專利名稱：光學粒子計數(shù)器的傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種光學傳感器。
背景技術(shù)：
光學粒子計數(shù)器被廣泛地應(yīng)用于エ礦企業(yè)、大氣環(huán)境、醫(yī)學與科研領(lǐng)域。該類測量儀器的核心部分是光學傳感器，其基本原理是接受粒子的散射光信號，并將其轉(zhuǎn)換成電信號，然后按大小分級進行計數(shù)。目前已有儀器的光學傳感器的散射光接受技術(shù)主要有前向接受系統(tǒng)(最大采樣角范圍° 士2. 5° 士25)，如庫爾特儀、ROYCO粒子計數(shù)器；側(cè)向接受系統(tǒng)(最大采樣角范圍° 75° 115)，如ROYCO粒子計數(shù)器、半旋轉(zhuǎn)橢圓或二次曲面集光鏡(最大采樣角范圍°， 2.5° 175或° 士 15° 士 105)，如Climet、國產(chǎn)激光粒子計數(shù)器。上述已有儀器主要存在兩個方面的問題ー是在接受角范圍方面存在一定的局限性。由于實際粒子的非球形性及空間取向的不定性，在某一角度或小的立體角范圍接受的光信號幅度將存在很大的不定性，因而對粒子大小的測量產(chǎn)生影響，大立體角范圍的散射光接受可以大大弱化這兩種效應(yīng)；對亞微米特別是微米以上級粒子，前向散射占據(jù)了大部分的能量，因此，采用前向接受可以得到粒子的主要信息。上述儀器有的在這兩方面均存在缺陷， 有的在其中之一方面存在缺陷。ニ是光敏區(qū)的光束均勻性較差。如果光敏區(qū)的光束均勻性不佳，同一粒子在光敏區(qū)不同位置產(chǎn)生的光信號幅度將有較大差別，這將影響儀器對粒子大小的甑別，上述儀器有的盡管也采取了ー些措施，但光敏區(qū)照射光的均勻性依然較差。綜上所述，已有的儀器精度有限，特別是儀器的重復(fù)性不高。本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)合理，工作效果好，且造價不高的光學粒子計數(shù)器的傳感器。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是
ー種光學粒子計數(shù)器的傳感器，其特征是包括旋轉(zhuǎn)對稱橢腔鏡，橢腔鏡由金屬制成、 且內(nèi)表面經(jīng)拋光處理并鍍有反射膜，在橢腔鏡的外框上固裝激光器，激光器射出的光束經(jīng)第一聚焦透鏡后匯聚于一光纖的入射端面，該光纖呈梯度折射率分布，沿圓周環(huán)繞在橢腔鏡的外框上，該光纖的輸出端發(fā)出的光束經(jīng)準直透鏡后形成平行光束，在準直透鏡后設(shè)置使該平行光束沿與橢腔鏡長軸成小角方向入射到光敏區(qū)的反射鏡，且反射鏡后設(shè)置使入射光束截面呈扁平形狀的矩形光闌，入射光束與樣氣流匯于光敏區(qū)，即橢腔鏡的ー焦點處，原方向入射光束射入光陷阱；所述光陷阱由金屬制成，且內(nèi)壁涂有吸光材料，并固定在橢腔鏡的外框體內(nèi)；樣氣的進、出氣通道與橢腔鏡長軸垂直，在樣氣進氣通道外套裝稀釋純凈氣通道，且稀釋純凈氣通道出ロ比樣氣進氣通道出口更靠近光敏區(qū)；在橢腔鏡的另一焦點后設(shè)置接收粒子的散射光信號的探測器，且在該焦點處設(shè)置一防止雜散光進入探測器的光闌， 探測器接收的信號輸出后被放大、處理。樣氣的進、出氣通道的直徑為2. 0 mm。探測器為微光電倍增管，激光器為功率5(T100 mff的半導(dǎo)體激光器。所述光纖采用沿圓周繞行2周的梯度折射率分布的光能傳輸光纖。光纖長度為1. 8 m，光纖直徑1 mm，光纖兩端面作拋光處理，其環(huán)繞半徑為0. 12 m。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點是1、不同與已有的前向透鏡接受系統(tǒng)，采用橢腔鏡接受，大大擴展了散射光接受的立體角，最大限度地減小了粒子形狀及空間取向?qū)αＷ恿６葴y量的影響。