專利名稱：白光塵埃粒子計數(shù)器的高效光學探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型是潔凈環(huán)境潔凈度的檢測儀器——一種白光塵埃粒子計數(shù)器的高效光學探頭。
已有技術(shù)是國產(chǎn)Y09-4型白光塵埃粒子計數(shù)器的光學探頭，如圖1所示。該光學探頭主要由照明光路和散射光收集光路相互垂直構(gòu)成。其中的照明光路上有光源1和照明透鏡組2。光源1是白熾燈。散射光收集光路上有接收透鏡組5和以端窗式光電倍增管作為光電探測元件6；光敏感區(qū)3的中心是光源1和照明透鏡組2的光軸和散射光收集光路的光軸的交點；另外，該光學探頭中還有消除照明光能的光陷阱4。
該光學探頭存在以下缺點1.光敏感區(qū)3照度較低，光能利用率低。該光學探頭照明光路上的光源1發(fā)出的全部能量中，只有很小一部分光能量能進入照明透鏡組2和光敏感區(qū)3。其照明透鏡組2的孔徑半角為16°，對光源1所張的立體角為0.077π球面度(Srad)。這影響了該光學探頭的靈敏度，其最小探測粒徑是0.30μm。
2.光敏感區(qū)3照明均勻性差。該光學探頭的光源1經(jīng)照明透鏡組2直接成像于光敏感區(qū)3，光敏感區(qū)3的光強分布與光源1燈絲的周期性螺旋結(jié)構(gòu)一致，因此照明均勻性差。這影響了該光學探頭的計數(shù)效率和粒徑集中度。該光學探頭的計數(shù)效率和粒徑集中度小于70％。另外，由于這個缺點，在探測小于0.30μm的粒子時更為突出，所以，這也限制了該光學探頭的靈敏度。
3.散射光收集光路上的集光效率低。該光學探頭只能在垂直于照明光路的光軸的一個方向上收集塵埃粒子的散射光，其接收透鏡組的孔徑半角為16°，對光敏感區(qū)3所張的立體角為0.077π球面度(Srad)。因而信號弱，信噪比低，該光學探頭對于0.30μm粒子的信噪比低于3∶1。
4.為了保證該光學探頭具有一定的性能，必須采用大功率的光源1燈泡(其功率為20W)及高增益的端窗式光電倍增管作為光電探測元件。從而導致該光學探頭發(fā)熱嚴重、需要散熱結(jié)構(gòu)，則導致體積大，嚴重的發(fā)熱還影響了該光學探頭的檢測穩(wěn)定性。
本實用新型的目的是為了克服上述光學探頭的不足，為潔凈度檢測提供一種高效的白光塵埃粒子計數(shù)器光學探頭。將是一種最小探測粒徑小于0.30μm，計數(shù)效率和粒徑集中度高于70％；且具有信噪比高，靈敏度高，穩(wěn)定性好，體積小，發(fā)熱少等特點的光學探頭。
本實用新型的結(jié)構(gòu)中含有二條相互垂直的照明光路和散射光收集光路。在照明光路上，沿著白熾燈的光源1發(fā)射光束G前進的方向上，依次置有照明透鏡組2、光敏感區(qū)3和光陷阱4。在光陷阱4內(nèi)，置有球面反射鏡8。球面反射鏡8的球心與光敏感區(qū)3的中心點O重合。
散射光收集光路的光軸O2O2與照明光路的光軸O1O1相互垂直的交點是光敏感區(qū)3的中心點O。在散射光收集光路上，置有光電探測元件6，在光電探測元件6與光敏感區(qū)3之間有聚光鏡9，在聚光鏡9與光電探測元件6之間、置于聚光鏡9的焦面上有視場光闌10。在散射光收集光路上，隔著光敏感區(qū)3與聚光鏡9相對的一側(cè)有凹面反射鏡7。凹面反射鏡7的焦點與光敏感區(qū)3的中心點O重合。如圖2所示。
本實用新型中的球面反射鏡8的反射面鍍有反射率大于90％的光學薄膜，它有兩個作用一是把進入光陷阱4的照明光能反射回到光敏感區(qū)3，使被測塵埃粒子受到兩個方向的光能的照射，且照明光強提高一倍；二是可以使光敏感區(qū)3處的光源1燈絲像經(jīng)球面反射鏡8反射后再成像于光敏感區(qū)3，且燈絲適當錯開，克服了單一方向照明時光敏感區(qū)3的照明光強不均勻性。
