本發(fā)明用于食、藥品等潔凈廠房環(huán)境潔凈度監(jiān)測(cè)儀器
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是涉及一種低光底噪大流量塵埃粒子計(jì)數(shù)器光學(xué)傳感器。
背景技術(shù)：
：激光塵埃粒子計(jì)數(shù)器是食、藥品等潔凈廠房環(huán)境中塵埃粒子數(shù)目濃度及粒徑大小監(jiān)測(cè)的重要儀器，它是根據(jù)米氏散射的原理設(shè)計(jì)而成。其構(gòu)成通常包括光學(xué)系統(tǒng)，氣路系統(tǒng)和信號(hào)處理電路系統(tǒng)三大塊，光學(xué)系統(tǒng)則由激光照明模塊、散射光收集模塊和消光模塊組成；而氣路系統(tǒng)通常是由進(jìn)氣采樣管和出氣管構(gòu)成；信號(hào)處理電路系統(tǒng)是由前置放大電路和主控板控制電路兩大模塊組成。工作時(shí)，氣泵開啟，氣流穩(wěn)定地流過(guò)光敏區(qū)，當(dāng)粒子穿越光敏區(qū)時(shí)，激光入射粒子產(chǎn)生散射光，一定角度范圍的粒子散射光由球面反射鏡收集到正上方的光電二極管上，再經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換，將散射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再通過(guò)前置放大器進(jìn)行小信號(hào)放大，然后送入到后續(xù)的主控板電路進(jìn)行分析處理，經(jīng)過(guò)電路比較、甄別后得到不同粒徑檔的粒子數(shù)。現(xiàn)有的塵埃粒子計(jì)數(shù)器消光光路一般比較簡(jiǎn)單，通常是直入射的錐形光阱腔，由于受機(jī)械加工工藝條件的限制，錐形光阱腔底部無(wú)法加工成一個(gè)點(diǎn)，至少是保留1～2mm的圓面，大功率的激光照射到圓面上，經(jīng)圓面反射，光線重新回到光敏區(qū)形成雜散光。另外，現(xiàn)有的塵埃粒子計(jì)數(shù)器粒子散射系統(tǒng)往往只考慮物像距公式，而對(duì)均勻光敏區(qū)不同區(qū)域立體角度變化對(duì)粒子散射系數(shù)所帶來(lái)的影響未加理論分析，如此所設(shè)計(jì)出來(lái)的球面反射鏡難以保證擁有較高的分辨率。在實(shí)際的應(yīng)用中，由于受此類光阱腔的工藝局限性的影響，較小顆粒的散射信號(hào)可能與噪聲混合難以區(qū)分，進(jìn)而影響到計(jì)數(shù)器對(duì)更小粒徑粒子的探測(cè)，這種光阱腔的光學(xué)傳感器信噪比一般都會(huì)比較大；粒子散射系統(tǒng)由于缺乏對(duì)光敏區(qū)邊緣立體角變化所引起的散射系數(shù)變化進(jìn)行理論分析，設(shè)計(jì)出來(lái)的光學(xué)傳感器的粒徑分辨率一般也不高。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種信噪比更高，檢測(cè)粒徑更低的低光底噪大流量塵埃粒子計(jì)數(shù)器光學(xué)傳感器。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：一種低光底噪大流量塵埃粒子計(jì)數(shù)器光學(xué)傳感器，包括激光照明系統(tǒng)、粒子散射系統(tǒng)、消光系統(tǒng)和氣路系統(tǒng)，所述激光照明系統(tǒng)和消光系統(tǒng)之間形成光敏區(qū)，所述粒子散射系統(tǒng)包括沿主光軸一側(cè)的第一反射鏡和沿主光軸另一側(cè)的光電二極管，所述氣路系統(tǒng)包括進(jìn)氣采樣管和出氣管，進(jìn)氣采樣管和出氣管方向垂直于粒子散射系統(tǒng)，并沿主光軸兩側(cè)分布，所述消光系統(tǒng)包括設(shè)在所述激光照明系統(tǒng)主光軸上的導(dǎo)光管、設(shè)在所述導(dǎo)光管末端管口一側(cè)并與導(dǎo)光管軸線互成夾角的錐形腔以及可將導(dǎo)光管內(nèi)的光線反射至錐形腔內(nèi)的第二反射鏡。進(jìn)一步作為本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，所述導(dǎo)光管為末端具有傾斜端面的楔形管，所述第二反射鏡為設(shè)在所述傾斜端面后方的平面反射鏡。進(jìn)一步作為本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，所述導(dǎo)光管的軸線與激光照明系統(tǒng)的主光軸重合，錐形腔的軸線與導(dǎo)光管的軸線垂直，形成垂直式結(jié)構(gòu)，所述平面反射鏡法線與錐形腔軸線、導(dǎo)光管軸線所呈角度皆為45°。