也不同與已有的側(cè)向橢腔鏡或二次曲面集光鏡接受系統(tǒng)，采用從前向開始的散射接受設(shè)計，保證了粒子散射光的主要信息的接受，提高了測量精度。2、采用了巧妙且合理布局的光纖均勻化光束設(shè)計，大大提高了激光束的光束均勻性，同時構(gòu)成簡潔、 成本低廉、方便實用、不受運輸?shù)挠绊憽?、采用了純凈氣稀釋法，減少了粒子在光敏區(qū)重疊的可能性，提高了粒子計數(shù)及大小的測量準確性，同時也減少了腔內(nèi)的殘留與污染。4、橢腔鏡內(nèi)除了進出氣通道，別無他物，最大限度地減少了雜散光的產(chǎn)生，提高了儀器的信噪比。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進ー步說明。圖1是本發(fā)明一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1中光纖均勻化光束的具體布置示意圖。
具體實施例方式參見圖1，由于半導(dǎo)體激光器1體積小，可固定在旋轉(zhuǎn)對稱橢腔鏡11的外框上，其射出的光束經(jīng)會聚透鏡2后會聚到光纖接ロ 3上，光纖從3將光束引入到另一光纖接ロ 4 上，準直透鏡5將從接ロ 4引入的光變成具有良好的均勻性的平行光束，反射鏡6使平行光束沿與橢腔鏡長軸成小角方向準確入射到光敏區(qū)，矩形光闌8使入射光束截面呈扁平形狀，其截面寬度為0.6 mm，光闌8同時也防止了雜散光進入腔內(nèi)。整個光束產(chǎn)生及入射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊。入射光束與樣氣流匯于光敏區(qū)，即橢腔鏡的ー焦點處，原方向入射光束射入光陷阱10，光陷阱10由金屬制成且內(nèi)壁涂有吸光材料，并固定在旋轉(zhuǎn)對稱橢腔鏡的外框體內(nèi)。 樣氣由12進氣通道導(dǎo)入，經(jīng)出氣通道14流出，進出氣通道與轉(zhuǎn)對稱橢腔鏡的長軸垂直，稀釋純凈氣通道13外裹在進氣通道上，其出ロ井比進氣通道出ロ更靠近光敏區(qū)，這樣達到稀釋樣氣且減少粒子殘留腔內(nèi)的目的。橢腔鏡由金屬制成，內(nèi)表面進行拋光處理并鍍有反射膜，大立體角范圍的散射光被橢腔鏡面反射至另ー焦點，并被該焦點后的探測器7接受，在該焦點處設(shè)一光闌9，防止雜散光進入探測器7，探測器7得到的檢測信號輸出后被放大、處理。參見圖2，梯度折射率分布的光能傳輸光纖長度為1. 8 m,光纖直徑1 mm，該光纖將光束從A端輸入，然后沿圓周環(huán)繞2周從B端輸出，光纖兩端面作拋光處理，其環(huán)繞半徑為0. 12 m，這樣可得到均勻效果良好且平行的光束，整個圓周環(huán)繞在橢腔鏡(虛線區(qū)域)周圍，其設(shè)計巧妙、布局合理。本發(fā)明的工作原理是半導(dǎo)體激光器射出的光束經(jīng)第一透鏡聚焦于ー梯度折射率分布的光能傳輸光纖的輸入端面，該光纖沿圓周環(huán)繞橢腔鏡2周，其光纖的長度為1.8 m, 光纖直徑1 mm，環(huán)繞半徑0.12 m，輸出端光束經(jīng)準直透鏡后形成平行光束，且其光束的均勻性良好，均勻光斑平頂因子可達0. 8，該光束經(jīng)矩形光闌后形成截面寬度為0. 6 mm的扁平形光束，然后入射至旋轉(zhuǎn)對稱橢腔鏡的一焦點處，且入射方向與該橢腔鏡的旋轉(zhuǎn)對稱長軸成ー小角度，在該焦點處與經(jīng)稀釋的樣氣流相遇，即形成2.0 mm0.6 mm扁平圓柱形光敏區(qū)，由于大大提高了光敏區(qū)光束的均勻性，這樣大大減小了由于粒子在光敏區(qū)位置不同的影響。粒子在該處的散射光被旋轉(zhuǎn)對稱橢腔鏡面反射至另ー焦點，其散射角范圍可達° 士 2. 