專利名稱：一種具有新型光敏區(qū)結(jié)構(gòu)的大流量塵埃粒子計數(shù)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及ー種潔凈度檢測設(shè)備，特別是ー種大流量、高信噪比、高粒徑分辨率、小型化的具有新型光敏區(qū)結(jié)構(gòu)的大流量半導(dǎo)體塵埃粒子計數(shù)傳感器。
背景技術(shù)：
塵埃粒子計數(shù)傳感器是光散射計數(shù)法測量顆粒粒徑分布所用的主要測量系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于電子、材料、制藥、實驗室等部門的潔凈度檢測。光學(xué)傳感器是測量系統(tǒng)的核心部分。 在先進(jìn)激光塵埃粒子計數(shù)傳感器所采用的技術(shù)方案中，流量已達(dá)至50L/min，如蘇州鴻基潔凈科技有限公司在2010年7月12日申請的實用新型專利“ー種大流量塵埃粒子計數(shù)器的光電傳感器”(專利號為CN201780264U)。它包括ー個腔體，在腔體的幾何中心為原點(diǎn)的所述腔體的橫向方向上設(shè)置有半導(dǎo)體激光器、柱形鏡片、入射光闌、出射光闌及牛角形消光尾腔，半導(dǎo)體激光器和柱形鏡片位于所述腔體的ー側(cè)，消光尾腔位于腔體的另ー側(cè)，柱形鏡片使激光光源形成一光敏區(qū)，在腔體的縱向方向上設(shè)置有對稱于光敏區(qū)分布的兩個球面鏡，在其中ー個球面鏡上設(shè)置有ー小孔，小孔后方設(shè)置有相對應(yīng)的光電接收裝置。在腔體的縱向方向上還設(shè)置有氣路系統(tǒng)，氣路系統(tǒng)包括兩路進(jìn)氣嘴和一出氣嘴分布于光敏區(qū)兩偵れ現(xiàn)有技術(shù)存在的問題是氣路系統(tǒng)采用兩路進(jìn)氣嘴和ー出氣嘴，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，且氣路位置固定不可調(diào)節(jié)；采用兩個球面反射鏡，使得粒子的散射光信號增強(qiáng)的同時雜散光信號也增強(qiáng)了，影響了信噪比的提高；采用在ー個球面鏡上ー小孔的后方設(shè)置相對應(yīng)的光電接收裝置來接受散射信號，容易漏計數(shù)，計數(shù)效率受損，影響信噪比的提高。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提供ー種具有新型光敏區(qū)結(jié)構(gòu)的塵埃粒子計數(shù)器的光學(xué)傳感器，以實現(xiàn)采樣量不低于50L/min時能準(zhǔn)確高效的檢測到塵埃粒子大小和數(shù)量。實現(xiàn)本實用新型目的的技術(shù)解決方案為ー種具有新型光敏區(qū)結(jié)構(gòu)的大流量塵埃粒子計數(shù)傳感器，包括光源、非球面鏡、第一入射光闌、第二入射光闌、球面反射鏡、出射光闌、光陷阱、視場光闌和光電探測器，光源采用大于等于100W的大功率半導(dǎo)體激光光源，在半導(dǎo)體激光光源發(fā)出的光束前進(jìn)的方向上，依次設(shè)有非球面鏡、第一入射光闌、第二入射光闌、出射光闌和光陷講，與光路垂直方向上設(shè)置球面反射鏡、視場光闌、光電探測器，光源發(fā)出截面為矩形的發(fā)散光束，矩形長邊方向的光束經(jīng)過非球面鏡會聚于出射光闌的前端ロ，矩形短邊方向的光束經(jīng)過非球面鏡會聚于出射光闌的后端ロ，形成了扁長的光敏區(qū)；光敏區(qū)和光電探測器光敏面的位置分別位于該球面反射鏡球心的兩側(cè)，并滿足幾何光學(xué)的物像關(guān)系，視場光闌置于光電探測器的前面，米樣氣路由一個米樣氣嘴和ー個出氣嘴組成，米樣氣嘴口徑比出氣嘴的口徑小，且相對于光敏感區(qū)不對稱設(shè)置；視場光闌的視窗和光電探測器的尺寸相同。