专利名称：激光粉尘测量仪光学探头的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种激光粉尘测量仪的光学探头，用于测量空气中粉尘(悬浮颗粒物)的质量浓度和颗粒数浓度。
已有技术是日本柴田(SIBATA)公司生产的P-5L2型数字粉尘仪的光学探头，如图1所示。该光学探头主要由相互垂直的照明光路和散射光收集光路构成。其中的照明光路上有光源1和准直透镜2，光源1是白炽灯；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狭缝6和作为光电探测器7的侧窗式光电倍增管；光敏感区3是照明光路和散射光收集光路的交叉区域，其中心点是照明光路的光轴和散射光收集光路的光轴的交点。含有粉尘颗粒的被测空气从样气通道5以平行于照明光路光轴方向通过光敏感区3。
该光学探头存在以下缺点1.光敏感区3照明光强度较低。该光学探头照明光路上的光源1发出的全部光能量中，只有很小一部分光能量能经准直透镜2准直后，以平行光束照明光敏感区3。光敏感区3在垂直于照明光路光轴方向上的照明面积等于准直透镜2的通光口径。因准直透镜2的通光口径较大而使光敏感区3的照明光强度较低。这影响了该光学探头的灵敏度，其最小探测粉尘质量浓度为0.01mg/m3。
2.散射光收集光路的集光效率低。该光学探头只能在垂直于照明光路光轴的一个方向上收集粉尘颗粒的散射光，光敏感区3对接收狭缝6所张的孔径半角为15°，其接收立体角为0.068π球面度。因而信号强度弱，信噪比低，这也限制了其探测灵敏度。
3.只能探测空气中粉尘的质量浓度，而无法探测其颗粒数浓度与粒径分布。原因有二一是该光学探头的信噪比低，只能在多个粉尘颗粒同时通过光敏感区3时，才能有足够的信噪比，而单个粉尘颗粒通过时，因信噪比低而无法探测到；二是含有粉尘颗粒的被测空气从样气通道5以平行于照明光路光轴方向通过光敏感区3，粉尘颗粒在照明光路中的流动轨迹长，多个粉尘颗粒即使先后通过光敏感区3也很难区分。
4.为了保证该光学探头具有一定的性能，必须采用大功率的白炽灯光源1，并以高增益的侧窗式光电倍增管作为光电探测器7。从而使该光学探头功耗大、发热严重、需要散热结构，则导致体积大，严重的发热还影响了该光学探头的检测稳定性。
本实用新型的目的是为了克服上述已有技术中光学探头的不足，为空气中粉尘检测提供一种新型的激光粉尘测量仪光学探头。它既可检测空气中粉尘的质量浓度，又可检测其颗粒数浓度和颗粒粒径分布。其对粉尘质量浓度的探测灵敏度优于已有技术的0.01mg/m3，最小探测粒径小于0.30μm，并可对大于或等于最小探测粒径的粉尘颗粒进行分档计数从而得到空气中粉尘颗粒的粒径分布。这将是一种具有功能多、信噪比高、灵敏度高、稳定性好、体积小、发热少等优点的激光光学探头。
本实用新型的结构中含有二条相互垂直的照明光路和散射光收集光路。在照明光路上，沿着以半导体激光器作光源1发射光束前进的方向上，依次置有准直透镜2、柱面透镜8、光敏感区3和光陷阱4。柱面透镜8的焦点与光敏感区3的中心点O0重合。
散射光收集光路的光轴O2O2与照明光路的光轴O1O1相互垂直的交点是光敏感区3的中心点O0。在散射光收集光路上，置有光电探测器7；隔着光敏感区3与光电探测器7相对的一侧有凹面反射镜9。凹面反射镜9的焦点与光敏感区3的中心点O0重合。如图2和图3所示。
