專利名稱：激光粉塵測量儀光學(xué)探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種激光粉塵測量儀的光學(xué)探頭，用于測量空氣中粉塵(懸浮顆粒物)的質(zhì)量濃度和顆粒數(shù)濃度。
已有技術(shù)是日本柴田(SIBATA)公司生產(chǎn)的P-5L2型數(shù)字粉塵儀的光學(xué)探頭，如圖1所示。該光學(xué)探頭主要由相互垂直的照明光路和散射光收集光路構(gòu)成。其中的照明光路上有光源1和準(zhǔn)直透鏡2，光源1是白熾燈；照明光路上的光陷阱4用于消除照明光能。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(cè)窗式光電倍增管；光敏感區(qū)3是照明光路和散射光收集光路的交叉區(qū)域，其中心點(diǎn)是照明光路的光軸和散射光收集光路的光軸的交點(diǎn)。含有粉塵顆粒的被測空氣從樣氣通道5以平行于照明光路光軸方向通過光敏感區(qū)3。
該光學(xué)探頭存在以下缺點(diǎn)1.光敏感區(qū)3照明光強(qiáng)度較低。該光學(xué)探頭照明光路上的光源1發(fā)出的全部光能量中，只有很小一部分光能量能經(jīng)準(zhǔn)直透鏡2準(zhǔn)直后，以平行光束照明光敏感區(qū)3。光敏感區(qū)3在垂直于照明光路光軸方向上的照明面積等于準(zhǔn)直透鏡2的通光口徑。因準(zhǔn)直透鏡2的通光口徑較大而使光敏感區(qū)3的照明光強(qiáng)度較低。這影響了該光學(xué)探頭的靈敏度，其最小探測粉塵質(zhì)量濃度為0.01mg/m3。
2.散射光收集光路的集光效率低。該光學(xué)探頭只能在垂直于照明光路光軸的一個(gè)方向上收集粉塵顆粒的散射光，光敏感區(qū)3對(duì)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(hào)強(qiáng)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(zhì)量濃度，而無法探測其顆粒數(shù)濃度與粒徑分布。原因有二一是該光學(xué)探頭的信噪比低，只能在多個(gè)粉塵顆粒同時(shí)通過光敏感區(qū)3時(shí)，才能有足夠的信噪比，而單個(gè)粉塵顆粒通過時(shí)，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以平行于照明光路光軸方向通過光敏感區(qū)3，粉塵顆粒在照明光路中的流動(dòng)軌跡長，多個(gè)粉塵顆粒即使先后通過光敏感區(qū)3也很難區(qū)分。
4.為了保證該光學(xué)探頭具有一定的性能，必須采用大功率的白熾燈光源1，并以高增益的側(cè)窗式光電倍增管作為光電探測器7。從而使該光學(xué)探頭功耗大、發(fā)熱嚴(yán)重、需要散熱結(jié)構(gòu)，則導(dǎo)致體積大，嚴(yán)重的發(fā)熱還影響了該光學(xué)探頭的檢測穩(wěn)定性。
本實(shí)用新型的目的是為了克服上述已有技術(shù)中光學(xué)探頭的不足，為空氣中粉塵檢測提供一種新型的激光粉塵測量儀光學(xué)探頭。它既可檢測空氣中粉塵的質(zhì)量濃度，又可檢測其顆粒數(shù)濃度和顆粒粒徑分布。其對(duì)粉塵質(zhì)量濃度的探測靈敏度優(yōu)于已有技術(shù)的0.01mg/m3，最小探測粒徑小于0.30μm，并可對(duì)大于或等于最小探測粒徑的粉塵顆粒進(jìn)行分檔計(jì)數(shù)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(wěn)定性好、體積小、發(fā)熱少等優(yōu)點(diǎn)的激光光學(xué)探頭。
本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)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(dǎo)體激光器作光源1發(fā)射光束前進(jìn)的方向上，依次置有準(zhǔn)直透鏡2、柱面透鏡8、光敏感區(qū)3和光陷阱4。柱面透鏡8的焦點(diǎn)與光敏感區(qū)3的中心點(diǎn)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(diǎn)是光敏感區(qū)3的中心點(diǎn)O0。在散射光收集光路上，置有光電探測器7；隔著光敏感區(qū)3與光電探測器7相對(duì)的一側(cè)有凹面反射鏡9。凹面反射鏡9的焦點(diǎn)與光敏感區(qū)3的中心點(diǎn)O0重合。如圖2和圖3所示。
