一种粒子计数传感器

技术领域

本发明涉及粒子计数器相关技术领域，更准确的说涉及一种粒子计数传感器。

背景技术

粒子计数传感器一般由光源、光学模组、气路模组、光电探测器等组成，光源发出的光束经光学模组后形成均匀的光场，气路模组输送待检测气流穿过光场形成光工作区，气流中的粒子被照射后发出散射光，散射光被设置于光工作区一侧的光电探测器接收后转化为光电流，光电流通过放大处理电路转化为电压脉冲信号，通过比较不同的电压脉冲信号可以分辨出粒子粒径的大小。光电探测器接收到的散射光越多，对粒子分辨的准确性越高。现有光电探测器的设置方式导致其仅能接收所在方向上投射的散射光。为了使光电探测器接收到更多的散射光，现有技术中一般在光工作区与光电探测器相对的一侧设置半球面镜，通过半球面镜收散射光并反射至光探测器。采用这种方式仍有部分散射光无法被收集，且由于激光的发散角，光束即使被整形后，光束传播过程中难免会存在影响粒子计数器准确计数和分辨粒子的杂散光，杂散光被光电探测器接收后影响粒子粒径分辨以及粒子的准确计数。

可见，本领域需要对粒子计数传感器的散射光接收结构进行改进，以增加光电探测器的散射光收集量，同时减少杂散光的影响。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种粒子计数传感器，对其中的散射光接收结构进行改进，以增加光电探测器对散射光的收集量。

为了达到上述目的，本发明提供一种粒子计数传感器，包括发出光束的光源，用于驱动待测气流流通的气路组件，光束与气流交叉形成光工作区，还包括光电探测器、散射光收集组件；环绕所述光束，所述散射光收集组件包括分别设置在所述光工作区相对两侧的第一散射光收集结构和第二散射光收集结构；所述第二散射光收集结构、所述光工作区、所述第一散射光收集结构、所述光电探测器依次设置；所述第一散射光收集结构内部具有光反射面，所述光反射面围设形成第一反射腔；所述第一散射光收集结构开设有所述第一反射腔与外部连通的第一进光口和第一出光口，所述第一进光口朝向所述光工作区，所述第一出光口与所述光电探测器结合设置；所述第二散射光收集结构具有朝向所述光工作区的第三反射面，所述第三反射面至少部分区域的光反射经所述第一进光口进入所述第一反射腔。

优选地，所述第二散射光收集结构包括背向所述光工作区的第四反射面以及朝向光工作区的第二进光口，所述第三反射面与所述第四反射面结合形成第二反射腔，第三反射面与第四反射面为第二散射光收集的内部表面。

优选地，所述第一进光口与所述第二进光口分设光工作区两侧，且沿第一进光口最大正投影面积的投影线方向，第一进光口的正投影、所述第二进光口的正投影以及所述光工作区的正投影具有最大投影面积重合。

优选地，所述光工作区的正投影的边缘不超出所述第一进光口的正投影以及所述第二进光口的正投影的边缘。

优选地，所述光工作区与所述第一进光口及所述第二进光口间距设置，所述光工作区距离所述第一进光口及所述第二进光口的最小间距分别为1-10mm。

优选地，所述第一散射光收集结构外表面朝向所述光束的区域为第一光吸收面；所述第二散射光收集结构外表面朝向所述光束的区域为第二光吸收面。

优选地，所述第一反射腔内具有两个相对的反射面，两个反射面周缘密接，两个反射面分别环绕所述第一进光口和所述第一出光口。

优选地，所述第四反射面环绕所述第二进光口。

优选地，所述第一散射光收集结构包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜背离所述光工作区的一面具有第一反射面，所述第二反射镜朝向所述光工作区的一面具有第二反射面，所述第一反射镜和所述第二反射镜周缘密接构成所述第一反射腔，所述第一进光口位于所述第一反射镜上，所述第一出光口位于所述第二反射镜上。

优选地，所述第二散射光收集结构包括第三反射镜，所述第三反射镜朝向所述光工作区的一侧具有所述第三反射面；所述第二散射光收集结构包括第四反射镜，所述第四反射镜背离光工作区的一面具有第四反射面，所述第四反射镜与所述第三反射镜周缘密接构成第二反射腔，所述第四反射镜上具有第二进光口。

与现有技术相比，本发明公开的一种粒子计数传感器的优点在于：所述粒子计数传感器的粒子散射光接收结构能够增加光电探测器对散射光的收集量，从而使得粒子计数传感器的准确性更高；通过所述粒子散射光接收结构能够过滤和吸收部分杂散光，有助于降低噪声，提升粒子计数传感器的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

