一种低光底噪大流量尘埃粒子计数器光学传感器的制作方法

本发明用于食、药品等洁净厂房环境洁净度监测仪器
技术领域：
，特别是涉及一种低光底噪大流量尘埃粒子计数器光学传感器。
背景技术：
：激光尘埃粒子计数器是食、药品等洁净厂房环境中尘埃粒子数目浓度及粒径大小监测的重要仪器，它是根据米氏散射的原理设计而成。其构成通常包括光学系统，气路系统和信号处理电路系统三大块，光学系统则由激光照明模块、散射光收集模块和消光模块组成；而气路系统通常是由进气采样管和出气管构成；信号处理电路系统是由前置放大电路和主控板控制电路两大模块组成。工作时，气泵开启，气流稳定地流过光敏区，当粒子穿越光敏区时，激光入射粒子产生散射光，一定角度范围的粒子散射光由球面反射镜收集到正上方的光电二极管上，再经过光电转换，将散射光信号转换成电信号，再通过前置放大器进行小信号放大，然后送入到后续的主控板电路进行分析处理，经过电路比较、甄别后得到不同粒径档的粒子数。现有的尘埃粒子计数器消光光路一般比较简单，通常是直入射的锥形光阱腔，由于受机械加工工艺条件的限制，锥形光阱腔底部无法加工成一个点，至少是保留1～2mm的圆面，大功率的激光照射到圆面上，经圆面反射，光线重新回到光敏区形成杂散光。另外，现有的尘埃粒子计数器粒子散射系统往往只考虑物像距公式，而对均匀光敏区不同区域立体角度变化对粒子散射系数所带来的影响未加理论分析，如此所设计出来的球面反射镜难以保证拥有较高的分辨率。在实际的应用中，由于受此类光阱腔的工艺局限性的影响，较小颗粒的散射信号可能与噪声混合难以区分，进而影响到计数器对更小粒径粒子的探测，这种光阱腔的光学传感器信噪比一般都会比较大；粒子散射系统由于缺乏对光敏区边缘立体角变化所引起的散射系数变化进行理论分析，设计出来的光学传感器的粒径分辨率一般也不高。技术实现要素：为解决上述问题，本发明提供一种信噪比更高，检测粒径更低的低光底噪大流量尘埃粒子计数器光学传感器。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种低光底噪大流量尘埃粒子计数器光学传感器，包括激光照明系统、粒子散射系统、消光系统和气路系统，所述激光照明系统和消光系统之间形成光敏区，所述粒子散射系统包括沿主光轴一侧的第一反射镜和沿主光轴另一侧的光电二极管，所述气路系统包括进气采样管和出气管，进气采样管和出气管方向垂直于粒子散射系统，并沿主光轴两侧分布，所述消光系统包括设在所述激光照明系统主光轴上的导光管、设在所述导光管末端管口一侧并与导光管轴线互成夹角的锥形腔以及可将导光管内的光线反射至锥形腔内的第二反射镜。进一步作为本发明技术方案的改进，所述导光管为末端具有倾斜端面的楔形管，所述第二反射镜为设在所述倾斜端面后方的平面反射镜。进一步作为本发明技术方案的改进，所述导光管的轴线与激光照明系统的主光轴重合，锥形腔的轴线与导光管的轴线垂直，形成垂直式结构，所述平面反射镜法线与锥形腔轴线、导光管轴线所呈角度皆为45°。进一步作为本发明技术方案的改进，导光管和锥形腔内外表面均涂覆黑色吸光材料，平面反射镜采用玻璃表面镀银膜，反射率达到90%以上。进一步作为本发明技术方案的改进，平面反射镜能够绕垂直于纸面方向且位于锥形腔的轴线与导光管的轴线交汇处的旋转轴线旋转，且位置调好后能够固定。进一步作为本发明技术方案的改进，平面反射镜绕垂直于纸面的方向旋转的角度为5.0°～10.0°。进一步作为本发明技术方案的改进，导光管的轴线与锥形腔的轴线交点正好落在平面反射镜前表面上。进一步作为本发明技术方案的改进，所述第一反射镜为球面反射镜，球面反射镜与光电二极管位置相对于光敏区中心满足傍轴条件下反射球面成像的物像距公式，球面反射镜利用几何建模与MIST散射计算软件相结合设计而成，使粒子从光敏区边缘与中心穿越时光电二极管接收到的信号强度偏差在20%以内。进一步作为本发明技术方案的改进，球面反射镜内表面采用玻璃表面镀银膜，内表面光洁度达到60—40，反射率达到90%以上。