本實(shí)用新型中的柱面透鏡8把由半導(dǎo)體激光器作光源1發(fā)出的經(jīng)準(zhǔn)直透鏡2準(zhǔn)直后的平行光束一維線聚焦于光敏感區(qū)3，使照明光束在垂直于照明光路光軸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(nèi)光束尺寸不變。其作用有兩個(gè)一是大大減小了光敏感區(qū)3在垂直于照明光路光軸O1O1方向上的照明面積，從而使光敏感區(qū)3的照明光強(qiáng)度成倍提高；二是大大縮短了被測粉塵顆粒通過光敏感區(qū)3的軌跡，重疊誤差小。
本實(shí)用新型中的樣氣通道5垂直地置于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(gòu)成的平面。樣氣通道5的中心軸線O3O3穿過光敏感區(qū)3的中心點(diǎn)O0。所以被測空氣經(jīng)樣氣通道5以垂直于照明光路光軸O1O1和散射光收集光路光軸O2O2所構(gòu)成的平面的方向通過光敏感區(qū)3。
本實(shí)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(zhuǎn)拋物面的凹面反射鏡，或者是旋轉(zhuǎn)橢球面的凹面反射鏡，其反射面鍍有反射率大于90％的光學(xué)薄膜。
本實(shí)用新型中的光電探測器7不僅可以采用側(cè)窗式的光電倍增管，也可以采用低靈敏度的光電池，或者是光電管，或者是光電二極管。
本實(shí)用新型的工作過程是半導(dǎo)體激光器的光源1發(fā)出的光束先由準(zhǔn)直透鏡2準(zhǔn)直，再經(jīng)柱面透鏡8一維線聚焦后照明光敏感區(qū)3，最后進(jìn)入光陷阱4，被吸收掉；待測粉塵顆粒以一定速度以垂直于照明光路光軸O1O1和散射光收集光路光軸O2O2組成的平面流過光敏感區(qū)3時(shí)產(chǎn)生散射光；在散射光收集光路上，一個(gè)方向上的一定立體角范圍內(nèi)的散射光被凹面反射鏡9反射后穿過光敏感區(qū)3進(jìn)入光電探測器7，另一個(gè)方向上的一定立體角范圍內(nèi)的散射光直接進(jìn)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沖信號(hào)被同時(shí)作如下兩種處理一是甄別其幅值，得到相應(yīng)的粉塵顆粒直徑值；二是將這個(gè)電脈沖信號(hào)積分得到一個(gè)直流電信號(hào)，其大小與粉塵顆粒的質(zhì)量濃度成正比，從而得到被測空氣中所含粉塵顆粒的質(zhì)量濃度值。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)，與已有技術(shù)相比1.光敏感區(qū)3照明光強(qiáng)度高。因?yàn)榘雽?dǎo)體激光器的光源1發(fā)出的光束的方向性好，其發(fā)出的幾乎所有光能量都能被準(zhǔn)直透鏡2準(zhǔn)直；而且柱面透鏡8又把準(zhǔn)直后的激光束一維線聚焦后再照明光敏感區(qū)3，照明光束的橫截面積很小，因而照明光強(qiáng)度高。因此，本光學(xué)探頭的信號(hào)強(qiáng)度、靈敏度都比已有技術(shù)大為提高；2.本實(shí)用新型的散射光收集光路的集光效率高。因?yàn)橛邪济娣瓷溏R9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(qū)3的粉塵顆粒發(fā)出的另一個(gè)方向上的散射光又反射到光電探測器7，使本光學(xué)探頭對(duì)粉塵顆粒的散射光集光效率提高一倍。從而使本光學(xué)探頭的信號(hào)強(qiáng)度和信噪比都比已有技術(shù)大為提高，從而提高了光學(xué)探頭的靈敏度；3.由于本實(shí)用新型的光學(xué)探頭光敏感區(qū)3的照明光強(qiáng)度大、對(duì)散射光的收集效率高、被測空氣通過光敏感區(qū)3的軌跡短，所以它可同時(shí)檢測空氣中粉塵顆粒的質(zhì)量濃度和顆粒數(shù)濃度。檢測功能比已有技術(shù)多。
4.由于本實(shí)用新型的光學(xué)探頭對(duì)光源1的光能利用率高，對(duì)散射光的收集效率高，所以不僅可以采用小功率的半導(dǎo)體激光器作光源1，而且還可以采用側(cè)窗式光電倍增管和低靈敏度的光電池、光電管、或者是光電二極管作為光電探測器7，從而降低了發(fā)熱量與電功損耗，又減小了光學(xué)探頭的體積。



圖1是已有技術(shù)日本柴田(SIBATA)公司生產(chǎn)的P-5L2型數(shù)字粉塵儀光學(xué)探頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本實(shí)用新型的激光粉塵測量儀光學(xué)探頭結(jié)構(gòu)的正視俯視剖面圖。
圖3是本實(shí)用新型的激光粉塵測量儀光學(xué)探頭在圖2結(jié)構(gòu)中的A-A面剖視圖。