如图1所示为本发明一种粒子计数传感器的结构示意图。

如图2所示为本发明一种粒子计数传感器的气路组件的结构示意图。

如图3所示为本发明一种粒子计数传感器的一种变体的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，本申请一种粒子计数传感器包括发出光束21的光源1，用于驱动待测气流流通的气路组件，光束21与气流交叉形成光工作区5；粒子计数传感器还包括光电探测器6、散射光收集组件；环绕所述光束，所述散射光收集组件包括分别设置在所述光工作区相对两侧的第一散射光收集结构7和第二散射光收集结构8；所述第二散射光收集结构8、所述光工作区5、所述第一散射光收集结构7、所述光电探测器6依次设置；第一散射光收集结构7内部具有光反射面，光反射面围设形成第一反射腔70；第一散射光收集结构7开设有供第一反射腔70与外部连通的第一进光口701和第一出光口702，第一进光口701朝向光工作区5，第一出光口702与光电探测器6结合设置。第二散射光收集结构8具有朝向光工作区5的第三反射面，第三反射面至少部分区域的光反射经第一进光口701进入第一反射腔70。部分散射光22通过第一进光口701入射第一反射腔70，其中部分散射光直接入射光电探测器6，被其接收后转化为电信号，部分散射光入射第一反射腔70后经过光反射面一次或多次反射后入射光电探测器7。部分散射光23入射第三反射面，经过第三反射面反射后入射第一反射腔70。通过所述散射光收集组件可以收集光工作区5两侧的散射光，以增加光电探测器6对散射光的收集量。

此外，粒子计数传感器还包括光整形组件3、光陷阱4，光源1发出光束21，光束21经光整形组件3压缩、准直后到达气路组件中流通的气流形成光工作区5，光束21经光工作区5后到达光陷阱4被其接收。气路组件包括进气件91和排气件92，非光束传播路径上，进气件91和排气件92分别位于光工作区5相对的两侧，进气件91具有朝向光工作区5的进气口911，排气件92具有朝向光工作区5的排气口921，进气件91输送待测气体气流90至排气件92，光束21与待测气体气流90在光工作区5交汇，待测气体气流90中的粒子进入光工作区5激发出散射光，现有技术中，光工作区5的体积大小受限于激光光束以及与气路组件中的进气口911和排气口921中流通的气流90，其中光束在光工作区的光斑截面尺寸通常为毫米级；第一散射光收集结构7与第二散射光收集结构8与气流90及光束21非接触设置。

优选第二散射光收集结构8包括背向光工作区的第四反射面以及朝向光工作区的第二进光口801，第三反射面与第四反射面结合形成第二反射腔80，第三反射面与第四反射面为第二散射光收集结构8的内部表面。

优选第一进光口701与第二进光口801分设光工作区5两侧，且沿第一进光口701最大正投影面积的投影线方向，第一进光口701的正投影、第二进光口801的正投影以及光工作区5的正投影具有最大投影面积重合。

优选光工作区5的正投影的边缘不超出第一进光口701的正投影以及第二进光口801的正投影的边缘，确保光工作区5的散射光尽可能多地入射第一反射腔70及第二反射腔80。

优选第一散射光收集结构7与第二散射光收集结构8与光束21无限贴近而不接触设置。作为可实施的方式，光工作区5与第一进光口701及第二进光口801间距设置，光工作区5距离第一进光口701及第二进光口801的最小间距分别为1-10mm。例如1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.8mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5、mm、4mm、5mm、7mm、9mm等。优选最小间距为1.2～5mm。光工作区5距离第一进光口701与光工作区5距离第二进光口801的最小间距可相同或不同。

优选第一进光口701的最大正投影面积的最大径为光工作区5沿第一进光口701的最大正投影面积投影线方向的正投影面积的最大径的1～2倍，例如1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.81、1.9倍。第二进光口801的最大正投影面积的最大径为光工作区5沿第二进光口801的最大正投影面积投影线方向的正投影面积的最大径的1～2倍。

优选，第二进光口801沿第一进光口701的最大正投影面积投影线方向的正投影面积的最大径为第一进光口701的最大正投影面积的最大径的0.5-3倍，例如，0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.1、1.2、1.3、1.5、1.7、1.9、2.2、2.5、2.8倍等，优选0.8-1.5倍。第二散射光收集结构8中第三反射面与第一进光口701区域或近第一进光口701区域满足几何光学的物象关系。进一步的，第二进光口801处设置有准直或聚焦透镜，经第二反射腔80反射出去的光经第二进光口801处的准直或聚焦透镜压缩、准直后进入第一进光口701，增加第三反射面反射光进入第一进光口701的光量；第二散射光收集结构8中第三反射面经准直或聚焦透镜与第一进光口701区域或近第一进光口701区域满足几何光学的物象关系。准直或聚焦透镜可选自球面镜、非球面镜、柱面镜等具有光学压缩、聚焦的透镜，这里不做特异性限制。

