專利名稱：氣溶膠顆粒分析儀中的紫外激光能量監(jiān)控和受激熒光補償系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及紫外激光能量監(jiān)控和受激熒光補償系統(tǒng)，尤其涉 及一種紫外激光能量監(jiān)控和受激熒光補償系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
空氣中具有各種懸浮粒子，包括非生物粒子和生物粒子。這些懸 浮粒子時刻在影響著人們的身體健康，尤其是生物氣溶膠顆粒,可能 會是具有傳染危害的病原微生物，所以，監(jiān)測空氣中是否具有生物氣 溶膠粒子以及生物氣溶膠粒子的濃度、數(shù)量并能夠判定其特性顯得尤 為重要。由于生物氣溶膠粒子在激光擊打下會發(fā)出固有的熒光光i普特性， 利用這種原理，可以用紫外激光器以及相應光路、氣路及電路組成的 測量裝置4全測空氣中是否具有生物氣溶膠粒子，并判定其生物特性。現(xiàn)有的生物氣溶膠粒子檢測裝置(例如美國的TSI3312紫外激光 空氣動力學生物粒子計數(shù)器)可以實時在線檢測空氣中是否具有生物 氣溶膠粒子以及生物氣溶膠粒子的濃度和數(shù)量。但現(xiàn)有生物氣溶膠粒子裝置存在的問題是紫外激光的能量會隨 著觸發(fā)頻率和溫度的變化而變化，以及隨開機時間和累計開機時間的 增加而有不同程度的衰減，極易導致激發(fā)熒光強度的變化和最終;險測 到的熒光強度數(shù)據(jù)的不準確。例如，當使用紫外脈沖激光器時，若生物氣溶膠粒子濃度較高， 可能在一段時間內(nèi)有很多生物氣溶膠粒子從噴嘴口噴出，因而導致紫 外激光器以高頻率觸發(fā)。這種高頻率的觸發(fā)會導致紫外激光器脈沖輸 出能量的下降，從而導致發(fā)射出的激光脈沖幅值的下降，這種幅值下3降的激光束照射到生物粒子上，產(chǎn)生的熒光強度也變?nèi)?，使得同一種 生物物質(zhì)產(chǎn)生的熒光強度不一致，很容易出現(xiàn)對信號的誤判斷。實用新型內(nèi)容本實用新型提供一種紫外激光能量監(jiān)控和受激熒光補償系統(tǒng)，紫 外激光能量監(jiān)控和受激熒光補償系統(tǒng)能夠?qū)崟r校準熒光強度，使檢測 結(jié)果標準化。本實用新型提供的紫外激光能量監(jiān)控和受激熒光補償系統(tǒng)紫外激光能量監(jiān)控和受激熒光補償系統(tǒng)包括紫外激光發(fā)射器、紫外光鴻、 單元、熒光檢測單元、紫外激光強度檢測單元和熒光強度校準單元。所述紫外激光強度檢測單元通過紫外光路單元與紫外激光發(fā)射 器光學連接，且位于紫外激光光源發(fā)射方向上，紫外光路單元與熒光 檢測單元光學連接，焚光檢測單元與熒光強度校準單元電連接，紫外 激光強度檢測單元與熒光強度校準單元電連接；紫外激光強度檢測單 元檢測到的紫外激光發(fā)射器產(chǎn)生的紫外激光強度與標準值的相對偏 差輸送到熒光強度校準單元進行熒光強度校準。紫外激光發(fā)射器可以 是紫外脈沖激光器，也可以是紫外連續(xù)激光器。優(yōu)選地，紫外激光強度檢測單元包括分光片和紫外光探測單元， 從分光片透射的紫外光入射到紫外光探測單元。更優(yōu)選地，紫外光4笨 測單元包括高通濾波片和紫外光強檢測器。優(yōu)選地，紫外激光強度校準單元包括前置放大器、與所述前置放 大器連接的放大/積分電路、與所述放大/積分電路連接的激光強度增 益運算電路、與所述激光強度增益運算電路連接的熒光強度增益控制 電路。優(yōu)選地,紫夕卜光路單元包括沿紫外激光發(fā)射方向排列的紫外整形 球透鏡、紫外整形柱面鏡和雙色鏡。優(yōu)選地，熒光檢測單元包括依次連接的帶通濾波片、熒光檢測器、 前置放大器、放大/積分電路、峰值采樣保持電路、A/D轉(zhuǎn)換器。與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用本實用新型才是供的紫外激光能量監(jiān)控和受激熒光補償系統(tǒng)，在紫外激光發(fā)射器輸出能量較低的時候，能夠及時 調(diào)整^f全測端的增益，解決了紫外激光器工作在不同的重復脈沖頻率下 由于能量不穩(wěn)定而導致的熒光強度變化和最終測量結(jié)果誤差的問題。 并且做到了熒光強度最終測量值的歸一化處理，避免了對熒光信號的 誤判斷。


