一种颗粒计数方法及系统与流程

本发明属于颗粒物光学检测领域，具体涉及一种颗粒计数方法及系统。

背景技术：

光学颗粒计数器及系统是目前大部分工业控制颗粒污染的主要检测工具。从检测颗粒物粒径来分主要是5μm、2μm、1μm、0.5μm、0.2μm、0.1μm、0.05μm甚至于更小的纳米级颗粒物。

目前光学颗粒计数器及系统通过液相检测微米级颗粒(2um以上)是基于光阻法原理。如图1和图2所示，现有的光阻法颗粒计数器，包括光源201、光学组件202、流通池203、光电探测器204、前置放大器205、比较器206和计数器207。其借助于光学组件202(包括凸透镜、柱面镜等)，将光源201产生的圆光斑转变为线光斑，照射在流通池203内的流通通道208，从而形成一条线状检测区域210，进而当颗粒200经过检测区域时，将产生散射光照射在光电探测器204上，产生幅度及脉宽大小不等的电流脉冲信号211、212，然后经过前置放大器205将电流脉冲信号转换为电压脉冲信号，再经过比较器206，将电压脉冲信号转换为数字信号213、214进入计数器207，计数器207按脉冲信号的幅度甄别计数。

图3示出了现有的以光阻法为原理的颗粒计数系统获取的经过流通池203内检测区域210的颗粒物散射产生的脉冲信号，直观表明了以光阻法颗粒计数器系统中颗粒检测过程中光信号到电信号的转换过程。

现有的光阻法颗粒计数器是将光源发出的光经过光学组件变换为线光源，其主要目的是使光源在检测区域的分布均匀，进而保证检测的灵敏度及分辨率。但现有的这种光学颗粒计数器及系统的光学结构比较复杂，光源利用率低，仅能利用光源中被光学模组变换后的部分光束。

而光学颗粒计数器及系统在检测亚微米级及纳米级颗粒(1μm以下)是基于光散射原理，一般采用圆光斑，其主要目的在于提高光源的利用率，增大颗粒散射光强，提高系统的灵敏度。但是由于光源光斑的光密度分布不均匀导致系统颗粒的分辨率及灵敏度大大降低，严重影响系统的测试精度。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种通用性强，能够实现高分辨率及灵敏度的颗粒计数方法。

另一目的是提供一种光路结构简单，能够实现高分辨率及灵敏度的的颗粒计数系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用的一种技术方案是：一种颗粒计数方法，包括：

s1)生成用于检测颗粒物的光通道；

s2)获取与通过光通道的颗粒物散射的光信号对应的脉冲信号；

s3)根据脉冲信号获取颗粒物通过光通道的路径中与光通道中心最近的位置和光通道中心之间的距离；

s4)根据光通道的光密度分布对颗粒物通过光通道的路径中与光通道中心最近的位置时的脉冲信号的幅度补偿，使该颗粒物补偿后的脉冲信号幅度和与其粒径相同的颗粒物通过光通道中心时的脉冲信号幅度相等；

s5)根据补偿后的脉冲信号幅度对颗粒物进行甄别计数，实现各粒径的颗粒物的计数。

具体的，所述光通道垂直于颗粒物流通的通道，所述光通道的光密度在垂直于颗粒物流通的通道的平面上呈正态分布。

具体的，所述脉冲信号为电压脉冲信号。

进一步的，所述s3)包括：

所述电压脉冲信号的脉宽跟颗粒物通过光通道的时间相关，根据电压脉冲信号的脉宽计算获取颗粒物通过光通道的流通时间；

根据颗粒物的流速和所述流通时间计算获取颗粒物流经光通道的流通路径；

所述流通路径中与光通道中心最近的位置为第一位置，计算获取第一位置和光通道中心之间的第一距离。

进一步的，所述s4)包括：

所述颗粒物在所述第一位置时的脉冲电压幅度为第一脉冲电压幅度，所述颗粒物在所述第一位置时补偿后的脉冲电压幅度为补偿脉冲电压幅度，根据所述第一距离和光密度分布函数计算获取所述第一脉冲电压幅度需要补偿的补偿系数；

