专利名称：一种便携式大流量激光粉尘测定仪光学传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及的是一种便携式大流量激光粉尘测定仪光学传感器，属于光学传感器技术领域。
背景技术：
利用粉尘光散射原理检测气体中粉尘直径和数量的传感器目前在国内外已经大量用于IT工业、精密机械、航空航天、医疗及生物医学、电力、矿产等重要行业。由于气体粉尘测量仪的应用场合对其粒径灵敏度、操作自动化程度和仪器的体积重量有更高的要求，目前这类进口仪器都采用了激光半导体光源和雪崩型光敏二极管构成的微小型光散射传感器，与此相比，国产仪器中绝大多数产品仍然是采用白炽灯或氦氖激光器光源以及真空光电倍增管构成的传感器，这种传感器存在体积大、重量大、光源使用寿命较短以及需要高压侍服电路等缺点，无法满足仪器在便携式、手持式、小型化和在线自动监测模块化的要求。
发明内容
本实用新型的目的是应用APD雪崩光敏二极管，研制可检测0.05～10微米粒子微弱光散射信号的光学粒子传感器以及相关的微信号放大与处理电路，进而开发出一种集光、机、电于一体，用于检测空气中粉尘数量和直径的光学传感器。本实用新型的技术方案其结构是在激光腔体内依次设有半导体激光器、聚焦透镜、柱面镜，在柱面镜与消光器间设粉尘样气通道，在粉尘样气通道的上、下方分别设非球面聚光透镜组、椭球反射镜，在非球面聚光透镜组的后面设雪崩型光敏二极管，雪崩型光敏二极管的负端接前置放大电路中的放大器的正输入端。本实用新型的优点它是一种环保产品，具有微小型化的传感器结构设计；采用APD雪崩光敏二极管a.对光电流具有放大作用b.对宽范围波长的光有较高灵敏度c.暗电流小；具有高信噪比的前置放大电路和二级放大电路的特点；小流量的激光粉尘测定仪光学传感器一般采样通道口较小(相径1mm)，2.83L/min-3L/min。而大流量激光粉尘测定仪光学传感器，采样通道口相径较大(3mm)，所以可达到28.3L/min-30L/min；以粉尘粒子在光束中产生的散射现象为原理开发的仪器传感器的选型、硬件及软件设计合理，准确度高，体积小、耗电省，性能可靠稳定，操作方便，具有很强的可扩展性与灵活性，与计算机接口后，可通过计算机实现多点同时检测及远程控制，可根据用户的要求扩充、改进。具有广泛的应用前景和经济、社会效益。
图1为本实用新型的传感器结构图；图2为本实用新型的前置放大电路图；图3为本实用新型的二级放大电路图。
图中的1是半导体激光器、2是聚焦透镜、3是柱面镜、4是粉尘样气通道、5是非球面聚光透镜组、6是椭球反射镜、7是消光器、8是雪崩型光敏二极管(型号PIN)。1’、2’、3’、4’、5’、6’、7’分别是放大器的管脚。Auo(型号是AD549)Au1、Au2(型号是LF357)是放大器。
具体实施方式
对照图1，在激光腔体内依次设有半导体激光器1、聚焦透镜2、柱面镜3，在柱面镜3与消光器7间设粉尘样气通道4，在粉尘样气通道4的上、下方分别设非球面聚光透镜组5、椭球反射镜6，在非球面聚光透镜组5的后面设雪崩型光敏二极管8，雪崩型光敏二极管8的负端接前置放大电路中的放大器Auo的正输入端。该传感器采用柱面镜的目的是使激光器光源经过聚焦透镜以后形成点状光后变成一条线状光线，其横截面覆盖粉尘样气通道，捕获尽可能多的经过光敏区的粉尘样气颗粒散射光线，以满足大流量粉尘样气的测定要求。散射光脉冲信号，经过光电二极管的作用，线性地转化为相应幅度的电脉冲信号的过程来进行微粒数量和等效直径的检测。在检测中光脉冲信号先转化成电流信号，然后再转化为电压脉冲信号，其间需要经过前置微弱信号放大和二级信号放大。才能转化成具有对应幅度的脉冲电压信号。
