專(zhuān)利名稱(chēng)：能實(shí)時(shí)檢測(cè)微粒粒度及形狀特征的光學(xué)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)傳感器。
背景技術(shù)：
微粒檢測(cè)技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于工礦企業(yè)、大氣環(huán)境、醫(yī)學(xué)與科研領(lǐng)域。其檢測(cè)技術(shù)主要有光學(xué)法、電學(xué)法、動(dòng)力學(xué)法，其中光學(xué)法以測(cè)量范圍廣、不接觸樣品、快速、可自動(dòng)化實(shí)時(shí)而被最廣泛地應(yīng)用。光學(xué)法又包括線(xiàn)掃描和場(chǎng)掃描技術(shù)，線(xiàn)掃描技術(shù)檢測(cè)下限可至亞微米級(jí)、適用于濃度不高及稀薄的環(huán)境，典型的儀器如庫(kù)爾特儀。而場(chǎng)掃描技術(shù)多適用于較大微粒且濃度較高的環(huán)境，典型的儀器如馬爾文儀。這些儀器用來(lái)測(cè)量微粒粒度，但對(duì)形狀的檢測(cè)幾乎是空白。本發(fā)明屬于線(xiàn)掃描技術(shù)。利用線(xiàn)掃描技術(shù)的測(cè)量?jī)x器的核心部分是光學(xué)傳感器，目前已有儀器的光學(xué)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(kù)爾特儀、ROYCO粒子計(jì)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(jì)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(guó)產(chǎn)激光粒子計(jì)數(shù)器。由于實(shí)際微粒的非球形性及空間取向的不定性，大空間角范圍的散射光接受可以大大弱化這兩種效應(yīng)對(duì)粒度測(cè)量的影響，此外，對(duì)亞微米特別是微米以上級(jí)微粒，前向散射占據(jù)了大部分的能量，因此，前向接受可以得到微粒的主要信息。上述已有儀器僅對(duì)粒度大小進(jìn)行檢查，不能對(duì)形狀進(jìn)行檢測(cè)，此外，由于在接受角范圍方面均有一定的局限性，因而精度有限，特別是儀器的重復(fù)性不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)合理，工作效果好的能實(shí)時(shí)檢測(cè)微粒粒度及形狀特征的光學(xué)傳感器。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是
一種能實(shí)時(shí)檢測(cè)微粒粒度及形狀特征的光學(xué)傳感器，其特征是包括旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)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)第一反射鏡后入射到第一透鏡上，并形成擴(kuò)束，在第一透鏡后設(shè)置起消雜作用的第一光闌，在第一光闌后設(shè)置使入射光成為平行光束的第二透鏡，第二透鏡后設(shè)置減少光束截面積的第二光闌，第二光闌后設(shè)置使光束沿與橢腔鏡長(zhǎng)軸成小角方向入射到光敏區(qū)的第二反射鏡，第二反射鏡反射的光束截面線(xiàn)度與進(jìn)出氣通道線(xiàn)度一致，在第二反射鏡后設(shè)置防止雜散光進(jìn)入橢腔鏡腔內(nèi)的第三光闌，入射光束與樣氣流匯于光敏區(qū)，即橢腔鏡的一焦點(diǎn)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(jìn)、出氣通道與橢腔鏡長(zhǎng)軸垂直，在樣氣進(jìn)氣通道外套裝稀釋純凈氣通道，且稀釋純凈氣通道出口比樣氣進(jìn)氣通道出口更靠近光敏區(qū)；在橢腔鏡的另一焦點(diǎn)后設(shè)置一物鏡，該物鏡接受大立體角范圍的散射光被橢腔鏡面反射至該焦點(diǎn)后的光線(xiàn)，在物鏡的像平面上置一組合探測(cè)器，檢測(cè)信號(hào)經(jīng)組合探測(cè)器輸出后放大、處理。進(jìn)、出氣通道的直徑為2mm。組合探測(cè)器由4個(gè)探測(cè)器組成，其中在中心位置即物鏡的像點(diǎn)處是探測(cè)粒度的光電倍增管，另三個(gè)分別置于等邊三角形的三頂點(diǎn)處的是主要用來(lái)檢出微粒形狀信息的光電管。