一种LED光源颗粒物计数传感器的制作方法

本发明属于光学领域，涉及一种led光源颗粒物计数传感器领域。

背景技术

随着现代化工业电子产品智能化程度的提高，光电检测技术以其精确度高、适用范围广等优点在过程控制系统中占有及其重要的地位。激光光源颗粒物传感器是基于光学粒子计数器原理测量单粒子散射的光，通过此方法测量颗粒物的大小和数量从而确定测量颗粒物的质量浓度。激光光源颗粒物传感器光源采用激光器，因其激光准直性好，所以容易聚焦且聚焦焦点小(百微米级)，再者激光聚焦后能量密度大，单个颗粒可以在焦点处发生强散射，散射光容易被后端探测电路探测到，测量出颗粒物的大小和数量，获得的分辨率高，通常精度能达到±10％。

尽管激光光源颗粒物传感器有诸多优点，但其成本高，衰减快，使用寿命短，限制了其使用范围。为此，本发明提供一种led光源颗粒物计数传感器。

现在技术中激光光源颗粒物传感器很多，如申请日为2009年02月26日、申请号为200920083852.6、名称为“激光浓度传感器”的中国专利文件，该专利文件其特征是：所述激光浓度传感器由光学探头、电源、激光光源、放大电路一体化集成模块、光纤和通信电缆组成，激光光源及电路的输出端经过导入光纤连接到环状激光浓度传感器光学探头的激光光源入射腔，环状激光浓度传感器光学探头上还安装有多个光电探测器，光电探测器各自通过信号电缆连接到信号处理电路。利用激光光源强度大，方向性好，并且不受物质成分变化和颗粒大小的影响的优势，大大提高了检测的精度、稳定性和数据的重复性。可用于矿浆浓度检测，纸浆浓度检测、水质检测和粉尘监控多个领域，尤其适用于高精度浓度控制领域。

由上分析，可知现有技术的激光光源颗粒物传感器存在以下特点和缺点：

1、成本高。激光传感器器一般制作物料的成本较高，级别高的激光传感器的物料成本更高。

2、应用范围受到限制。激光的产生装置相对比较复杂且体积相对比较大，因此会对激光传感器的应用范围要求较苛刻。

3、衰减快，使用寿命短。根据物料的不同，使用寿命也不同，一般是2万小时到5万小时不等，级别高的激光传感器可以做到10万小时，但是价格昂贵。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供led光源颗粒物计数传感器，以至少解决现有技术中的颗粒物计数传感器成本高，衰减快，使用寿命短的技术问题；同时能解决现有技术中颗粒物计数传感器应用范围受到限制的技术问题。

为了解决上述问题，本发明提供一种led光源颗粒物计数传感器，其技术方案如下：

一种led光源颗粒物计数传感器，包括led光源，用于提供光源能量；第一聚焦透镜，所述第一聚焦透镜位于所述led光源的后方，所述led光源发出的第一光束穿过所述第一聚焦透镜后形成第二光束；聚焦区域，即所述第二光束聚焦后的光斑面积；探测区域，所述探测区域位于所述聚焦区域上；第二聚焦透镜，所述第二聚焦透镜位于所述探测区域的下方，所述探测区域聚焦的第三光束穿过所述第二聚焦透镜后形成第四光束；光电探测器，所述光电探测器用于接收穿过第二聚焦透镜后形成的第四光束，所述光电探测器用于完成对单个粒子的探测与识别；在所述led光源、第一聚焦透镜与聚焦区域之间形成光源发射光路系统；在所述探测区域、第二聚焦透镜与光电探测器之间形成光源探测光路系统。

如上述的led光源颗粒物计数传感器，进一步优选为：所述光源探测光路系统还包括光阑，所述光阑位于所述第二聚焦透镜和所述光电探测器之间，所述第四光束穿过所述光阑后形成第五光束，所述光电探测器接收穿过所述光阑后形成的所述第五光束。

如上述的led光源颗粒物计数传感器，进一步优选为：光阑为视场光阑。

如上述的led光源颗粒物计数传感器，进一步优选为：所述视场光阑对所述第四光束的成像范围起限制作用。

如上述的led光源颗粒物计数传感器，进一步优选为：所述聚焦区域的光斑面积大于所述探测区域的光斑面积。

如上述的led光源颗粒物计数传感器，进一步优选为：所述第一聚焦透镜为双凸透镜。

如上述的led光源颗粒物计数传感器，进一步优选为：所述第二聚焦透镜为双凸透镜。

如上述的led光源颗粒物计数传感器，进一步优选为：还包括光电放大电路，所述光电放大电路与所述光电探测器连接。

如上述的led光源颗粒物计数传感器，进一步优选为：所述第一聚焦透镜与所述第二聚焦透镜为垂直设置。

分析可知，本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

一、本发明提供的led光源颗粒物计数传感器包括壳体，所述壳体内安装光学组件和光电放大电路，所述光学组件与所述光电放大电路连接；所述光学组件包括光源发射光路系统和光源探测光路系统；本发明提供的led光源颗粒物计数传感器仍然使用光学粒子计数器的原理测量单粒子散射的光，通过此方法测量颗粒物的大小和数量从而确定测量颗粒物的质量浓度，使得本发明的测量精确度高；同时本发明的光源采用led光源，有效的降低了物料成本；再者现有技术的led光源具有良好的环境稳定性和可靠性，本发明的光源采用led光源延长了传感器的使用寿命和提高了传感器的可靠性；综合来说，本发明在能够保证其测量精确度的同时，又有效的降低了物料成本，延长了传感器的使用寿命和提高了传感器的可靠性。