圖l為本實用新型紫外激光能量監(jiān)控和受激熒光補償系統(tǒng)的示意圖；圖2為本實用新型紫外激光檢測單元的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本實用新型紫外激光強度賀熒光信號測量及校準電路原理 框圖；圖4為本實用新型紫外激光能量監(jiān)控和受激熒光補償系統(tǒng)的電路 結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
本實用新型中的紫外激光能量監(jiān)控和受激熒光補償系統(tǒng)包括紫 外激光發(fā)射器、紫外光路單元、熒光檢測單元、紫外激光強度檢測單 元、熒光強度校準單元，所述紫外激光強度檢測單元通過紫外光路單 元與紫外激光發(fā)射器光學連^^妄，且位于紫外激光光源發(fā)射方向上，紫 外光路單元與熒光檢測單元光學連接，熒光檢測單元與熒光強度校準 單元電連接，紫外激光強度檢測單元與熒光強度校準單元電連接；紫 外激光強度檢測單元檢測到的紫外激光發(fā)射器產(chǎn)生的紫外激光強度 與標準值的相對偏差輸送到熒光強度校準單元進行熒光強度校準。圖1為本實用新型紫外激光能量監(jiān)控和受激熒光補償系統(tǒng)的示意 圖。雙管芯激光發(fā)射器1發(fā)出的兩束平行光經(jīng)過準直透鏡2后，分別 形成發(fā)散角為毫弧度數(shù)量級的光束。兩束激光再經(jīng)過整形正透鏡3、 柱面鏡4，形成兩個垂直于噴嘴IO噴氣方向的兩個橢圓光斑。消光器 9用于消除散射激光和紫外激光的剩余光線對系統(tǒng)測量的影響。噴嘴IO安裝在豎直方向，所述噴嘴IO與相應的氣路裝置相連。待測的氣 溶膠顆粒在一定壓力下從噴嘴10噴出。紫外激光發(fā)射器16位于光路19上，其紫外光束經(jīng)過整形球透鏡 15和整形柱面鏡14作用后，經(jīng)過雙色鏡5，在垂直于噴嘴10噴氣方 向上照射從噴嘴10噴出的氣溶膠顆粒。本實用新型的紫外激光能量監(jiān)控和受激熒光補償系統(tǒng)的紫外激 光強度檢測單元包括分光片21和紫外光^笨測單元20。分光片21可以 是一種透過式光柵，可以將入射光分出一部分以供測量。當需要測量 的激光功率遠遠大于功率/能量計測量范圍時，通常考慮^f吏用分光片進 行光線的采樣。分光片21位于光路中雙色鏡5、紫外整形柱面鏡14 和紫外整形球透鏡15的前端。紫外光纟采測單元20置于分光片21的 背面，紫外光線從分光片21的正面入射，大部分紫外光線經(jīng)過分光 片21反射射向雙色鏡5，然后再經(jīng)過雙色鏡5的反射，照射氣溶膠顆 粒。照射到分光片上的少部分紫外光線經(jīng)分光片21濾除紅光、散射 光和熒光成份后，由紫外光探測單元20接收轉(zhuǎn)換為電信號，并送至 熒光強度校準單元(未示出)進行信號處理，并進行熒光強度的校正。 具體處理過程將在下面的內(nèi)容中詳細描述。圖2為本實用新型紫外激光檢測單元的結(jié)構(gòu)示意圖。在本圖中示 出了 一種具有紫外激光強度檢測單元的氣溶膠顆粒檢測儀的光學結(jié) 構(gòu)。兩束平行的紅色激光經(jīng)透射鏡37和橢球鏡38的入口匯聚在橢球 鏡38的第一焦點處，形成兩個光斑。其中透射鏡37與圖1中雙色鏡 5相似，對紅色激光近似完全透射，對紫外激光近似完全反射。橢球 鏡38包括上橢球鏡和下橢球鏡，兩個橢球鏡的前面有供紅光和紫外 激光入射的進口 、后面有用于消除余光的光陷阱出口即消光器。上下 橢球鏡分別在其第二焦點位置設(shè)有供散射光強度和焚光強度測量的 窗口。含有氣溶膠粒子的氣流經(jīng)過噴口加速，會使其中的氣溶膠粒子 依次穿過兩個紅色激光光斑。并由此而產(chǎn)生粒子的散射光。該散射光 經(jīng)下橢球鏡反射匯聚在下橢J求鏡的第二焦點位置上，通過低通濾光片32濾除紫外激光和熒光干擾后，由散射光探測器31接收并送至粒徑 測量電路中。每個粒子在穿過散射光路的兩個紅色激光光斑時，由于其質(zhì)量不 同，穿過兩個光斑的速度也不同，通過測量其穿過兩個紅色光斑的飛 行時間，即可以得到對應的空氣動力學直徑。通過對氣溶膠粒子進行 粒徑分類篩選，可以檢測到符合粒徑范圍的氣溶膠粒子。