本实用新型中的柱面透镜8把由半导体激光器作光源1发出的经准直透镜2准直后的平行光束一维线聚焦于光敏感区3，使照明光束在垂直于照明光路光轴O1O1和散射光收集光路光轴O2O2组成的平面的方向上得到压缩，而在照明光路光轴O1O1和散射光收集光路光轴O2O2组成的平面内光束尺寸不变。其作用有两个一是大大减小了光敏感区3在垂直于照明光路光轴O1O1方向上的照明面积，从而使光敏感区3的照明光强度成倍提高；二是大大缩短了被测粉尘颗粒通过光敏感区3的轨迹，重叠误差小。
本实用新型中的样气通道5垂直地置于相互垂直的照明光路的光轴O1O1和散射光收集光路的光轴O2O2所构成的平面。样气通道5的中心轴线O3O3穿过光敏感区3的中心点O0。所以被测空气经样气通道5以垂直于照明光路光轴O1O1和散射光收集光路光轴O2O2所构成的平面的方向通过光敏感区3。
本实用新型中的凹面反射镜9可以是球面的凹面反射镜，或者是旋转抛物面的凹面反射镜，或者是旋转椭球面的凹面反射镜，其反射面镀有反射率大于90％的光学薄膜。
本实用新型中的光电探测器7不仅可以采用侧窗式的光电倍增管，也可以采用低灵敏度的光电池，或者是光电管，或者是光电二极管。
本实用新型的工作过程是半导体激光器的光源1发出的光束先由准直透镜2准直，再经柱面透镜8一维线聚焦后照明光敏感区3，最后进入光陷阱4，被吸收掉；待测粉尘颗粒以一定速度以垂直于照明光路光轴O1O1和散射光收集光路光轴O2O2组成的平面流过光敏感区3时产生散射光；在散射光收集光路上，一个方向上的一定立体角范围内的散射光被凹面反射镜9反射后穿过光敏感区3进入光电探测器7，另一个方向上的一定立体角范围内的散射光直接进入光电探测器7；光电探测器7输出的幅度与粉尘颗粒大小成正比的电脉冲信号被同时作如下两种处理一是甄别其幅值，得到相应的粉尘颗粒直径值；二是将这个电脉冲信号积分得到一个直流电信号，其大小与粉尘颗粒的质量浓度成正比，从而得到被测空气中所含粉尘颗粒的质量浓度值。
本实用新型的优点，与已有技术相比1.光敏感区3照明光强度高。因为半导体激光器的光源1发出的光束的方向性好，其发出的几乎所有光能量都能被准直透镜2准直；而且柱面透镜8又把准直后的激光束一维线聚焦后再照明光敏感区3，照明光束的横截面积很小，因而照明光强度高。因此，本光学探头的信号强度、灵敏度都比已有技术大为提高；2.本实用新型的散射光收集光路的集光效率高。因为有凹面反射镜9和光电探测器7双向、大角度接收散射光。凹面反射镜9把流过光敏感区3的粉尘颗粒发出的另一个方向上的散射光又反射到光电探测器7，使本光学探头对粉尘颗粒的散射光集光效率提高一倍。从而使本光学探头的信号强度和信噪比都比已有技术大为提高，从而提高了光学探头的灵敏度；3.由于本实用新型的光学探头光敏感区3的照明光强度大、对散射光的收集效率高、被测空气通过光敏感区3的轨迹短，所以它可同时检测空气中粉尘颗粒的质量浓度和颗粒数浓度。检测功能比已有技术多。
4.由于本实用新型的光学探头对光源1的光能利用率高，对散射光的收集效率高，所以不仅可以采用小功率的半导体激光器作光源1，而且还可以采用侧窗式光电倍增管和低灵敏度的光电池、光电管、或者是光电二极管作为光电探测器7，从而降低了发热量与电功损耗，又减小了光学探头的体积。
图1是已有技术日本柴田(SIBATA)公司生产的P-5L2型数字粉尘仪光学探头的结构示意图。
图2是本实用新型的激光粉尘测量仪光学探头结构的正视俯视剖面图。
图3是本实用新型的激光粉尘测量仪光学探头在图2结构中的A-A面剖视图。