本實用新型中的凹面反射鏡7可以是球面的凹面反射鏡，或者是旋轉(zhuǎn)拋物面的凹面反射鏡，其反射面鍍有反射率大于90％的光學薄膜。
本實用新型中的聚光鏡9是一個雙膠合單組透鏡，或者是一片單透鏡。它既可把由凹面反射鏡7反射來的塵埃粒子散射光會聚到光電探測元件6上，還可把塵埃粒子直接發(fā)出的另一個方向的散射光會聚到光電探測元件6上。
本實用新型中的視場光闌10的通光口徑為長方形或方形，其作用有兩個一是阻止粒子散射光以外的雜光進入光電探測元件6；二是使光電探測元件6輸出的脈沖信號規(guī)整，保證脈沖信號在被光電探測元件6的后繼電路處理時得到相同的放大倍率，這樣可提高檢測結(jié)果的可靠性。
本實用新型中的光電探測元件6不僅可以采用端窗式的光電倍增管，也可以采用側(cè)窗式的光電倍增管，或者是光電池，或者是光電二極管。
本實用新型的工作過程是光源1發(fā)出的光束G通過照明透鏡組2照明光敏感區(qū)3后，進入光陷阱4，又被其中的球面反射鏡8反射回到光敏感區(qū)3；待測塵埃粒子以一定速度垂直于光軸O1O1和光軸O2O2流過光敏感區(qū)3時產(chǎn)生散射光，在與照明光路的光軸O1O1垂直的兩個方向上的一定立體角范圍內(nèi)的散射光被凹面反射鏡7和聚光鏡9收集并會聚，通過視場光闌10投射到光電探測元件6上，光電探測元件6輸出一個與塵埃粒子大小成一定比例的電信號，該電信號被光電探測元件6的后繼電路處理后得到相應的粒子直徑值。
本實用新型的優(yōu)點，與已有技術(shù)相比1.光敏感區(qū)3照度高，照明均勻性好。因為球面反射鏡8一方面使光敏感區(qū)3的照明光強提高一倍，另一方面克服了單一方向照明時光敏感區(qū)3照明均勻性差的缺點。因此，本光學探頭的靈敏度、計數(shù)效率和粒徑集中度都比已有技術(shù)大為提高；2.散射光收集光路的集光效率高。因為有凹面反射鏡7和聚光鏡9雙向、大角度接收散射光。凹面反射鏡7把流過光敏感區(qū)3的塵埃粒子發(fā)出的另一個方向上的散射光又反射到聚光鏡9，而且由于凹面反射鏡7的焦點與光敏感區(qū)3的中心點O重合，對塵埃粒子的散射光集光效率可提高近4倍，這使本光學探頭的信號強度和信噪比都比已有技術(shù)得到提高，從而提高了光學探頭的靈敏度；3.在聚光鏡9的焦面上設(shè)置了一個與塵埃粒子通過光敏感區(qū)3的軌跡相適應的長方形或方形視場光闌10，降低了系統(tǒng)的背景噪聲，使系統(tǒng)在最小探測粒徑處的信噪比可高于4∶1，同時又使散射光信號整齊，因而檢測結(jié)果的可靠性得到提高；4.由于本光學探頭的光能利用率高，所以可以采用小功率的光源1燈泡和低增益的側(cè)窗式光電倍增管或者是光電管、或者是光電二極管作為光電探測元件，從而降低了發(fā)熱量與電功損耗，又減小了光學探頭的體積。


圖1是已有技術(shù)國產(chǎn)Y09-4型白光塵埃粒子計數(shù)器高效光學探頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本實用新型的白光塵埃粒子計數(shù)器光學探頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
實施例如圖2的結(jié)構(gòu)所示。圖中光源1是特制鹵鎢燈，功率為10W；照明透鏡組2由四塊焦距均為30mm、結(jié)構(gòu)完全相同的雙膠合透鏡組成，這四塊雙膠合透鏡分成相同的兩個成像系統(tǒng)，它們的放大倍率均等于1；球面反射鏡8的球面半徑為25mm；照明透鏡組2的孔徑半角為20°，其對光源1燈泡所張立體角為0.121π球面度。由于球面反射鏡8的作用，照明光路對光源1燈泡所張的總有效立體角為0.242π球面度。