進(jìn)一步作為本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，導(dǎo)光管和錐形腔內(nèi)外表面均涂覆黑色吸光材料，平面反射鏡采用玻璃表面鍍銀膜，反射率達(dá)到90%以上。進(jìn)一步作為本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，平面反射鏡能夠繞垂直于紙面方向且位于錐形腔的軸線與導(dǎo)光管的軸線交匯處的旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)，且位置調(diào)好后能夠固定。進(jìn)一步作為本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，平面反射鏡繞垂直于紙面的方向旋轉(zhuǎn)的角度為5.0°～10.0°。進(jìn)一步作為本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，導(dǎo)光管的軸線與錐形腔的軸線交點(diǎn)正好落在平面反射鏡前表面上。進(jìn)一步作為本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，所述第一反射鏡為球面反射鏡，球面反射鏡與光電二極管位置相對(duì)于光敏區(qū)中心滿足傍軸條件下反射球面成像的物像距公式，球面反射鏡利用幾何建模與MIST散射計(jì)算軟件相結(jié)合設(shè)計(jì)而成，使粒子從光敏區(qū)邊緣與中心穿越時(shí)光電二極管接收到的信號(hào)強(qiáng)度偏差在20%以內(nèi)。進(jìn)一步作為本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，球面反射鏡內(nèi)表面采用玻璃表面鍍銀膜，內(nèi)表面光潔度達(dá)到60—40，反射率達(dá)到90%以上。進(jìn)一步作為本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，所述激光照明系統(tǒng)包括依次設(shè)置的半導(dǎo)體激光二極管、平凸透鏡和柱面鏡，所述平凸透鏡與柱面鏡之間加有消雜散光光闌及黑色密封圈。本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明的消光系統(tǒng)采用導(dǎo)光管、第二反射鏡和錐形腔的結(jié)構(gòu)形式，激光照明系統(tǒng)穿越光敏區(qū)的激光全部進(jìn)入導(dǎo)光管中，部分激光被導(dǎo)光管吸收，其余的激光被第二反射鏡反到錐形腔中，經(jīng)錐形腔的多次反射吸收，少部分未被錐形腔吸收的激光，經(jīng)第二反射鏡反射不再直接通過(guò)導(dǎo)光管而回到光敏區(qū)，而是反射到其它的光阱腔空間中，如此幾乎所有進(jìn)入到消光系統(tǒng)中的激光都不能夠重新回到光敏區(qū)，這樣大大地降低了光學(xué)傳感器的光底噪，提高了傳感器的信噪比，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)更小粒徑粒子的檢測(cè)。附圖說(shuō)明下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明：圖1是本發(fā)明光路示意圖；圖2是本發(fā)明傾斜仰視圖；圖3是本發(fā)明傾斜俯視圖；圖4是本發(fā)明消光系統(tǒng)示意圖；圖5是本發(fā)明在zemax設(shè)計(jì)中導(dǎo)光管和錐形腔內(nèi)壁設(shè)置為mirror材料時(shí)的光路圖（消光系統(tǒng)無(wú)激光返回光敏區(qū)）；圖6是本發(fā)明球面反射鏡各參數(shù)示意圖。具體實(shí)施方式參照?qǐng)D1至圖6，其顯示出了本發(fā)明之較佳實(shí)施例的具體結(jié)構(gòu)。以下將詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明各部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，而如果有描述到方向(上、下、左、右、前及后)時(shí)，是以圖1所示的結(jié)構(gòu)為參考描述，但本發(fā)明的實(shí)際使用方向并不局限于此。