述的前置放大器釆用寬帶型對數放大電路，其帶寬與散射光脈衝的頻譜寬度相一致。
7. 根據權利要求1所述的塵埃粒子計數器，其特徵在於該塵埃粒子 計數器的供電系統的設計採用交直流兩用的形式。
8. 根據權利要求1所述的塵埃粒子計數器，其特徵在於所述的供電 系統還包括一個電池保護電路。
專利摘要本實用新型提供了一種塵埃粒子計數器。包括有殼體及設置在殼體內部的光學傳感器和前置放大器，所述的光學傳感器的氣路系統包括氣溶膠入口、氣溶膠出口、光散射腔、氣泵和空氣過濾器，所述的空氣過濾器包括相互固定連接的過濾器座和過濾器蓋，以及設置其內部的過濾膜和壓圈，壓圈上排列設置有若干個小孔，使氣流能均勻地通過過濾膜。本實用新型為一款功能多、測試精度高、速度快、操作方便的塵埃粒子計數器。
文檔編號G01N21/47GK201116914SQ20072004497
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