光敏感區(qū)3的尺寸為2mm×2mm×0.8mm；凹面反射鏡7是一個球面的凹面反射鏡，其球面半徑為20mm，通光口徑為φ14mm，其頂點與光敏感區(qū)3中心點O的距離為10mm；聚光鏡9為一個雙膠合單組透鏡，其結(jié)構(gòu)形式與照明透鏡組中的雙膠合透鏡相同，其第一面與光敏感區(qū)3中心點O的距離為15mm。散射光收集光路對散射光總的有效收集立體角為0.627π球面度。視場光闌10是通光口徑為6mm×2.4mm的長方形，且其長邊方向垂直于塵埃粒子通過光敏感區(qū)3的軌跡。光電探測元件6是側(cè)窗式的光電倍增管，位于視場光闌10之后約3mm處。球面反射鏡7和8的反射面均鍍有反射率大于90％的鋁膜。
實施例的最小探測粒徑為0.22μm，最小探測粒徑處的信噪比為4.5∶1，計數(shù)效率和粒徑集中度均可達85％，超過國家計量檢定規(guī)程JJG547-88的要求；空氣采樣流量為2.83L/min，符合美國聯(lián)邦標準209E關(guān)于采樣流量的要求；本光學探頭的發(fā)熱量少，檢測結(jié)果穩(wěn)定可靠；結(jié)構(gòu)緊湊，外形尺寸為170mm×137mm×90mm，小于已有技術(shù)體積的一半。
權(quán)利要求1.一種白光塵埃粒子計數(shù)器的高效光學探頭，含有<1>二條相互垂直的照明光路和散射光收集光路，其中在照明光路上，沿著以白熾燈作光源(1)發(fā)射光束G前進的方向上，依次有照明透鏡組(2)、光敏感區(qū)(3)和光陷阱(4)，在散射光收集光路上置有光電探測元件(6)；<2>照明光路的光軸O1O1與散射光收集光路的光軸O2O2相互垂直的交點是光敏感區(qū)(3)的中心點O；其特征在于<3>置于光陷阱(4)內(nèi)，有球心與光敏感區(qū)(3)中心點O重合的球面反射鏡(8)；<4>在散射光收集光路上，在光敏感區(qū)(3)與光電探測元件(6)之間有聚光鏡(9)，在光電探測元件(6)與聚光鏡(9)之間、置于聚光鏡(9)的焦面上有視場光闌(10)；<5>在散射光收集光路上，隔著光敏感區(qū)(3)與聚光鏡(9)相對的一側(cè)有焦點與光敏感區(qū)(3)中心點O重合的凹面反射鏡(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的白光塵埃粒子計數(shù)器的高效光學探頭，其特征在于球面反射鏡(8)的反射面鍍有反射率大于90％的光學薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的白光塵埃粒子計數(shù)器的高效光學探頭，其特征在于視場光闌(10)的通光口徑是長方形，或者是方形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的白光塵埃粒子計數(shù)器的高效光學探頭，其特征在于凹面反射鏡(7)是球面的凹面反射鏡，或者是旋轉(zhuǎn)拋物面的凹面反射鏡，反射面鍍有反射率大于90％的光學薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的白光塵埃粒子計數(shù)器的高效光學探頭，其特征在于聚光鏡(9)是一個雙膠合單組透鏡，或者是一片單透鏡。
專利摘要一種白光塵埃粒子計數(shù)器的高效光學探頭,含有二條相互垂直的照明光路和散射光收集光路。在照明光路上,沿著白熾燈的光源發(fā)射光束G前進的方向上,依次置有照明透鏡組、光敏感區(qū)和內(nèi)含球面反射鏡的光陷阱。二條光路的光軸O
文檔編號G01N15/00GK2366845SQ9922568
公開日2000年3月1日 申請日期1999年2月8日 優(yōu)先權(quán)日1999年2月8日
發(fā)明者黃惠杰, 路敦武, 杜龍龍 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所