根据补偿系数获取颗粒物的补偿脉冲电压幅度。

一种颗粒计数系统，包括：

光源模块，所述光源模块用于生成检测颗粒物的光束；

流通池模块，所述流通池模块上具有供颗粒物流通的流通通道，所述光束照射在流通通道上并在流通通道上形成用于检测颗粒物的光通道；

光信号收集及处理模块，光信号收集及处理模块用于获取颗粒物经过光通道形成的散射光信号、将散射光信号转换为对应的脉冲信号、对脉冲信号补偿并进行甄别计数。

进一步的，所述光源模块包括用于生成激光光束的半导体激光器，所述激光光束照射在所述流通通道上并在流通通道上形成垂直于流通通道的光通道。

进一步的，所述光源模块还包括设置在半导体激光器与流通池模块之间的准直透镜，所述激光光束经所述准直透镜准直后照射在流通通道上并在流通通道上形成圆柱形光通道，所述光通道的光密度呈正态分布。

具体的，所述光信号收集及处理模块包括依次连接的光电探测器、前置放大器、ad采样单元和微控制单元，

所述光电探测器用于将颗粒物散射的光信号转换为电流脉冲信号；

所述前置放大器用于将电流脉冲信号转换为电压脉冲信号；

所述ad采样单元用于将电压脉冲信号转换为数字信号；

所述微控制单元用于对数字信号进行补偿并甄别计数。

进一步的，所述光电探测器具有光电二极管或光电倍增管。

以上所涉及到的前后左右上下等方位词，是在所述颗粒计数系统的正常使用时的方位作定义的。

本发明的范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案等。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：对任意角度进入光通道的颗粒物进行光密度补偿，使其与通过光通道中心处获得的光密度等效，保证与颗粒物对应的脉冲信号仅与颗粒物的粒径相关，进而能够根据脉冲信号对不同粒径的颗粒物甄别计数。本发明所述的颗粒计数方法通用性强，对光源的利用率高，大大提高了检测的灵敏度和分辨率。本发明所述的颗粒计数系统光路结构简单，无需通过复杂的光路使光通道的光密度均匀分布，降低了流通池的加工难度。

附图说明

图1为现有的颗粒计数系统的结构示意图；

图2为现有的颗粒计数系统中流通池上形成的光斑示意图；

图3为现有的颗粒计数系统信号转换示意图；

图4为本发明颗粒计数系统的结构示意图；

图5为本发明的颗粒计数系统中流通池上形成的光斑示意图；

图6为本发明的颗粒计数系统形成的光通道的光密度分布示意图；

其中：1、光源模块；2、流通池模块；3、光信号收集及处理模块；21、流通通道；31、光电探测器；32、前置放大器；33、ad采样单元；34、微控制单元；101、光通道；102、第一位置；103、光密度分布曲线。

具体实施方式

如图4至图6所示，本发明所述的一种颗粒计数系统，包括：

光源模块1，所述光源模块1用于生成检测颗粒物100的光束；

流通池模块2，所述流通池模块2上具有供颗粒物100流通的流通通道21，所述光束照射在流通通道21上并在流通通道21上形成用于检测颗粒物100的光通道101；

光信号收集及处理模块3，光信号收集及处理模块3用于获取颗粒物100经过光通道101形成的散射光信号、将散射光信号转换为对应的脉冲信号、对脉冲信号补偿并进行甄别计数。

本实施例中，所述光源模块1包括用于生成激光光束的半导体激光器和设置在半导体激光器与流通池模块2之间的准直透镜。所述激光光束经所述准直透镜准直后照射在流通通道21上并在流通通道21上形成垂直于流通通道21的圆柱形的光通道101。所述光通道101的光密度呈正态分布。

所述光信号收集及处理模块3包括依次连接的光电探测器31、前置放大器32、ad采样单元33和微控制单元34。所述光电探测器31用于将颗粒物100散射的光信号转换为电流脉冲信号，本实施例中，所述光电探测器31具有光电二极管或光电倍增管。所述前置放大器32用于将电流脉冲信号转换为电压脉冲信号。所述ad采样单元33用于将电压脉冲信号转换为数字信号。所述微控制单元34用于对数字信号进行补偿并甄别计数。