通過判定粒徑大小并確定其有效性后，觸發(fā)紫外脈沖激光，該紫 外激光經(jīng)反射鏡37聚焦在橢球鏡的第一焦點處，并對氣溶膠粒子擊 打，氣溶膠粒子被激發(fā)產(chǎn)生的熒光經(jīng)上橢球鏡反射匯聚在其第二焦點 位置上，所述熒光通過帶通濾光片36濾除雜散光和紫外光成份后， 由熒光探測器35接收并送至熒光測量電路中進行信號和數(shù)據(jù)處理。 熒光檢測單元包括依次連接的帶通濾波片、焚光檢測器，以及前置放 大器、放大/積分電路、峰值采樣保持電路、AD轉(zhuǎn)換器等電子元件。在紫外脈沖激光器發(fā)射紫外激光時，紫外激光強度檢測單元對發(fā) 射出的激光強度進行檢測。紫外激光強度檢測單元包括分光片34和 紫外光強探測器39,少部分紫外脈沖激光經(jīng)分光片34濾除紅光、散 射光和熒光成份后，由紫外光強探測器39接收并送至后續(xù)紫外激光 校準單元中進行信號處理。圖3為本實用新型紫外激光強度和熒光信號測量及校準電路的工 作原理框圖。在粒徑檢測裝置100根據(jù)氣溶膠顆粒的粒徑判斷該顆粒 可能為生物粒子時，向紫外激光發(fā)射器發(fā)送觸發(fā)信號，使紫外激光發(fā) 射器發(fā)射紫外激光。紫外激光強度檢測單元301檢測紫外激光發(fā)射器 發(fā)出的紫外光強度，并且將測得的強度發(fā)送到紫外激光強度校準單元 302與標準的紫外激光強度進行比較，確定增益值，并將增益值發(fā)送 到熒光檢測單元201,從而校準接收到的生物粒子所發(fā)出的熒光。同時，結(jié)合圖4,粒徑測量裝置的信號處理流程為由散射光探 測器接收散射光并轉(zhuǎn)換為電信號后，由低噪聲、高增益的前置放大器 進行放大，經(jīng)行信號緩沖后送入計時器計時并送入A/D轉(zhuǎn)換器進行模 數(shù)轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過粒徑分類電路，最后送入控制及數(shù)據(jù)處理電路。同時，計時器會給邏輯門控電路發(fā)出信號，以便在判定該粒子有 效后發(fā)出觸發(fā)信號觸發(fā)紫外脈沖激光。熒光測量電路的信號流程為由熒光:J笨測器接收熒光并轉(zhuǎn)換為電 信號后，由低噪聲、高增益寬帶放大器進行放大，經(jīng)積分電^^送入峰值采樣保持電路進行峰值信號的采樣和保持，并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，進行 熒光強度校準和熒光強度分類，最后送入控制及數(shù)據(jù)處理電路。上述的控制及數(shù)據(jù)處理電路包括緩沖器、微處理器及外圍電路。 邏輯門控電路在發(fā)出紫外激光觸發(fā)信號的同時，也對熒光^^交準電 路發(fā)出選通信號。熒光強度校準電路的信號流程為由紫外光強探測 器接受紫外激光信號，經(jīng)低噪聲前置放大電路和積分電路后，送入脈 沖強度校準電路對紫外脈沖強度進行校準，通過計算標準紫外激光強 度和實測紫外激光強度的比值得到熒光檢測單元信號接收的增益值， 隨后將所述增益值送入熒光強度校正電路對熒光強度信號進行校準。 具體校準算法如下校準熒光強度IFC=I"fe式中IFC--校準后熒光強度 IFT_—實測熒光強度Iuvs-…標準紫外激光強度Iuvr…-實測紫外激光強度 從上面的算法可以看出，紫外激光強度的衰減比例等于校準后熒光強度的增益比例。也就是說，當紫外激光衰減為標準紫外激光的1/k 對，則校準后熒光強度的增益為實測熒光強度的k倍。這樣，熒光強 度得到了歸一化的處理,避免了對熒光信號的誤判。上述算法可以通 過相應的增益運算電路完成。圖4為本實用新型紫外激光能量監(jiān)控和受激熒光補償系統(tǒng)的電路 結(jié)構(gòu)示意圖。粒徑測量裝置的電路部分包括低通濾波片(或散射光檢測器上的鍍膜)、散射光檢測器(APD)、前置放大器、緩沖放大器、計時器及AD轉(zhuǎn)換器、時間和粒徑分類電路/同步觸發(fā)器。熒光測量單元的電路包括帶通濾波片(或熒光檢測器上的鍍膜)、 熒光檢測器(例如光電倍增管)、前置放大器、放大/積分電路、峰值 采樣保持電路、AD轉(zhuǎn)換器、熒光強度校準、熒光強度分類電路。紫外激光強度檢測單元的電路包括高通濾波片(或在紫外光強檢 測器上的鍍膜)、紫外光強檢測器。紫外激光強度校準單元包括前置 放大器、放大/積分電路、脈沖強度校正電路、熒光強度校準電路。紫外激光強度測量裝置能夠隨時檢測自外脈沖的能量強度的變 化，將測量值統(tǒng)一到標準的脈沖強度下，從而將熒光強度最終測量值 作歸一化處理。盡管本實用新型是結(jié)合上述的優(yōu)選實施方式進行描述的，但是其 實現(xiàn)形式并不局限于上述的實施方式。應該認識到，在不脫離本實用 新型主旨的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本實用新型做出不同的變化和-修改。