本發(fā)明的工作原理是半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光束經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直及光闌消雜光后，形成了一在光束截面上強(qiáng)度近于均勻的平行光，其入射至旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)橢腔鏡的一焦點(diǎn)處，且入射方向與該橢腔鏡的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)長(zhǎng)軸成一小角度，在該焦點(diǎn)處與經(jīng)稀釋的樣氣流相遇，即形成光敏區(qū)，由于增加了光敏區(qū)光強(qiáng)的均勻性，這樣減小了由于微粒在光敏區(qū)位置不同的影響。由于采用了純凈氣稀釋法，減少了微粒在光敏區(qū)重疊的可能性以及在腔內(nèi)的殘留，提高了微粒計(jì)數(shù)及粒度的測(cè)量準(zhǔn)確性；微粒在該處的散射光被旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)橢腔鏡面反射至另一焦點(diǎn)，其散射角范圍可達(dá)士2. 5° 士 145 °，或士 170° 士 180 °，而沿原入射方向的光射入光陷阱而被湮滅。包括前向在內(nèi)的大空間角范圍的接受設(shè)計(jì)，既保證了采集了微粒散射光的主要信息，又使得在測(cè)量粒度時(shí)，最大限度地減小了微粒形狀及空間取向的影響。在整個(gè)橢腔鏡內(nèi)除了進(jìn)出氣通道外，別無(wú)它物，這樣減少了雜散光的產(chǎn)生，而多個(gè)光闌的設(shè)置也減少了雜散光的影響，這樣提高了儀器的信噪比。在此焦點(diǎn)后置一物鏡作為收集透鏡，在物鏡像平面上置4個(gè)探測(cè)器，其中一個(gè)在此透鏡的像點(diǎn)，其它三個(gè)置于等邊三角形的三頂點(diǎn)，位于像點(diǎn)處的光電倍增管作為測(cè)量粒度的主探測(cè)器，另三個(gè)探測(cè)器用來(lái)檢測(cè)粒的形狀， 其原理是只要形狀非球形，三角形三頂點(diǎn)的接受器就有不同的信號(hào)，對(duì)此三信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算，可檢測(cè)微粒形狀，此外，這些信號(hào)也同時(shí)被用來(lái)作為微粒粒度檢測(cè)信號(hào)的補(bǔ)充。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是1、既能測(cè)量微粒粒度又能同時(shí)標(biāo)定微粒形狀。2、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(kuò)展了散射角的接受范圍，最大限度地減小了微粒形狀及空間取向?qū)ξ⒘Ａ６葴y(cè)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(kāi)始的散射接受設(shè)計(jì)，保證了微粒散射光的主要信息的接受，提高了測(cè)量精度。3、采用了純凈氣稀釋法，減少了微粒在光敏區(qū)重疊的可能性，提高了微粒計(jì)數(shù)、粒度及形狀的測(cè)量準(zhǔn)確性，同時(shí)也減少了腔內(nèi)的殘留與污染。4、 橢腔鏡內(nèi)除了進(jìn)出氣通道，別無(wú)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。5、擴(kuò)束準(zhǔn)直、光闌系統(tǒng)增加了光敏區(qū)光強(qiáng)的均勻性，減小了由于微粒在光敏區(qū)位置不同的影響，同時(shí)也減少了雜散光的影響。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1中組合探測(cè)器10的具體布置示意圖。
具體實(shí)施例方式參見(jiàn)圖1，由于半導(dǎo)體激光器1體積小，可固定在旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)橢腔鏡10的外框上， 其射出的光束經(jīng)反射鏡2后入射到透鏡3上，并形成擴(kuò)束，光闌4起消雜作用，透鏡5使入射光成為平行光束，光闌6減小光束截面積，并使光束截面上各處強(qiáng)度均勻化，反射鏡7使光束沿與橢腔鏡長(zhǎng)軸成小角方向準(zhǔn)確入射到光敏區(qū)，此光束截面線(xiàn)度與進(jìn)出氣通道線(xiàn)度一致，直徑2mm，光闌8防止雜散光進(jìn)入腔內(nèi)。整個(gè)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)，即橢腔鏡的一焦點(diǎn)處，原方向入射光束，射入光陷阱14，其由金屬制成且內(nèi)壁涂有吸光材料，并固定在旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)橢腔鏡的外框體內(nèi)。樣氣由11進(jìn)氣通道導(dǎo)入， 經(jīng)出氣通道13流出，進(jìn)出氣通道與轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)橢腔鏡的長(zhǎng)軸垂直，稀釋純凈氣通道12外裹在進(jìn)氣通道上，其出口并比進(jìn)氣通道出口更靠近光敏區(qū)，這樣達(dá)到稀釋樣氣且減少微粒殘留腔內(nèi)的目的。