實(shí)施例如圖2和圖3的結(jié)構(gòu)所示。圖中光源1是半導(dǎo)體激光器，功率為10mW，波長為670nm；準(zhǔn)直透鏡2為單個(gè)非球面透鏡，焦距為10mm；柱面透鏡8為一個(gè)平凸柱面透鏡，焦距為68mm；光敏感區(qū)3的尺寸為2mm×2mm×0.023mm，即被測空氣通過光敏感區(qū)3的軌跡僅為0.023mm；凹面反射鏡9是一個(gè)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(diǎn)與光敏感區(qū)3中心點(diǎn)O0的距離為10mm，它對(duì)光敏感區(qū)3中心點(diǎn)O0所張的立體角為0.557π球面度；光電探測器7是一個(gè)PIN型光電二極管，光敏面面積為φ16mm，離開光敏感區(qū)3中心點(diǎn)O0的距離為10mm，它對(duì)光敏感區(qū)3中心點(diǎn)O0所張的立體角為0.557π球面度。本實(shí)用新型的光學(xué)探頭對(duì)散射光總的有效收集立體角為1.114π球面度，是已有技術(shù)的16.4倍。球面的凹面反射鏡9的反射面鍍有反射率大于90％的鋁膜。
本實(shí)施例對(duì)粉塵質(zhì)量濃度的探測靈敏度為0.001mg/m3，對(duì)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(dòng)態(tài)范圍為0.20～10.0μm，此動(dòng)態(tài)范圍被分成0.2、0.3、0.5、0.7、1.0、2.0、5.0、10.0μm六檔；本實(shí)施例的空氣采樣流量為2升/分鐘，可測最大粉塵顆粒數(shù)濃度值為7×105顆/升；本光學(xué)探頭的電功率損耗低，發(fā)熱量少，無需專門的散熱結(jié)構(gòu)，檢測結(jié)果穩(wěn)定可靠；結(jié)構(gòu)緊湊，外形尺寸僅為150mm×60mm×60mm。
權(quán)利要求1.一種激光粉塵測量儀光學(xué)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(fā)射光束前進(jìn)的方向上，依次有準(zhǔn)直透鏡(2)、光敏感區(qū)(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(diǎn)是光敏感區(qū)(3)的中心點(diǎn)(O0)；其特征在于<3>在照明光路上的光源(1)是半導(dǎo)體激光器，在準(zhǔn)直透鏡(2)與光敏感區(qū)(3)之間置有柱面透鏡(8)，柱面透鏡(8)的焦點(diǎn)與光敏感區(qū)(3)的中心點(diǎn)(O0)重合；<4>在散射光收集光路上，隔著光敏感區(qū)(3)與光電探測器(7)相對(duì)的一側(cè)有凹面反射鏡(9)，凹面反射鏡(9)的焦點(diǎn)與光敏感區(qū)(3)的中心點(diǎn)(O0)重合；<5>樣氣通道(5)垂直地置于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(gòu)成的平面，樣氣通道(5)的中心軸線(O3O3)穿過光敏感區(qū)(3)的中心點(diǎn)(O0)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光粉塵測量儀光學(xué)探頭，其特征在于所說的凹面反射鏡(9)是球面的凹面反射鏡，或者是旋轉(zhuǎn)拋物面的凹面反射鏡，或者是旋轉(zhuǎn)橢球面的凹面反射鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光粉塵測量儀光學(xué)探頭，其特征在于所說的光電探測器(7)是側(cè)窗式光電倍增管，或者是低靈敏度的光電池、或者是光電管、或者是光電二極管。
專利摘要一種激光粉塵測量儀光學(xué)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(diǎn)是光敏感區(qū)的中心點(diǎn)。在照明光路上,沿著以半導(dǎo)體激光器作光源發(fā)射的光束前進(jìn)方向上,依次置有準(zhǔn)直透鏡、焦點(diǎn)與光敏感區(qū)中心點(diǎn)重合的柱面透鏡、光敏感區(qū)和光陷阱。在散射光收集光路上,光敏感區(qū)的兩側(cè)分別有光電探測器和凹面反射鏡。樣氣通道垂直于兩光軸構(gòu)成的平面。本光學(xué)探頭既可以測量粉塵的質(zhì)量濃度,又可以測量顆粒數(shù)濃度。測量靈敏度高。
文檔編號(hào)G01N21/47GK2397489SQ9925192
公開日2000年9月20日 申請(qǐng)日期1999年12月2日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月2日
發(fā)明者黃惠杰, 路敦武, 趙永凱, 杜龍龍 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所