本發(fā)明提供了一種低光底噪大流量塵埃粒子計(jì)數(shù)器光學(xué)傳感器，參見(jiàn)圖1，包括激光照明系統(tǒng)、粒子散射系統(tǒng)、消光系統(tǒng)和氣路系統(tǒng)，所述激光照明系統(tǒng)包括依次設(shè)置的半導(dǎo)體激光二極管11、平凸透鏡12和柱面鏡13，所述平凸透鏡12與柱面鏡13之間加有消雜散光光闌及黑色密封圈。所述激光照明系統(tǒng)和消光系統(tǒng)之間形成光敏區(qū)，功率為500mW的808nm半導(dǎo)體激二極管11發(fā)射激光，經(jīng)平凸透鏡12準(zhǔn)直和柱面鏡13會(huì)聚，在激光光路前端形成均勻光強(qiáng)和均勻厚度的光敏區(qū)。所述粒子散射系統(tǒng)包括沿主光軸一側(cè)的第一反射鏡21和沿主光軸另一側(cè)的光電二極管22，所述氣路系統(tǒng)包括進(jìn)氣采樣管31和出氣管32，進(jìn)氣采樣管31和出氣管32方向垂直于粒子散射系統(tǒng)，并沿主光軸兩側(cè)分布，泵工作時(shí)，氣流以恒定的速度進(jìn)入進(jìn)氣采樣管31，通過(guò)光敏區(qū)后從出氣管32中流出。當(dāng)粒子穿越光敏區(qū)時(shí)，粒子的散射信號(hào)被第一反射鏡21收集到光電二極管22處，再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，將信號(hào)傳遞到后續(xù)電路中處理。所述消光系統(tǒng)包括設(shè)在所述激光照明系統(tǒng)主光軸上的導(dǎo)光管41、設(shè)在所述導(dǎo)光管41末端管口一側(cè)并與導(dǎo)光管軸線互成夾角的錐形腔42以及可將導(dǎo)光管41內(nèi)的光線反射至錐形腔內(nèi)的第二反射鏡43。其中，所述導(dǎo)光管41為末端具有傾斜端面的楔形管，作為優(yōu)選，28.3L光學(xué)傳感器鍥形管鍥形角約76.0°，50.0L光學(xué)傳感器鍥形管鍥形角約70.3°，所述第二反射鏡43為設(shè)在所述傾斜端面后方的平面反射鏡。穿越光敏區(qū)的激光全部進(jìn)入到導(dǎo)光管41，到達(dá)第二反射鏡43上，第二反射鏡43將激光光束反射到錐形腔42中，經(jīng)錐形腔42的多次反射、吸收，從錐形腔42中出來(lái)的激光不會(huì)直接被第二反射鏡43反射回散射腔中，而是反射到被涂覆有黑色吸光材料的光阱腔壁上，鍥形管鍥形邊緣同樣能夠抵擋部分從錐形腔42出射的激光，這種消光系統(tǒng)有利于降低大流量光學(xué)傳感器的光噪聲，從而提高傳感器的信噪比和對(duì)微小粒子探測(cè)的能力。參見(jiàn)圖2、圖3，本發(fā)明安裝在外殼內(nèi)，外殼包括底座51、設(shè)在底座51上的中部罩殼52、設(shè)在所述中部罩殼52前側(cè)的激光照明罩殼53和設(shè)在中部罩殼52后側(cè)的消光罩殼54，所述激光照明系統(tǒng)設(shè)置于激光照明罩殼53內(nèi)，消光系統(tǒng)設(shè)置于消光罩殼54內(nèi)，中部罩殼52內(nèi)部形成光敏區(qū)，粒子散射系統(tǒng)的第一反射鏡21安裝在中部罩殼52內(nèi)的底座51上，光電二極管22安裝在底座51正上方的中部罩殼52上，氣路系統(tǒng)的進(jìn)氣采樣管31和出氣管32分別設(shè)在中部罩殼52前后兩側(cè)殼壁上。參見(jiàn)圖4，所述導(dǎo)光管41通過(guò)法蘭安裝在消光罩殼54上，錐形腔42則通過(guò)螺紋連接到消光罩54上。作為本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式，所述導(dǎo)光管41的軸線與激光照明系統(tǒng)的主光軸重合，錐形腔42的軸線與導(dǎo)光管41的軸線垂直，形成垂直式結(jié)構(gòu)，所述平面反射鏡法線與錐形腔42軸線、導(dǎo)光管41軸線所呈角度皆為45°。上述錐形腔42錐角存在某一臨界值，超過(guò)或小于此臨界值，從錐形腔42出射的激光經(jīng)平面反射鏡反射可直接進(jìn)入散射系統(tǒng)中成為雜散光，其中28.3L的錐角臨界值約50.0°，50.0L的錐角臨界值約49.4°。當(dāng)然此垂直式光阱結(jié)構(gòu)不僅限于28.3L和50.0L的光學(xué)傳感器，100.0L或更大流量的光學(xué)傳感器也同樣適用。而且，導(dǎo)光管41和錐形腔42內(nèi)外表面均涂覆黑色吸光材料，平面反射鏡采用BK7玻璃表面鍍銀膜，反射率達(dá)到90%以上。