[0007]優(yōu)選的，所述的第一入射光闌、第二入射光闌放置于光敏區(qū)之前，出射光闌和光陷阱放置于光敏區(qū)之后。優(yōu)選的，所述的第一入射光闌、第二入射光闌、出射光闌和視場光闌都是專門的喇叭ロ式光闌，保持尖鋭角度，且內(nèi)側(cè)表面采用發(fā)黑處理。優(yōu)選的，所述的光電探測器采用與光源光波相匹配的高靈敏度光電ニ極管。優(yōu)選的，所述的采樣氣路中的一 個采樣氣嘴和一個出氣嘴都是具有水平過渡的扁平氣嘴。優(yōu)選的，所述的采樣氣路中的采樣氣嘴在與出氣嘴平行的方向上可調(diào)節(jié)。優(yōu)選的，所述的米樣氣路中的米樣氣嘴和出氣嘴相對于光敏區(qū)不對稱設(shè)置，米樣氣嘴距離光敏區(qū)較近，出氣嘴距離光敏區(qū)較遠(yuǎn)。本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)本實用新型中大功率半導(dǎo)體激光器發(fā)出截面為矩形的發(fā)散光束經(jīng)過短焦距非球面鏡后，矩形長邊方向的光束會聚于出射光闌的前端ロ，矩形短邊方向的光束會聚于出射光闌的后端ロ，從而形成了扁長的光敏區(qū)；米樣氣路中的采樣氣嘴口徑小于出氣嘴口徑，且兩者相對于光敏區(qū)不對稱設(shè)置，氣路的不對稱設(shè)計可以減小氣流阻力，減少氣流在光敏區(qū)的擴(kuò)散，從而減小粒子出現(xiàn)在弱光區(qū)的概率；調(diào)節(jié)采樣氣嘴位置使得全部的空氣粒子的通過光敏區(qū)，從而大大提高了粒子計數(shù)效率，通過本實用新型可以實現(xiàn)采樣量不低于50L/min的塵埃粒子的準(zhǔn)確高效的檢測。

圖I是本實用新型的ー種具有新型光敏區(qū)結(jié)構(gòu)的大流量塵埃粒子計數(shù)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實用新型的ー種具有新型光敏區(qū)結(jié)構(gòu)的大流量塵埃粒子計數(shù)傳感器結(jié)構(gòu)剖視圖。圖3是本實用新型的氣路系統(tǒng)的示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)ー步的詳細(xì)、完整的描述。請參閱圖I、圖2。圖I和圖2是本實用新型所公開的ー種具有新型光敏區(qū)結(jié)構(gòu)的大流量塵埃粒子計數(shù)傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖?？煽闯霰緦嵱眯滦褪签`個直角散射型光學(xué)系統(tǒng)，包括照明系統(tǒng)、散射光收集系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)。照明系統(tǒng)由半導(dǎo)體激光器I、非球面鏡2、第一入射光闌3、第二入射光闌4、出射光闌7、光陷阱8組成，其中第一入射光闌3、第二入射光闌4放置于光敏區(qū)5的前面，出射光闌7放置于光敏區(qū)5的后面。光源I采用大于等于IOOmW大功率半導(dǎo)體激光光源，大功率照明增強(qiáng)了散射信號的幅度，從而提高了系統(tǒng)的計數(shù)效率和粒徑分辨率。光源發(fā)出截面為矩形的發(fā)散光束，經(jīng)過短焦距非球面鏡2 ニ維聚焦，請參閱圖I矩形長邊方向的光束經(jīng)過非球面鏡2會聚于出射光闌7的前端ロ，請參閱圖2矩形短邊方向的光束經(jīng)過非球面鏡2會聚于出射光闌7的后端ロ，形成了扁長的光敏區(qū)5。