进一步作为本发明技术方案的改进，所述激光照明系统包括依次设置的半导体激光二极管、平凸透镜和柱面镜，所述平凸透镜与柱面镜之间加有消杂散光光阑及黑色密封圈。本发明的有益效果：本发明的消光系统采用导光管、第二反射镜和锥形腔的结构形式，激光照明系统穿越光敏区的激光全部进入导光管中，部分激光被导光管吸收，其余的激光被第二反射镜反到锥形腔中，经锥形腔的多次反射吸收，少部分未被锥形腔吸收的激光，经第二反射镜反射不再直接通过导光管而回到光敏区，而是反射到其它的光阱腔空间中，如此几乎所有进入到消光系统中的激光都不能够重新回到光敏区，这样大大地降低了光学传感器的光底噪，提高了传感器的信噪比，能够实现对更小粒径粒子的检测。附图说明下面结合附图对本发明作进一步说明：图1是本发明光路示意图；图2是本发明倾斜仰视图；图3是本发明倾斜俯视图；图4是本发明消光系统示意图；图5是本发明在zemax设计中导光管和锥形腔内壁设置为mirror材料时的光路图（消光系统无激光返回光敏区）；图6是本发明球面反射镜各参数示意图。具体实施方式参照图1至图6，其显示出了本发明之较佳实施例的具体结构。以下将详细说明本发明各部件的结构特点，而如果有描述到方向(上、下、左、右、前及后)时，是以图1所示的结构为参考描述，但本发明的实际使用方向并不局限于此。本发明提供了一种低光底噪大流量尘埃粒子计数器光学传感器，参见图1，包括激光照明系统、粒子散射系统、消光系统和气路系统，所述激光照明系统包括依次设置的半导体激光二极管11、平凸透镜12和柱面镜13，所述平凸透镜12与柱面镜13之间加有消杂散光光阑及黑色密封圈。所述激光照明系统和消光系统之间形成光敏区，功率为500mW的808nm半导体激二极管11发射激光，经平凸透镜12准直和柱面镜13会聚，在激光光路前端形成均匀光强和均匀厚度的光敏区。所述粒子散射系统包括沿主光轴一侧的第一反射镜21和沿主光轴另一侧的光电二极管22，所述气路系统包括进气采样管31和出气管32，进气采样管31和出气管32方向垂直于粒子散射系统，并沿主光轴两侧分布，泵工作时，气流以恒定的速度进入进气采样管31，通过光敏区后从出气管32中流出。当粒子穿越光敏区时，粒子的散射信号被第一反射镜21收集到光电二极管22处，再经光电转换，将信号传递到后续电路中处理。所述消光系统包括设在所述激光照明系统主光轴上的导光管41、设在所述导光管41末端管口一侧并与导光管轴线互成夹角的锥形腔42以及可将导光管41内的光线反射至锥形腔内的第二反射镜43。其中，所述导光管41为末端具有倾斜端面的楔形管，作为优选，28.3L光学传感器锲形管锲形角约76.0°，50.0L光学传感器锲形管锲形角约70.3°，所述第二反射镜43为设在所述倾斜端面后方的平面反射镜。穿越光敏区的激光全部进入到导光管41，到达第二反射镜43上，第二反射镜43将激光光束反射到锥形腔42中，经锥形腔42的多次反射、吸收，从锥形腔42中出来的激光不会直接被第二反射镜43反射回散射腔中，而是反射到被涂覆有黑色吸光材料的光阱腔壁上，锲形管锲形边缘同样能够抵挡部分从锥形腔42出射的激光，这种消光系统有利于降低大流量光学传感器的光噪声，从而提高传感器的信噪比和对微小粒子探测的能力。参见图2、图3，本发明安装在外壳内，外壳包括底座51、设在底座51上的中部罩壳52、设在所述中部罩壳52前侧的激光照明罩壳53和设在中部罩壳52后侧的消光罩壳54，所述激光照明系统设置于激光照明罩壳53内，消光系统设置于消光罩壳54内，中部罩壳52内部形成光敏区，粒子散射系统的第一反射镜21安装在中部罩壳52内的底座51上，光电二极管22安装在底座51正上方的中部罩壳52上，气路系统的进气采样管31和出气管32分别设在中部罩壳52前后两侧壳壁上。参见图4，所述导光管41通过法兰安装在消光罩壳54上，锥形腔42则通过螺纹连接到消光罩54上。作为本发明优选的实施方式，所述导光管41的轴线与激光照明系统的主光轴重合，锥形腔42的轴线与导光管41的轴线垂直，形成垂直式结构，所述平面反射镜法线与锥形腔42轴线、导光管41轴线所呈角度皆为45°。