5° 士 145，這樣包括前向在內(nèi)的大立體角范圍的接受設(shè)計，既保證采集了粒子散射光的主要信息，又最大限度地減小了粒子形狀及空間取向的影響。由于采用了純凈氣稀釋法， 減少了粒子在光敏區(qū)重疊的可能性以及在腔內(nèi)的殘留，提高了粒子計數(shù)的準確性。在整個橢腔鏡內(nèi)除了進出氣通道外，別無它物，這樣減少了雜散光的產(chǎn)生，同時光闌的設(shè)置也減少了雜散光的影響，因此儀器的信噪比得到了提高。與樣氣流相交的入射光束截面呈扁平形， 可以盡量使輸出信號的各脈沖寬度基本一致，這有利于后續(xù)電路在低噪聲下放大電脈沖。
權(quán)利要求
1.ー種光學粒子計數(shù)器的傳感器，其特征是包括旋轉(zhuǎn)對稱橢腔鏡，橢腔鏡由金屬制成、且內(nèi)表面經(jīng)拋光處理并鍍有反射膜，在橢腔鏡的外框上固裝激光器，激光器射出的光束經(jīng)第一聚焦透鏡后匯聚于一光纖的入射端面，該光纖呈梯度折射率分布，沿圓周環(huán)繞在橢腔鏡的外框上，該光纖的輸出端發(fā)出的光束經(jīng)準直透鏡后形成平行光束，在準直透鏡后設(shè)置使該平行光束沿與橢腔鏡長軸成小角方向入射到光敏區(qū)的反射鏡，且反射鏡后設(shè)置使入射光束截面呈扁平形狀的矩形光闌，入射光束與樣氣流匯于光敏區(qū)，即橢腔鏡的ー焦點處， 原方向入射光束射入光陷阱；所述光陷阱由金屬制成，且內(nèi)壁涂有吸光材料，并固定在橢腔鏡的外框體內(nèi)；樣氣的進、出氣通道與橢腔鏡長軸垂直，在樣氣進氣通道外套裝稀釋純凈氣通道，且稀釋純凈氣通道出ロ比樣氣進氣通道出口更靠近光敏區(qū)；在橢腔鏡的另一焦點后設(shè)置接收粒子的散射光信號的探測器，且在該焦點處設(shè)置一防止雜散光進入探測器的光闌，探測器接收的信號輸出后被放大、處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學粒子計數(shù)器的傳感器，其特征是樣氣的進、出氣通道的直徑為2. 0 mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光學粒子計數(shù)器的傳感器，其特征是探測器為微光電倍増管，激光器為功率5(T100 mW的半導(dǎo)體激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光學粒子計數(shù)器的傳感器，其特征是所述光纖采用沿圓周繞行2周的梯度折射率分布的光能傳輸光纖。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學粒子計數(shù)器的傳感器，其特征是光纖長度為1.8 m，光纖直徑1 mm，光纖兩端面作拋光處理，其環(huán)繞半徑為0. 12 m。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光學粒子計數(shù)器的傳感器，包括激光器、光纖、光闌、光陷阱、進氣與出氣通道、純凈氣樣稀釋通道、旋轉(zhuǎn)對稱橢腔鏡、透鏡、微型光電倍增管。激光束經(jīng)光纖均勻化處理后，形成具有良好均勻性、截面呈扁平形的平行光束，并以與旋轉(zhuǎn)對稱橢腔鏡對稱軸成一小角度方向射入到橢腔鏡內(nèi)，與樣氣流匯聚于橢腔鏡的一焦點，樣氣流沿垂直于對稱軸方向?qū)?，大立體角范圍的散射光射向橢腔鏡的另一焦點，在此焦點后的光電探測器，用于對粒子大小進行分級并計數(shù)。本發(fā)明布局巧妙，結(jié)構(gòu)合理，工作效果好。
文檔編號G01N15/14GK102564928SQ201210004098
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月9日
發(fā)明者戴兵, 戴未然, 袁銀男 申請人:南通大學