专利名称：大流量全半导体新型尘埃粒子计数器的光学传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于一种洁净度检测设备，特别是一种小型化、大流量、高信噪比、高粒径
分辨率、高计数效率的全半导体尘埃粒子计数器的光学传感器。
背景技术：
随着人们对空气洁净度、材料纯度以及加工精度的要求不断提高，对微颗粒的测 量技术凸显的尤为重要。尘埃粒子计数器就是光散射计数法测量颗粒粒径分布所用的主要 测量仪器。激光尘埃粒子计数器以Mie散射理论为基础，单颗粒在照明光束中产生的散射 光为直接测量对象，再根据颗粒散射光强度的差异分辨待测颗粒的粒度大小的测量仪器。 其中光学传感器是测量系统的核心部分。国外60年代就有初步的产品面市，而国内起步 晚，到现在仪器的性能和国外还有很多差距。 在先激光尘埃粒子计数器的光学传感器所采用的技术方案中，如南京理工大学卞 保民、彭刚等人在2007年7月1日申请的发明专利"大流量尘埃粒子计数器的光学传感 器"(专利号为CN101470066A)，采用半导体激光器的照明光源，非球面镜和两个光阑对光进 行调制，光调制后的光在光敏区和采样气流中的微粒产生散射光，经光电倍增管的接收，得 到颗粒粒径的分布信息，经过穿过光敏区的光采用光陷阱消光。但是上述专利存在以下的 缺点采用的光电倍增管，虽然响应速度快，但体积大，不利于光学传感器的微型化，使得整 机难于实现小型化；并且光电倍增管的使用寿命短，仪器间的互换性差；同时采用光电倍 增管由于需要高压供电以及自身的散粒噪声，影响仪器信噪比的优化提高；采用的小功率 激光器，由于在大流量环境下，小功率的激光器信号幅度低容易漏计数，信噪比也低，计数 效率低；采用的将激光汇聚在光敏区后，没有充分利用照明光，计数效率受损。
发明内容
本发明的目的在于提供一种小型化、结构简单、信噪比高、粒径分辨率高、采样流
量大、使用寿命长、仪器间互换性好的全半导体新型尘埃粒子计数器的光学传感器。
实现本发明目的的技术解决方案为一种大流量全半导体新型尘埃粒子计数器
的光学传感器，包括光源、非球面镜、第一入射光阑、第二入射光阑、球面反射镜、出射光阑、
光陷阱、光阑和光电探测器，在半导体激光光源发出的光束前进的方向上，依次设有非球面
镜、第一入射光阑、第二入射光阑、出射光阑和光陷阱，与光路垂直方向上设置球面反射镜、
光阑、光电探测器，光敏感区和光电探测器光敏面的位置分别位于该球面反射镜球心的两
侧，并满足几何光学的物像关系，光阑置于光电探测器的前面，采样气路由采样气嘴、出气
嘴组成，两者相对于光敏感区对称设置；光源采用大于等于100mW的大功率半导体激光光
源，光阑的视窗和光电探测器的尺寸相同，增益可调前置放大电路置于光电探测器后面的
外壳上；光电探测器采用高灵敏度光电二极管。 本发明与现有技术相比，其显著优点(1)照明系统采用大功率的半导体激光器， 散射信号的幅度增大，信噪比提高，计数效率提高，阈值信号的计数效率提高；(2)本发明将激光束会聚在光敏区中，光电二极管可以尽可能的靠近光敏区，大大增加了仪器的计数 效率和粒径分辨率；(3)采用光电二极管，仪器使用寿命长，仪器间互换性好；(4)光电探测 器采用与光源光波相匹配的高灵敏度光电二极管，功耗低，价格低廉，体积小利于整机的微 型化发展；(5)光电二极管后设置有增益可调前置放大电路，利于仪器的测试优化调节。
图1是本发明大流量全半导体新型尘埃粒子计数器的光学传感器的结构示意图。
图2是本发明大流量全半导体新型尘埃粒子计数器的光学传感器的剖视图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。 结合图1、图2，可以看出本发明大流量全半导体新型尘埃粒子计数器的光学传感 器是一个直角散射型光学系统，包括照明系统、散射光收集系统、气路系统和前置可调节放 大电路。照明系统由半导体激光器1、非球面镜2、第一入射光阑3、第二入射光阑4、出射光 阑7、光陷阱8组成，第一入射光阑3、第二入射光阑4放置于光敏区5的前面，出射光阑7 放置于光敏区5的后面；光源1采用大于等于100mW的大功率半导体激光光源，发出发散光 束经过短焦距非球面镜2 二维聚焦，会聚点在光敏区5的中心，以此保证激光束腰在光敏区 5中使得沿轴向光强的均匀，这种设计在保证光敏区5光强均匀的基础上，能够让光最大可 能的通过光敏区5，提高仪器的计数效率等。激光光束穿过光敏感区5后进入光陷阱8，并 被光陷阱8吸收掉。 其中，照明系统采用大功率半导体激光器，其大功率直接增加散射信号的幅度，提 高系统的信噪比。采用大功率的照明，可以提高系统的计数效率和粒径分辨率。照明光路 中的光阑皆为喇叭形，保持尖锐角度，既可以防止杂散光的产生，又可以消除光路上的杂散 光，可大大提高传感器的信噪比。 