二、本发明的光源发射光路系统包括第一聚焦透镜。由于led光源能量弱，光源的探测面积大，经过颗粒物反射后采集的信号更弱，光信号在探测区域单位面积的光能量密度较低，以至于信号采集部分的响应范围导致测量范围小。为尽可能的增大led光在探测区的能量密度，在led光源发射光路上配置第一聚焦透镜；同时经过第一聚焦透镜聚焦后的聚焦区域的光斑面积较大，为后续的光源探测光路系统的散射光探测提供了更高的增益及灵敏度。

三、本发明的光源探测光路系统包括第二聚焦透镜。由于led光源本身的性质使得经过第一聚焦透镜聚焦后的光斑面积(直径在1mm)，较激光聚焦后的光斑面积(直径在百微米)大，有多个颗粒同时在探测区域的概率大大增加，本发明为了使光源探测光路系统更为准确的识别颗粒物的数量及大小分布，在光源探测光路系统中设置了第二聚焦透镜，从而保证本发明传感器的精确度。

四、本发明加入了调节探测区域光斑面积大小的光阑。本发明的光源探测光路系统中加入了光阑，所述光阑位于所述第二聚焦透镜和所述光电探测器之间，所述第四光束穿过所述光阑后形成第五光束；本发明的光阑为视场光阑，视场光阑对所述第四光束的成像范围起限制作用；本发明采用在第二聚焦透镜和光电探测器之间加入视场光阑的方法来限制第四光束的成像范围，从而调节探测区域光斑面积的大小，进一步保证探测区域绝大部分时刻只有一个粒子在此区域内，从而可以完成对单个粒子的探测与识别，保证了本发明传感器的精确度。

五、本发明的第一聚焦透镜和第二聚焦透镜都为双凸透镜，在增大led光在探测区的能量密度同时，本发明无光源偏振影响颗粒物粒径识别。

附图说明

图1为本发明的led光源颗粒物计数传感器的结构示意图。

图中：1-led光源；2-第一聚焦透镜；3-聚焦区域；4-探测区域；5-第二聚焦透镜；6-光阑；7-光电探测器；8-光电放大电路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明优选实施例的led光源颗粒物计数传感器主要包括壳体，所述壳体内安装光学组件和光电放大电路8，所述光学组件与所述光电放大电路8连接；所述光学组件包括光源发射光路系统和光源探测光路系统；led光源1，用于提供光源能量；第一聚焦透镜2，所述第一聚焦透镜2位于所述led光源1的后方，所述led光源1发出的第一光束穿过第一聚焦透镜2后形成第二光束；聚焦区域3，即所述第二光束聚焦后的光斑面积；探测区域4，所述探测区域4位于所述聚焦区域3上；第二聚焦透镜5，所述第二聚焦透镜5位于所述探测区域4的下方，所述探测区域4聚焦的第三光束穿过第二聚焦透镜5后形成第四光束；光电探测器7，所述光电探测器7用于接收穿过第二聚焦透镜5后形成的第四光束，所述光电探测器7用于完成对单个粒子的探测与识别；在所述led光源1、第一聚焦透镜2与聚焦区域3之间形成光源发射光路系统；在所述探测区域4、第二聚焦透镜5与光电探测器7之间形成光源探测光路系统。

总而言之，本发明提供的led光源颗粒物计数传感器仍然使用光学粒子计数器的原理测量单粒子散射的光，通过此方法测量颗粒物的大小和数量从而确定测量颗粒物的质量浓度，使得本发明的测量精确度高；同时本发明的光源采用led光源1，有效的降低了物料成本；再者现有技术的led光源1具有良好的环境稳定性和可靠性，本发明的光源采用led光源1延长了传感器的使用寿命和提高了传感器的可靠性；综合来说，本发明在能够保证其测量精确度的同时，又有效的降低了物料成本，延长了传感器的使用寿命和提高了传感器的可靠性。

为了增大led光在探测区的能量密度，如图1所示，本发明的光源发射光路系统包括第一聚焦透镜2、led光源1和聚焦区域3，所述第一聚焦透镜2位于所述led光源1的后方，led光源1用于提供光源能量，所述led光源1发出的第一光束穿过第一聚焦透镜2后形成第二光束，第二光束聚焦后的光斑面积即为聚焦区域3。

为了保证本发明传感器的精确度，如图1所示，本发明的光源探测光路系统包括第二聚焦透镜5、探测区域4和光电探测器7，所述探测区域4位于所述聚焦区域3上，所述第二聚焦透镜5位于所述探测区域4的下方，所述探测区域4聚焦的第三光束穿过第二聚焦透镜5后形成第四光束；光电探测器7，所述光电探测7器用于接收穿过第二聚焦透镜5后形成的第四光束。