權(quán)利要求1、一種紫外激光能量監(jiān)控和受激熒光補償系統(tǒng)，其特征在于，包括紫外激光發(fā)射器、紫外光路單元、熒光檢測單元、紫外激光強度檢測單元和熒光強度校準單元，所述紫外激光強度檢測單元通過紫外光路單元與紫外激光發(fā)射器光學連接，且位于紫外激光光源發(fā)射方向上，紫外光路單元與熒光檢測單元光學連接，熒光檢測單元與熒光強度校準單元電連接，紫外激光強度檢測單元與熒光強度校準單元電連接；紫外激光強度檢測單元檢測到的紫外激光發(fā)射器產(chǎn)生的紫外激光強度與標準值的相對偏差輸送到熒光強度校準單元進行熒光強度校準。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫外激光能量監(jiān)控和受激熒光補償系統(tǒng)， 其特征在于，紫外激光強度檢測單元包括分光片和紫外光探測單元，從 分光片透射的部分紫外光入射到紫外光探測單元。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的紫外激光能量監(jiān)控和受激熒光補償系統(tǒng)， 其特征在于，紫外光探測單元包括高通濾波片和紫外光強檢測器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的紫外激光能量監(jiān)控和受激熒光補償系統(tǒng)， 其特征在于，紫外激光強度校準單元包括前置放大器、與所述前置放大 器連接的放大/積分電路、與所述放大/積分電路連接的激光強度增益運算 電路、與所述激光強度增益運算電路連接的熒光強度增益控制電路。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的紫外激光能量監(jiān)控和受激熒光補償系統(tǒng)， 其特征在于，紫外光路單元包括沿紫外激光發(fā)射方向排列的紫外整形球 透鏡、紫外整形柱面鏡和雙色鏡。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的紫外激光能量監(jiān)控和受激熒光補償系統(tǒng)， 其特征在于，熒光檢測單元包括依次連接的帶通濾波片、焚光檢測器、 前置放大器、放大/積分電路、峰值采樣保持電路、A7D轉(zhuǎn)換器。
專利摘要本實用新型公開了一種紫外激光能量監(jiān)控和受激熒光補償系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括紫外激光發(fā)射器、紫外光路單元、熒光檢測單元、紫外激光強度檢測單元和熒光強度校準單元，所述紫外激光強度檢測單元通過紫外光路單元與紫外激光發(fā)射器光學連接，且位于紫外激光光源發(fā)射方向上，紫外光路單元與熒光檢測單元光學連接，熒光檢測單元與熒光強度校準單元電連接，紫外激光強度檢測單元與熒光強度校準單元電連接；紫外激光強度檢測單元檢測到的紫外激光發(fā)射器產(chǎn)生的紫外激光強度與標準值的相對偏差輸送到熒光強度校準單元進行熒光強度校準。采用該系統(tǒng)，解決了紫外激光器工作在不同的重復脈沖頻率下，由于能量不穩(wěn)定而導致的熒光強度變化和最終測量結(jié)果誤差的問題。
文檔編號G01N15/00GK201107254SQ20072017875
公開日2008年8月27日 申請日期2007年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月26日
發(fā)明者強 劉, 毅 劉, 孫振海, 張曉青, 娜 李, 李勁松, 溫占波, 潔 王, 趙建軍, 鹿建春 申請人:中國人民解放軍軍事醫(yī)學科學院微生物流行病研究所;北京匯豐隆生物科技發(fā)展有限公司