散射光收集系统主要由球面反射镜6、光阑9和高灵敏度光电二极管10组成，光电 探测器10与光敏区5之间的距离约为2-5毫米；当被测气流通过光敏感区5时，由于光电 探测器10采用体积小的光电二极管IO，可以将其尽可能的靠近光敏感区5，这样尘埃粒子 产生的散射光的一半直接进入高灵敏度光电二极管，另一半经过球面反射镜6反射后会聚 在高灵敏度光电二极管上，极大可能的提高了散射光的收集效率。其中光阑9为专门的喇 叭口式遮挡光阑以保证光路中的杂散光不能直接进入探测器，而粒子产生的散射光信号经 过球面反射镜6反射的光不被遮挡，其次光阑9在光敏感区5 —侧的表面采用发黑处理，减 少散射光的反射，这样也可以提高传感器的信噪比。采用高灵敏度光电二极管既可以将光 电倍增管带来的背景噪声消除，提高传感器的信噪比，又可以不用高压供电，价格低廉，最 后由于光电二极管体积小，便于将传感器整机小型化。 气路系统主要由采样气嘴13、出气嘴14构成，抽气泵将外界被测空气通过采样气 嘴13吸入光学传感器内，使带有被测尘埃粒子的采样气流通过光敏感区5，以得到粒子的 散射光信号；采样气嘴13、出气嘴14都是有水平过渡的扁平气嘴，满足28. 3L/min大流量 采样的要求。两个气嘴相对光敏区5对称安装，扁平的气嘴设计可以减少气流在光敏区5 的扩散，从而减少粒子出现在弱光区的概率，可以大大提高传感器的粒子分辨率。
本发明大流量全半导体新型尘埃粒子计数器的光学传感器中的光电探测器10采用尺寸为5X9mm2的光电二极管，对聚苯乙烯标准粒子进行标定的结果表明本发明的光学传感器的最小可探测粒径为0. 3um，采样流量可以做到28. 3L/min，最小粒径处的信噪比大于4 : 1，计数效率大于90%，分辨率优于90% (0. 3um分档，0. 5um分档对Duke ScientificCorporation提供的0. 4urn，0. 6um标准粒子的测量结果)，光学传感器的尺寸可减少为160 X 90 X 60mm3，这些性能远优于在先技术。
权利要求
一种大流量全半导体新型尘埃粒子计数器的光学传感器，包括光源[1]、非球面镜[2]、第一入射光阑[3]、第二入射光阑[4]、球面反射镜[6]、出射光阑[7]、光陷阱[8]、光阑[9]和光电探测器[10]，在半导体激光光源[1]发出的光束前进的方向上，依次设有非球面镜[2]、第一入射光阑[3]、第二入射光阑[4]、出射光阑[7]和光陷阱[8]，与光路垂直方向上设置球面反射镜[6]、光阑[9]、光电探测器[10]，光敏感区[5]和光电探测器[10]光敏面的位置分别位于该球面反射镜[6]球心的两侧，并满足几何光学的物像关系，光阑[9]置于光电探测器[10]的前面，采样气路由采样气嘴[13]、出气嘴[14]组成，两者相对于光敏感区[5]对称设置；其特征在于光源[1]采用大于等于100mW的大功率半导体激光光源，光阑[9]的视窗和光电探测器[10]的尺寸相同，增益可调前置放大电路[11]置于光电探测器[10]后面的外壳上；光电探测器[10]采用高灵敏度光电二极管。
2. 根据权利要求1所述的大流量全半导体新型尘埃粒子计数器的光学传感器，其特征 在于光源[1]发出的激光光束经过非球面镜[2]聚焦，会聚在光敏区[5]中心。
3. 根据权利要求1所述的大流量全半导体新型尘埃粒子计数器的光学传感器，其特征 在于第一入射光阑[3]、第二入射光阑[4]放置于光敏区[5]的前面，出射光阑[7]放置 于光敏区[5]的后面。
4. 根据权利要求1所述的大流量全半导体新型尘埃粒子计数器的光学传感器，其特征 在于光阑[9]为喇叭口式遮挡光阑，光电探测器[10]与光敏区[5]之间的距离为2-5毫 米。
5. 根据权利要求1所述的大流量全半导体新型尘埃粒子计数器的光学传感器，其特征 在于气路中的采样气嘴[13]、出气嘴[14]为有水平过渡的扁平气嘴。
全文摘要
本发明公开了一种大流量全半导体新型尘埃粒子计数器的光学传感器，在半导体激光光源发出的光束前进的方向上，依次设有非球面镜、入射光阑、出射光阑和光陷阱，与光路垂直方向上设置球面反射镜、光阑、光电探测器，光敏感区和光电探测器光敏面的位置分别位于该球面反射镜球心的两侧，并满足几何光学的物像关系，光源采用大功率半导体激光光源，光电探测器采用光电二极管，增益可调前置放大电路置于光电探测器后面的外壳上。本发明提高了计数效率，增加了仪器的计数效率和粒径分辨率；仪器使用寿命长，仪器间互换性好；并且功耗低，价格低廉，体积小利于整机的微型化发展。
文档编号G01N15/14GK101793669SQ20101010779
公开日2010年8月4日 申请日期2010年2月9日 优先权日2010年2月9日
发明者严伟, 卞保民, 王春勇, 闫振纲 申请人:南京理工大学