对照图2，前置放大电路中的放大器Auo的正、负输入端与前置放大器(Auo)的输出端间分别接电容C、反馈电阻Rf，前置放大器Auo脚5’与脚6’间串接电位器RW。前置放大电路采用了JFET结型场效应运算放大电路，与样气通过时粉尘产生的散射光脉冲的速率相匹配。本检测电路中是雪崩型光敏二极管作为光电探测器来完成光→电流的转换，雪崩型光敏二极管在低偏压下漏电流很小，约在10-10A数量级，响应速度快，约10-7S，响应频带宽度10GHz左右，雪崩型光敏二极管的输出电流较小，为微安级，所以需要通过前置放大电路将此微弱电流转换成与之成比例的电压信号。在图2中雪崩型光敏二极管相当于电流源设光生电流为Ip，理想运放的输入阻抗为无穷大，反馈电阻Rf，根据运放电路分析规则，若运放的开环增益为Auo，则可计算运放的等效输入阻抗为Rin＝Rf/(1+Auo)由于Auo为开环放大倍数，数值极大，所以可知等效输入阻抗的值很小，所以进一步可得到此运放的输出为Vo＝Ip.Rf。雪崩型光敏二极管接收散射光信号并将其转化成的电流信号为光电二极管表面接收的光能与雪崩型光敏二极管响应度的乘积。图2中的Rf可将此电流信号转换成输出电压Vo，由此来完成光→电流→电压的转换。气体中粉尘所产生的散射光经过光电转换及放大电路转换成具有对应幅度的脉冲电压信号，其后续的处理精度多半依赖于检测放大器输出的电信号的精度，因而这种前置放大器电路的设计与研制是本传感器中的重要部分。
对照图3，二级放大电路从光电检测前置放大电路输出的信号比较稳定，信噪比也较高，但脉冲幅度较小，所以仍需要进行二级放大，在二级放大电路中，每一级放大倍数基本定在10倍，实验证明放大倍数在10倍时信噪比最高，放大电路各级之间采用电容耦合，在放大电路中，采用JFET作输入级具有比较高的带宽、阶跃时间极短、输入偏置电流低、失调电流及电压低等优点，十分适合于粒子光散射传感器电路的低噪声应用。为了实现较高的信噪比和灵敏度，在放大器电路中选用LF357作为放大器，电路中均选择经过筛选的金属膜电阻，电容选用高频性能好的瓷片电容，极性电容选用钽电容器。图3中电路提高第一级的增益可以有效地抑制噪声。因此设计前置放大级增益定为100，第二级定为10，第三级定为10。
测试结果分析在噪声电压为0.013V的情况下，对单位体积内所含粉尘粒子的检测，得到粉尘微粒直径与传感器输出电压的关系如表1所示，由此来实现对粒子粒径的甄别。经过测试，可识别的粒径范围为0.1μm～10μm，且其他各项指标也完全满足设计要求。经使用表明便携式大流量激光粉尘测定仪光学传感器性能稳定，具有体积小，信噪比高、测量准确、抗干扰能力强、能耗低等优异特性，它可识别的粒径范围为0.1μm～10μm。此外，它具有很强的可扩展性与灵活性，可根据要求扩充、改进。与计算机接口后，可通过计算机实现一处多点同时检测及远程控制。可应用于药品制造，饮料食品，纳米技术等行业，还可以用于微电子血液制品，精密光学，科学实验研究，大气环境粉尘测定，航空航天等领域。
权利要求1.一种便携式大流量激光粉尘测定仪光学传感器，其特征是在激光腔体内依次设有半导体激光器(1)、聚焦透镜(2)、柱面镜(3)，在柱面镜(3)与消光器(7)间设粉尘样气通道(4)，在粉尘样气通道(4)的上、下方分别设非球面聚光透镜组(5)、椭球反射镜(6)，在非球面聚光透镜组(5)的后面设雪崩型光敏二极管(8)，雪崩型光敏二极管(8)的负端接前置放大电路中的放大器(Auo)的正输入端。
2.根据权利要求1所述的的一种便携式大流量激光粉尘测定仪光学传感器，其特征是前置放大电路中的放大器(Auo)的正、负输入端与前置放大器(Auo)的输出端间分别接电容(C)、反馈电阻(Rf)，前置放大器(Auo)脚(5’)与脚(6’)间串接电位器(RW)。
专利摘要本实用新型是一种便携式大流量激光粉尘测定仪光学传感器，在激光腔体内依次设有半导体激光器、聚焦透镜、柱面镜，在柱面镜与消光器间设粉尘样气通道，在粉尘样气通道的上、下方分别设非球面聚光透镜组、椭球反射镜，在非球面聚光透镜组的后面设雪崩型光敏二极管，雪崩型光敏二极管的负端接前置放大电路中的放大器的正输入端。优点具有微小型化的传感器结构设计；采用APD雪崩光敏二极管对光电流具有放大作用，对宽范围波长的光有较高灵敏度，暗电流小；具有高信噪比的前置放大电路和二级放大电路的特点；通道口可采样较小和较大相径；设计合理，准确度高，体积小、耗电省，性能可靠稳定，操作方便，具有很强的可扩展性与灵活性。
文档编号G01N15/02GK2754061SQ20042005500
公开日2006年1月25日 申请日期2004年12月23日 优先权日2004年12月23日
发明者肖金球, 龚坚, 曾金龙 申请人:苏州科技学院现代电子技术研究所