上述锥形腔42锥角存在某一临界值，超过或小于此临界值，从锥形腔42出射的激光经平面反射镜反射可直接进入散射系统中成为杂散光，其中28.3L的锥角临界值约50.0°，50.0L的锥角临界值约49.4°。当然此垂直式光阱结构不仅限于28.3L和50.0L的光学传感器，100.0L或更大流量的光学传感器也同样适用。而且，导光管41和锥形腔42内外表面均涂覆黑色吸光材料，平面反射镜采用BK7玻璃表面镀银膜，反射率达到90%以上。穿越光敏区的激光全部进入锲形管中，部分激光被表面涂覆吸光材料的锲形管吸收，其余的激光被平面反射镜反到锥形腔42中，经锥形腔42的多次反射吸收，少部分未被锥形腔42吸收的激光，经平面反射镜反射不再直接通过锲形管而回到光敏区，而是反射到其它的光阱腔空间中。参见图5，从光路图中，可以明显看到进入到消光系统中的激光，不再重新返回到粒子散射系统中。导光管41的轴线与锥形腔42的轴线交点正好落在平面反射镜前表面上。平面反射镜能够绕垂直于纸面方向且位于锥形腔42的轴线与导光管41的轴线交汇处的旋转轴线旋转，且位置调好后能够固定。平面反射镜绕垂直于纸面的方向旋转的角度为5.0°～10.0°。所述第一反射镜21为球面反射镜，球面反射镜与光电二极管22位置相对于光敏区中心满足傍轴条件下反射球面成像的物像距公式，球面反射镜利用几何建模与MIST散射计算软件相结合设计而成，使粒子从光敏区边缘与中心穿越时光电二极管接收到的信号强度偏差在20%以内，创新式的球面反射镜设计，保证了粒子从光敏区边缘与中心穿越时探测器接收到的信号强度偏差在20%以内，使得低光底噪大流量尘埃粒子计数器光学传感器的检测分辨率得到了很大的提高。参见图6，28.3L球面反射镜散射立体角半角β为65.0°，由正余弦公式算得的正偏角γ和负偏角α分别为2.8°和3.0°；50.0L球面反射镜散射立体角半角β为45.0°，由正余弦公式算得的正偏角γ和负偏角α分别为2.7°和3.0°。当然，几何建模与MIST散射计算软件相结合设计球面反射镜的方法不仅限于28.3L和50.0L的光学传感器，100.0L或更大流量的光学传感器也同样适用。通过MIST散射计算软件算出来的散射系数偏差值如以下列表所示：表128.3L光学传感器，β角为65.0°，不同粒径的散射系数及正负偏差百分比粒径（μm）光敏区中心的散射系数（散射角65.0°）正偏1.75mm（65.0°-2.8°）后的散射系数正偏后散射系数变化的百分比负偏1.75mm（65.0°+3.0°）后的散射系数负偏后散射系数变化的百分比0.30.00700.0061-12.86%0.008115.71%0.50.10160.0908-10.63%0.114913.09%1.00.45510.3923-13.80%0.543419.40%3.02.61212.3632-9.53%2.952313.02%5.04.69104.1815-10.86%5.395015.01%10.016.752414.7448-11.98%19.171114.44%表250.0L光学传感器，β角为45.0°，不同粒径的散射系数及正负偏差百分比粒径（μm）光敏区中心的散射系数（散射角45.0°）正偏5.00mm（45.0°-2.7°）后的散射系数正偏后散射系数变化的百分比负偏5.00mm（45.0°+3.0°）后的散射系数负偏后散射系数变化的百分比0.30.00200.0016-20.00%0.002525.00%0.50.03970.0345-13.10%0.046817.88%1.00.15810.1383-12.52%0.185617.39%3.01.30241.1735-9.90%1.451711.46%5.01.59561.3832-13.31%1.937321.42%10.06.09765.2229-14.34%7.306319.82%作为优选，球面反射镜内表面采用BK7玻璃表面镀银膜，内表面光洁度达到60—40，反射率达到90%以上。当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。当前第1页1 2 3