为了进一步保证本发明传感器的精确度，如图1所示，本发明的光源探测光路系统还包括光阑6，所述光阑6位于所述第二聚焦透镜5和所述光电探测器7之间，所述第四光束穿过所述光阑6后形成第五光束，所述光电探测器7接收的为穿过所述光阑6后形成的第五光束，在本发明中，所述光电探测器7接收的始终为最后的光束，在没有设置光阑6时，所述光电探测器7接收的为穿过第二聚焦透镜5后形成的第四光束，在设置光阑6时，所述光电探测器7接收的为穿过所述光阑6后形成第五光束。

为了让光阑6起到间接调节探测区域4大小的作用，本发明的光阑6为视场光阑，视场光阑对所述第四光束的成像范围起限制作用，从而间接调节探测区域4的大小，因此，本发明的聚焦区域3的光斑面积大于所述探测区域4的光斑面积。

如图1所示，本发明还包括光电放大电路8，且光电放大电路8与光电探测器7连接。

为了在增大led光在探测区域4的能量密度同时，保证本发明无光源偏振影响颗粒物粒径识别，本发明的第一聚焦透镜2和第二聚焦透镜5都为双凸透镜，且第一聚焦透镜2与第二聚焦透镜5为垂直设置。

如图1所示，下面以检测液体中的颗粒物为例对本发明的工作过程进行详细说明：

步骤一，按照设计要求将发明的led光源颗粒物计数传感器组装完毕，准备待测液体，接通电源；

步骤二，led光源1照射待测液体，led光源1发出的第一光束穿过第一聚焦透镜2后形成第二光束，聚焦区域3聚焦的第三光束穿过第二聚焦透镜5后形成第四光束，第四光束穿过所述光阑6后形成第五光束，经过光阑6调节，缩小后的探测区域4保证绝大部分时刻只有一个粒子在此区域内，从而可以完成对待测液体的单个粒子的探测与识别，得到测量颗粒物的大小和数量；

步骤三、光电探测器7与光电放大电路8相连，光电放大电路8由测量颗粒物的大小和数量确定测量颗粒物的质量浓度，本发明可达到10¹²的增益。

分析可知，本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

一、本发明提供的led光源颗粒物计数传感器包括壳体，所述壳体内安装光学组件和光电放大电路8，所述光学组件与所述光电放大电路8连接；所述光学组件包括光源发射光路系统和光源探测光路系统；本发明提供的led光源颗粒物计数传感器仍然使用光学粒子计数器的原理测量单粒子散射的光，通过此方法测量颗粒物的大小和数量从而确定测量颗粒物的质量浓度，使得本发明的测量精确度高；同时本发明的光源采用led光源1，有效的降低了物料成本；再者现有技术的led光源1具有良好的环境稳定性和可靠性，本发明的光源采用led光源1延长了传感器的使用寿命和提高了传感器的可靠性；综合来说，本发明在能够保证其测量精确度的同时，又有效的降低了物料成本，延长了传感器的使用寿命和提高了传感器的可靠性。

二、本发明的光源发射光路系统包括第一聚焦透镜2。由于led光源1能量弱，光源的探测面积大，经过颗粒物反射后采集的信号更弱，光信号在探测区域4单位面积的光能量密度较低，以至于信号采集部分的响应范围导致测量范围小。为尽可能的增大led光在探测区域4的能量密度，在led光源1发射光路上配置第一聚焦透镜2；同时经过第一聚焦透镜2聚焦后的聚焦区域3的光斑面积较大，为后续的光源探测光路系统的散射光探测提供了更高的增益及灵敏度。

三、本发明的光源探测光路系统包括第二聚焦透镜5。由于led光源1本身的性质使得经过第一聚焦透镜2聚焦后的光斑面积(直径在1mm)，较激光聚焦后的光斑面积(直径在百微米)大，有多个颗粒同时在探测区域4的概率大大增加，本发明为了使光源探测光路系统更为准确的识别颗粒物的数量及大小分布，在光源探测光路系统中设置了第二聚焦透镜5，从而保证本发明传感器的精确度。

四、本发明加入了调节探测区域光斑面积大小的光阑6。本发明的光源探测光路系统中加入了光阑6，所述光阑6位于所述第二聚焦透镜5和所述光电探测器7之间，所述第四光束穿过所述光阑6后形成第五光束；本发明的光阑6为视场光阑，视场光阑对所述第四光束的成像范围起限制作用；本发明采用在第二聚焦透镜5和光电探测器7之间加入视场光阑的方法来限制第四光束的成像范围，从而调节探测区域4光斑面积的大小，进一步保证探测区域4绝大部分时刻只有一个粒子在此区域内，从而可以完成对单个粒子的探测与识别，保证了本发明传感器的精确度。

五、本发明的第一聚焦透镜2和第二聚焦透镜5都为双凸透镜，在增大led光在探测区域4的能量密度同时，本发明无光源偏振影响颗粒物粒径识别。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。