穿越光敏區(qū)的激光全部進(jìn)入鍥形管中，部分激光被表面涂覆吸光材料的鍥形管吸收，其余的激光被平面反射鏡反到錐形腔42中，經(jīng)錐形腔42的多次反射吸收，少部分未被錐形腔42吸收的激光，經(jīng)平面反射鏡反射不再直接通過(guò)鍥形管而回到光敏區(qū)，而是反射到其它的光阱腔空間中。參見(jiàn)圖5，從光路圖中，可以明顯看到進(jìn)入到消光系統(tǒng)中的激光，不再重新返回到粒子散射系統(tǒng)中。導(dǎo)光管41的軸線與錐形腔42的軸線交點(diǎn)正好落在平面反射鏡前表面上。平面反射鏡能夠繞垂直于紙面方向且位于錐形腔42的軸線與導(dǎo)光管41的軸線交匯處的旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)，且位置調(diào)好后能夠固定。平面反射鏡繞垂直于紙面的方向旋轉(zhuǎn)的角度為5.0°～10.0°。所述第一反射鏡21為球面反射鏡，球面反射鏡與光電二極管22位置相對(duì)于光敏區(qū)中心滿足傍軸條件下反射球面成像的物像距公式，球面反射鏡利用幾何建模與MIST散射計(jì)算軟件相結(jié)合設(shè)計(jì)而成，使粒子從光敏區(qū)邊緣與中心穿越時(shí)光電二極管接收到的信號(hào)強(qiáng)度偏差在20%以內(nèi)，創(chuàng)新式的球面反射鏡設(shè)計(jì)，保證了粒子從光敏區(qū)邊緣與中心穿越時(shí)探測(cè)器接收到的信號(hào)強(qiáng)度偏差在20%以內(nèi)，使得低光底噪大流量塵埃粒子計(jì)數(shù)器光學(xué)傳感器的檢測(cè)分辨率得到了很大的提高。參見(jiàn)圖6，28.3L球面反射鏡散射立體角半角β為65.0°，由正余弦公式算得的正偏角γ和負(fù)偏角α分別為2.8°和3.0°；50.0L球面反射鏡散射立體角半角β為45.0°，由正余弦公式算得的正偏角γ和負(fù)偏角α分別為2.7°和3.0°。當(dāng)然，幾何建模與MIST散射計(jì)算軟件相結(jié)合設(shè)計(jì)球面反射鏡的方法不僅限于28.3L和50.0L的光學(xué)傳感器，100.0L或更大流量的光學(xué)傳感器也同樣適用。通過(guò)MIST散射計(jì)算軟件算出來(lái)的散射系數(shù)偏差值如以下列表所示：表128.3L光學(xué)傳感器，β角為65.0°，不同粒徑的散射系數(shù)及正負(fù)偏差百分比粒徑（μm）光敏區(qū)中心的散射系數(shù)（散射角65.0°）正偏1.75mm（65.0°-2.8°）后的散射系數(shù)正偏后散射系數(shù)變化的百分比負(fù)偏1.75mm（65.0°+3.0°）后的散射系數(shù)負(fù)偏后散射系數(shù)變化的百分比0.30.00700.0061-12.86%0.008115.71%0.50.10160.0908-10.63%0.114913.09%1.00.45510.3923-13.80%0.543419.40%3.02.61212.3632-9.53%2.952313.02%5.04.69104.1815-10.86%5.395015.01%10.016.752414.7448-11.98%19.171114.44%表250.0L光學(xué)傳感器，β角為45.0°，不同粒徑的散射系數(shù)及正負(fù)偏差百分比粒徑（μm）光敏區(qū)中心的散射系數(shù)（散射角45.0°）正偏5.00mm（45.0°-2.7°）后的散射系數(shù)正偏后散射系數(shù)變化的百分比負(fù)偏5.00mm（45.0°+3.0°）后的散射系數(shù)負(fù)偏后散射系數(shù)變化的百分比0.30.00200.0016-20.00%0.002525.00%0.50.03970.0345-13.10%0.046817.88%1.00.15810.1383-12.52%0.185617.39%3.01.30241.1735-9.90%1.451711.46%5.01.59561.3832-13.31%1.937321.42%10.06.09765.2229-14.34%7.306319.82%作為優(yōu)選，球面反射鏡內(nèi)表面采用BK7玻璃表面鍍銀膜，內(nèi)表面光潔度達(dá)到60—40，反射率達(dá)到90%以上。當(dāng)然，本發(fā)明創(chuàng)造并不局限于上述實(shí)施方式，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本發(fā)明精神的前提下還可作出等同變形或替換，這些等同的變型或替換均包含在本申請(qǐng)權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3