這種設(shè)計在保證光敏區(qū)5光強(qiáng)均勻的基礎(chǔ)上，能夠讓全部的塵埃粒子通過光敏區(qū)5，提高傳感器的計數(shù)效率等。激光光束穿過光敏區(qū)5后進(jìn)入光陷阱8，并被光陷阱8吸收。其中照明系統(tǒng)的光闌皆為喇叭形，保持尖鋭角度，既可以防止雜散光的產(chǎn)生，又可以消除光路上的雜散光，這種設(shè)計大大提高了傳感器的信噪比。散射光收集系統(tǒng)主要有球面反射鏡6、視場光闌9、高靈敏度光電ニ極管10。所述光敏區(qū)5與光電探測器10之間距離為2mm — 5mm。所述光敏區(qū)5和光電探測器10的光敏面分別位于球面反射鏡6球心的兩側(cè)，并滿足幾何光學(xué)的物像關(guān)系。當(dāng)被測氣體通過光敏區(qū)5時，塵埃粒子產(chǎn)生的散射光的一半直接進(jìn)入高靈敏度的光電ニ極管10，另一半經(jīng)過球面反射鏡6反射后會聚在高靈敏度光電ニ極管10上，極大可能的提高了散射光的收集效率。所述視場光闌9置于光電探測器10的前面，視場光闌9為專門的喇叭ロ式遮擋光闌，以保證光路中的雜散光不能直接進(jìn)入探測器，而粒子的散射光信號經(jīng)過球面反射鏡6反射的光不被遮擋。所述視場光闌9內(nèi)側(cè)表面采用發(fā)黑處理，減少散射光反射，從而提高了傳感器的信噪比。所述光電探測器10采用與光源光波相匹配的高靈敏度光電ニ極管。氣路系統(tǒng)主要由ー個采樣氣嘴13、一個出氣嘴14構(gòu)成，抽氣泵將外界被測氣體通過采樣氣嘴13吸入傳感器內(nèi)，帶有被測塵埃粒子的采樣氣流通過光敏區(qū)5，從而得到粒子 的散射光信號。所述ー個采樣氣嘴13和一個出氣嘴14都是具有水平過渡的扁平氣嘴，兩者相對于光敏區(qū)5不對稱安裝。請參閱圖3所述采樣氣嘴13的口徑小于出氣嘴14的口徑；采樣氣嘴13與光敏區(qū)5相距3±0· 5mm;出氣嘴14與光敏區(qū)5相距7±0· 5mm。調(diào)節(jié)采樣氣嘴與出氣嘴平行方向上的位置，可以使全部的被測塵埃粒子通過光敏區(qū)5。這樣的不對稱設(shè)計可以減小氣流阻力，減少氣流在光敏區(qū)5的擴(kuò)散，從而減小粒子出現(xiàn)在弱光區(qū)的概率，可以大大提高傳感器的粒子分辨率，滿足不低于50L/min大流量塵埃粒子采樣的準(zhǔn)確高效檢測。本實用新型公開了ー種具有新型光敏區(qū)結(jié)構(gòu)的大流量塵埃粒子計數(shù)傳感器，所述光學(xué)傳感器對聚苯こ烯標(biāo)準(zhǔn)粒子進(jìn)行標(biāo)定的結(jié)果表明本光學(xué)傳感器的最小可探測粒徑為O. 3 um,采樣流量可以做到高于50L/min,計數(shù)效率達(dá)到100%,分辨率優(yōu)于90%(0. 3um分檔，
O.5um 分檔對 Duke Scientific Corporation 提供的 O. 3um、0. 4um、0. 5um、0. 6um標(biāo)準(zhǔn)粒子的測量結(jié)果)，這些性能遠(yuǎn)優(yōu)于在先技木。
權(quán)利要求1.一種具有新型光敏區(qū)結(jié)構(gòu)的大流量塵埃粒子計數(shù)傳感器，其特征在于包括光源[I]、非球面鏡[2]、第一入射光闌[3]、第二入射光闌[4]、球面反射鏡[6]、出射光闌[7]、光陷阱[8]、視場光闌[9]和光電探測器[10];在激光器光源[I]發(fā)出的光束前進(jìn)的方向上，依次設(shè)有非球面鏡[6]、第一入射光闌[3]、第二入射光闌[4]、出射光闌[7]和光陷阱[8]；與光路垂直的方向上依次設(shè)有球面反射鏡[6]、視場光闌[9]和光電探測器[10];光源[I]發(fā)出截面為矩形的發(fā