采用本发明所述的颗粒物计数系统进行颗粒物计数的方法如下所述：

一种颗粒计数方法，包括：

s1)打开光源模块1在所述流通通道21上生成用于检测颗粒物100的光通道101，所述光通道101垂直于颗粒物100流通的通道，所述光通道101的光密度在垂直于颗粒物100流通的通道的平面上呈正态分布，光密度分布曲线103如图6所示。光密度分布函数为：

其中，w0为光通道101在其中心处的光密度，ρ，k为对应系数，r为距离光通道101中心的距离。

s2)获取与通过光通道101的颗粒物100散射的光信号对应的电压脉冲信号，具体地说，

s21)通过光电探测器31获取颗粒物100散射的光信号并转换为电流脉冲信号；

s22)通过前置放大器32将电流脉冲信号转换为电压脉冲信号；

s23)通过ad采样单元33将电压脉冲信号转换为数字信号。

s3)在微控制单元34中，根据电压脉冲信号获取颗粒物100通过光通道101的路径中与光通道101中心最近的位置和光通道101中心之间的距离，具体地说，

s31)所述电压脉冲信号的脉宽跟颗粒物100通过光通道101的时间相关，根据电压脉冲信号的脉宽计算获取颗粒物100通过光通道101的流通时间，当颗粒物100以速度v0经过光通道101，其产生的电压脉冲宽度即流通时间为t0，

s32)根据颗粒物100的速度v0和所述流通时间t0计算获取颗粒物100流经光通道101的流通路径长度为：

l1＝v0×t0(2)

s33)所述流通路径中与光通道101中心最近的位置为第一位置102，计算获取第一位置102和光通道101中心之间的第一距离r1，由于光通道101在垂直于流通通道21的平面上呈圆形，其半径为r，

那么，

s4)根据光通道101的光密度分布曲线103对颗粒物100通过光通道101的路径中与光通道101中心最近的位置时的脉冲信号的幅度补偿，使该颗粒物100补偿后的脉冲信号幅度和与其粒径相同的颗粒物100通过光通道101中心时的脉冲信号幅度相等，具体地说：

s41)所述颗粒物100在所述第一位置102时的颗粒计数系统可测得的脉冲电压幅度为第一脉冲电压幅度v1，且

v1＝mg×φ1＝mg×s1×i1(4)，

其中，mg为光信号收集及处理模块3的中前置放大器31的放大系数与光电探测器31光电转换效率的乘积，φ1为颗粒物100经过第一位置102处产生的光通量，s1为颗粒物100产生散射光的等效面积，i1为第一位置102处的光密度，颗粒物100经过光通道中心的中心脉冲电压幅度v0为：

v0＝mg×φ0＝mg×s1×i0＝mg×s1×ρ×w0(5)。

s42)所述颗粒物100在所述第一位置102时补偿后的脉冲电压幅度为补偿脉冲电压幅度，根据所述第一距离和光密度分布函数计算获取所述第一脉冲电压幅度需要补偿的补偿系数f，

s43)根据补偿系数f获取颗粒物100的补偿脉冲电压幅度v为：

s5)根据补偿后的脉冲信号幅度v对颗粒物100进行甄别计数，实现各粒径的颗粒物100的计数。

经过补偿，颗粒物100以任何角度进入光通道101均可保证其能得到等效的与通过光通道101中心相同的光密度，大大提升颗粒计数系统的灵敏度及激光器光束的利用率。

所述颗粒计数方法不需要复杂光路结构，利用光源模块1的光密度分布函数，通过对颗粒经过光通道101的时间t0的检测来实现对光散射信号的补偿，以达到同粒径的颗粒以任意位置经过光通道101均能产生同样幅度的可检测信号，保证与颗粒物100对应的获取的脉冲信号仅与颗粒物100的粒径相关，进而能够根据脉冲信号对不同粒径的颗粒物甄别计数。

所述的颗粒计数系统的光路结构简单，大大提升了检测灵敏度及分辨率，适合气相及液相不溶性颗粒的检测，降低流通池模块2的加工难度，提高光源模块1的利用率。

如上所述，我们完全按照本发明的宗旨进行了说明，但本发明并非局限于上述实施例和实施方法。相关技术领域的从业者可在本发明的技术思想许可的范围内进行不同的变化及实施。