橢腔鏡由金屬制成，內(nèi)表面進(jìn)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一焦點(diǎn)，并被該焦點(diǎn)后接受物鏡9所接受，在物鏡9的像平面上置一組合探測(cè)器15，檢測(cè)信號(hào)經(jīng)組合探測(cè)器15輸出后放大、處理。 參見(jiàn)圖2，組合探測(cè)器15由4個(gè)探測(cè)器組成，其中在中心位置即物鏡9的像點(diǎn)處是光電倍增管16，它是探測(cè)粒度的主探測(cè)器，另三個(gè)分別置于等邊三角形的三頂點(diǎn)處的是光電管17、18、19，它們主要用來(lái)檢出微粒形狀信息，同時(shí)也用來(lái)作為粒度信息的補(bǔ)充；光電倍增管16位于上述等邊三角形的中點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種能實(shí)時(shí)檢測(cè)微粒粒度及形狀特征的光學(xué)傳感器，其特征是包括旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)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)第一反射鏡后入射到第一透鏡上，并形成擴(kuò)束，在第一透鏡后設(shè)置起消雜作用的第一光闌，在第一光闌后設(shè)置使入射光成為平行光束的第二透鏡，第二透鏡后設(shè)置減少光束截面積的第二光闌，第二光闌后設(shè)置使光束沿與橢腔鏡長(zhǎng)軸成小角方向入射到光敏區(qū)的第二反射鏡，第二反射鏡反射的光束截面線(xiàn)度與進(jìn)出氣通道線(xiàn)度一致，在第二反射鏡后設(shè)置防止雜散光進(jìn)入橢腔鏡腔內(nèi)的第三光闌，入射光束與樣氣流匯于光敏區(qū)， 即橢腔鏡的一焦點(diǎn)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(jìn)、出氣通道與橢腔鏡長(zhǎng)軸垂直，在樣氣進(jìn)氣通道外套裝稀釋純凈氣通道，且稀釋純凈氣通道出口比樣氣進(jìn)氣通道出口更靠近光敏區(qū)； 在橢腔鏡的另一焦點(diǎn)后設(shè)置一物鏡，該物鏡接受大立體角范圍的散射光被橢腔鏡面反射至該焦點(diǎn)后的光線(xiàn)，在物鏡的像平面上置一組合探測(cè)器，檢測(cè)信號(hào)經(jīng)組合探測(cè)器輸出后放大、 處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能實(shí)時(shí)檢測(cè)微粒粒度及形狀特征的光學(xué)傳感器，其特征是 進(jìn)、出氣通道的直徑為2mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的能實(shí)時(shí)檢測(cè)微粒粒度及形狀特征的光學(xué)傳感器，其特征是組合探測(cè)器由4個(gè)探測(cè)器組成，其中在中心位置即物鏡的像點(diǎn)處是探測(cè)粒度的光電倍增管，另三個(gè)分別置于等邊三角形的三頂點(diǎn)處的是主要用來(lái)檢出微粒形狀信息的光電管。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種能實(shí)時(shí)檢測(cè)微粒粒度及形狀特征的光學(xué)傳感器，包括激光器、擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)、光闌、光陷阱、進(jìn)氣與出氣通道、純凈氣樣稀釋通道、旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)橢腔鏡、透鏡、光電倍增管、組合光電管探測(cè)器，激光束以與旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)橢腔鏡對(duì)稱(chēng)軸成一小角度射入到橢腔鏡內(nèi)，并與樣氣流匯聚于橢腔鏡的一焦點(diǎn)，樣氣流沿垂直于對(duì)稱(chēng)軸方向?qū)?，大空間角范圍的散射光射向橢腔鏡的另一焦點(diǎn)，在此焦點(diǎn)后的物鏡像平面上置一組合光電探測(cè)器，用于檢出粒度大小及形狀信息。本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理，工作效果好。
文檔編號(hào)G01N15/02GK102519850SQ20111034653
公開(kāi)日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月7日
發(fā)明者戴兵, 戴未然, 袁銀男 申請(qǐng)人:南通大學(xué)