当上述第二进光口801正投影的最大径微大于或小于等于第一进光口701的最大正投影面积的最大径时，例如0.5-1.1倍，可通过控制第一进光口与第二进光口间距使得第二散射光收集结构8中出射的光进入第一进光口701，例如满足第一进光口与第二进光口最小间距2-8mm，例如3mm、4mm、5mm、6mm、7mm等；当上述第二进光口801正投影的最大径大于第一进光口701的最大正投影面积的最大径时，在第二进光口801设置准直或聚焦透镜，经第二反射腔80反射出去的光经第二进光口801处的准直准直或聚焦透镜压缩、准直后进入第一进光口701，这里同样可以结合一进光口与第二进光口之间的间距进行优化调整。

作为可事实的方式，当第二进光口801的正投影不超出第一进光口701的正投影的边缘时，可通过控制第一进光口与第二进光口间距例如2-8mm，使得第二散射光收集结构8中出射的光进入第一进光口701，当第二进光口801的正投影超出第一进光口701的正投影的边缘时，第二进光口801设置有准直或聚焦透镜，经第二反射腔80反射出去的光经第二进光口801处的准直准直或聚焦透镜压缩、准直后进入第一进光口701。

优选第一散射光收集结构7外表面朝向光束21的区域为第一光吸收面；第二散射光收集结构8外表面朝向光束21的区域为第二光吸收面。第一光吸收面、第二光吸收面可通过涂覆吸光涂料或发黑处理等方式形成，这里不做特异性限定。通过第一光吸收面可以吸收部分杂散光，防止杂散光入射光电探测器6。

优选设置第一反射腔70内光反射面包括两个相对的反射面，两个反射面周缘密接，两个反射面分别环绕第一进光口701和第一出光口702。部分散射光22入射到其中一个反射面上，在两个反射面上经过一次或多次反射后入射光电探测器6的光接收面，增加光电探测器7对散射光的收集量。

优选第四反射面环绕第二进光口801。

第一进光口701、第二进光口801、第一出光口702的开口形状可以是规则的例如圆形、正方形、长方形等多边形，也可以是非规则形状，第一出光口702依据与其结合设置的光电探测器6开设，作为可实施的方式，第一进光口701、第二进光口801采用圆形开口。

作为可实施的方式，第一进光口701和第二进光口801共轴，以最大化接收第二反射腔80出射的光进入第一反射腔70；进一步优选设置光工作区5、第一进光口701及第二进光口801共轴，以最大化接收散射光量。

具体的，第一散射光收集结构7包括第一反射镜71和第二反射镜72，第一反射镜71远离光工作区5的一面具有第一反射面，第二反射镜72朝向光工作区5的一面具有第二反射面，第一反射镜71和第二反射镜72周缘密接构成第一反射腔70，第一反射面和第二反射面位于第一反射腔70内部，且第一反射面和第二反射面相对设置。第一进光口701位于第一反射镜71上，第一出光口702位于第二反射镜72上。第一反射镜72朝向光工作区5的一面为光吸收面。部分散射光22通过第一进光口701入射第一反射腔70后直接入射光电探测器6的光接收面，部分散射光22入射第二反射面，反射至第一反射面后入射光电探测器6的光接收面后再经两个反射面一次或多次反射之后入射光电探测器6的光接收面。

第二散射光收集结构8包括第三反射镜81，第三反射镜81朝向光工作区5的一侧具有第三反射面。

参见图3，第二散射光收集结构8还包括第四反射镜82，第四反射镜82远离光工作区5的一面具有第四反射面，第四反射镜82与第三反射镜81周缘密接构成第二反射腔80，第四反射镜82上具有第二进光口801。第四反射镜82朝向光工作区5的一面为第二光吸收面。部分散射光23经过第二进光口801入射第二反射腔80，在第三反射面和第四反射面之间经过一次或多次反射后经第二进光口801出射后入射第一进光口701。通过设置第四反射镜82，可以降低对第一进光口701位置的调整要求，以及避免第三反射镜收集的光投射到第一散射光收集装置的外表面被吸收，无需第一进光口701位于第三反射镜81的焦点位置，也可以使多数散射光入射第一反射腔70。第三反射镜81可采用半球面镜、非球面镜、椭球面镜、锥等。

第一反射镜71、第二反射镜72、第三反射镜81、第四反射镜82可为半球面镜，也可为锥形反射镜，还可以为椭球面镜、非球面镜等，其凹面对光进行反射，这里不做特异性限制，作为可实施的方式，第一反射镜71为半球面镜，光电探测器6设置在第一反射镜71的第一反射面的焦点位置，利于光电探测器6对散射光的收集。

作为一个具体实施例，第一反射镜71朝向光工作区5的底端具有圆形的第一进光口701，第二反射镜72远离光工作区5的底端具有圆形的第一出光口702，第四反射镜82朝向光工作区5的底端具有圆形的第二进光口801。光工作区5距离第一进光口701及第二进光口801的最小距离为3mm，第一进光口701的最大正投影面积的最大径为光工作区5沿第一进光口701的最大正投影面积投影线方向的正投影面积的最大径的1.3倍，第二进光口801的最大正投影面积的最大径为光工作区5沿第二进光口801的最大正投影面积投影线方向的正投影面积的最大径的1.5倍。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。