)散光束，矩形長邊方向的光束經(jīng)過非球面鏡[2]會聚于出射光闌[7]的前端口，矩形短邊方向的光束經(jīng)過非球面鏡[2]會聚于出射光闌[7]的后端口，形成了扁長的光敏區(qū)[5];光敏區(qū)[5]和光電探測器[10]的光敏面的位置分別位于該球面反射鏡[6]球心的兩側(cè)，并滿足幾何光學(xué)的物像關(guān)系；視場光闌[9]置于光電探測器[10]的前面；采樣氣路由一個采樣氣嘴[13]和一個出氣嘴[14]組成，采樣氣嘴[13]的口徑小于出氣嘴[14]的口徑，且相對于光敏感區(qū)[5]不對稱設(shè)置。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種具有新型光敏區(qū)結(jié)構(gòu)的大流量塵埃粒子計數(shù)傳感器，其特征在于光源[I]采用大于或等于100W的大功率半導(dǎo)體激光光源。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種具有新型光敏區(qū)結(jié)構(gòu)的大流量塵埃粒子計數(shù)傳感器，其特征在于第一入射光闌[3]、第二入射光闌[4]放置于光敏區(qū)[5]的前面，出射光闌[7]放置于光敏區(qū)[5]的后面，光闌皆為喇叭形。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種具有新型光敏區(qū)結(jié)構(gòu)的大流量塵埃粒子計數(shù)傳感器，其特征在于視場光闌[9]的視窗和光電探測器[10]的尺寸相同,視場光闌[9]為喇機(jī)口式遮擋光闌，且其內(nèi)側(cè)表面采用發(fā)黑處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種具有新型光敏區(qū)結(jié)構(gòu)的大流量塵埃粒子計數(shù)傳感器，其特征在于光電探測器[10]采用與光源光波相匹配的高靈敏度光電二極管。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種具有新型光敏區(qū)結(jié)構(gòu)的大流量塵埃粒子計數(shù)傳感器，其特征在于氣路系統(tǒng)包括一個采樣氣嘴[13]和一個出氣嘴[14]，兩者均為水平過渡的扁平氣嘴；米樣氣嘴[13]與光敏區(qū)[5]相距3±0. 5mm ;出氣嘴[14]與光敏區(qū)[5]相距7±0. 5mm ;采樣氣嘴[13]在與出氣嘴[14]平行的方向上可調(diào)節(jié)。
專利摘要本實用新型公開了一種具有新型光敏區(qū)結(jié)構(gòu)的大流量塵埃粒子計數(shù)傳感器，在大功率半導(dǎo)體激光光源發(fā)出的光束前進(jìn)的方向上，依次設(shè)有非球面鏡、入射光闌、出射光闌和光陷阱，與光路垂直方向上設(shè)置球面反射鏡、視場光闌、光電探測器，光敏區(qū)和光電探測器光敏面的位置分別位于該球面反射鏡球心的兩側(cè)，并滿足幾何物像關(guān)系，氣路系統(tǒng)由一個采樣氣嘴和一個出氣嘴組成，采樣氣嘴的口徑小于出氣嘴的口徑，且兩者相對于光敏區(qū)不對稱設(shè)置。本實用新型結(jié)構(gòu)簡單、體積小、計數(shù)效率高，粒徑分辨率高，可以實現(xiàn)不低于50L/min大流量塵埃粒子采樣的準(zhǔn)確高效檢測。
文檔編號G01N15/14GK202471562SQ20122002032
公開日2012年10月3日 申請日期2012年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月17日
發(fā)明者卞保民, 印愛麗, 王春勇 申請人:南京理工大學(xué)