实施例如图2和图3的结构所示。图中光源1是半导体激光器，功率为10mW，波长为670nm；准直透镜2为单个非球面透镜，焦距为10mm；柱面透镜8为一个平凸柱面透镜，焦距为68mm；光敏感区3的尺寸为2mm×2mm×0.023mm，即被测空气通过光敏感区3的轨迹仅为0.023mm；凹面反射镜9是一个球面的凹面反射镜，球面曲率半径为20mm，焦距为10mm，通光口径为φ16mm，其球面顶点与光敏感区3中心点O0的距离为10mm，它对光敏感区3中心点O0所张的立体角为0.557π球面度；光电探测器7是一个PIN型光电二极管，光敏面面积为φ16mm，离开光敏感区3中心点O0的距离为10mm，它对光敏感区3中心点O0所张的立体角为0.557π球面度。本实用新型的光学探头对散射光总的有效收集立体角为1.114π球面度，是已有技术的16.4倍。球面的凹面反射镜9的反射面镀有反射率大于90％的铝膜。
本实施例对粉尘质量浓度的探测灵敏度为0.001mg/m3，对粉尘颗粒粒径的探测灵敏度为0.20μm，最小探测粒径处的信噪比为4∶1，可探测的粒径动态范围为0.20～10.0μm，此动态范围被分成0.2、0.3、0.5、0.7、1.0、2.0、5.0、10.0μm六档；本实施例的空气采样流量为2升/分钟，可测最大粉尘颗粒数浓度值为7×105颗/升；本光学探头的电功率损耗低，发热量少，无需专门的散热结构，检测结果稳定可靠；结构紧凑，外形尺寸仅为150mm×60mm×60mm。
权利要求1.一种激光粉尘测量仪光学探头，包括<1>二条相互垂直的照明光路和散射光收集光路，在照明光路上，沿着光源(1)发射光束前进的方向上，依次有准直透镜(2)、光敏感区(3)和光陷阱(4)，在散射光收集光路上置有光电探测器(7)；<2>散射光收集光路的光轴(O2O2)与照明光路的光轴(O1O1)相互垂直的交点是光敏感区(3)的中心点(O0)；其特征在于<3>在照明光路上的光源(1)是半导体激光器，在准直透镜(2)与光敏感区(3)之间置有柱面透镜(8)，柱面透镜(8)的焦点与光敏感区(3)的中心点(O0)重合；<4>在散射光收集光路上，隔着光敏感区(3)与光电探测器(7)相对的一侧有凹面反射镜(9)，凹面反射镜(9)的焦点与光敏感区(3)的中心点(O0)重合；<5>样气通道(5)垂直地置于由相互垂直的照明光路的光轴(O1O1)和散射光收集光路的光轴(O2O2)所构成的平面，样气通道(5)的中心轴线(O3O3)穿过光敏感区(3)的中心点(O0)。
2.根据权利要求1所述的激光粉尘测量仪光学探头，其特征在于所说的凹面反射镜(9)是球面的凹面反射镜，或者是旋转抛物面的凹面反射镜，或者是旋转椭球面的凹面反射镜。
3.根据权利要求1所述的激光粉尘测量仪光学探头，其特征在于所说的光电探测器(7)是侧窗式光电倍增管，或者是低灵敏度的光电池、或者是光电管、或者是光电二极管。
专利摘要一种激光粉尘测量仪光学探头,包括光轴相互垂直的散射光收集光路和照明光路,两光轴的交点是光敏感区的中心点。在照明光路上,沿着以半导体激光器作光源发射的光束前进方向上,依次置有准直透镜、焦点与光敏感区中心点重合的柱面透镜、光敏感区和光陷阱。在散射光收集光路上,光敏感区的两侧分别有光电探测器和凹面反射镜。样气通道垂直于两光轴构成的平面。本光学探头既可以测量粉尘的质量浓度,又可以测量颗粒数浓度。测量灵敏度高。
文档编号G01N21/47GK2397489SQ9925192
公开日2000年9月20日 申请日期1999年12月2日 优先权日1999年12月2日
发明者黄惠杰, 路敦武, 赵永凯, 杜龙龙 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所