一种粒子计数方法
阅读说明：本技术 一种粒子计数方法 (Particle counting method ) 是由 王少永 惠旅锋 于 2021-07-26 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种粒子计数方法,包括：标定光电探测部件；标定不同粒径的粒子对应的门槛电压；基于所述门槛电压设置粒子通道的电位计调整的比较电压值,通过比较器比较光电探测部件的输出电压与所述比较电压值分辨粒子大小并统计数量。通过电位计调节比较器的比较电压值,能够高效且准确的完成计数,成本低；标定粒子计数器后进行计量,步骤简洁且极大降低了最终计量结果的偏差范围,不依赖于标准计数器和人工操作水平,计量效率高、可靠性好,易于实现,有利于计量技术的进一步推广和发展。(The invention provides a particle counting method, which comprises the following steps: calibrating the photoelectric detection component; calibrating threshold voltages corresponding to particles with different particle sizes; and setting a comparison voltage value adjusted by a potentiometer of the particle channel based on the threshold voltage, comparing the output voltage of the photoelectric detection part with the comparison voltage value through a comparator, distinguishing the size of the particles and counting the number. The comparison voltage value of the comparator is adjusted through the potentiometer, so that counting can be efficiently and accurately completed, and the cost is low; the particle counter is calibrated and then is measured, the steps are simple, the deviation range of the final measurement result is greatly reduced, the method does not depend on a standard counter and a manual operation level, the measurement efficiency is high, the reliability is good, the realization is easy, and the further popularization and development of the measurement technology are facilitated.)
技术领域
本发明属于计量技术领域，尤其涉及采用光学粒子计数器的进行计量的粒子计数方法。
背景技术
目前常用的粒子计数方法基于米氏散射原理，采用光散射式激光粒子计数器测量洁净环境中单位体积内尘埃粒子数和粒径分布。粒子计数广泛应用于医药、精密机械、微生物等行业中，也是防疫站、疾控中心、质量监督所等权威机构的主要计量工作之一。随着GMP认证制度逐步实施，以及气溶胶中颗粒在疾病的传播分析中应用的深入，粒子计数方法的优劣带来的影响也越来越大。然而，现有粒子计数方法的准确性、可靠性、一致性并不能完全满足应用要求，其中一个重要原因存在于现有的粒子计数器投入使用前没有完全标定，或者没有有效标定。现有的粒子计数方法在实施计数之前，一般检验员采用标准粒子计数器进行标定，手工盲调不同粒子通道的比较器的比较电压，使粒子通道计数与标准粒子计数器大致相同。然后在工作区通过未知粒径的一种或多种粒子实施计量，需要人工多次调节比较器的比较电压，依赖于频繁地与标准计数器的比对且不确定性高，导致整个粒子计数效率低，可靠性难以提高，不能满足计量工作的需求。
因此目前十分需要研究有效可行的粒子计数方法，提高计量工作的精确性和可靠性，以此进一步推动计量技术的深入发展及广泛应用。
发明内容
本发明是为了解决上述现有技术的部分、全部或潜在问题，本发明提供了一种粒子计数方法，采用粒子计数器测试空气尘埃粒子颗粒的粒径及其分布。
对于本发明可能涉及的一些名词或原理，进行示例性而非限定的说明如下：
米氏散射（Mie scattering），是一种光学现象，属于散射的一种情况。当粒子的大小接近于或者大于入射光线的波长λ的时候，大部分的入射光线会沿着前进和垂直的方向进行散射，这种现象被称为米氏散射。
粒径(particle size)：空气中某种散射粒子的直径，是与散射光的强度相对应的粒子的直径，单位µm。
标准计数器：经国家组织比对，并获得满意结果的粒子计数器。
本发明中粒子计数器计量原理具体是：提供光电探测部件，包括设置在不同方向上的光学模组和光电接收模组。在光学模组输出的光场中形成工作区，一定浓度的粒子的气流通过工作区，单个粒子通过米氏散射出来的光被米氏散射收集器收集后投射到光电接收模组的光敏元件上，通过前置放大电路将能量转化为电压脉冲信号。电压脉冲信号通过不同粒径通道的门槛电压比较分辨出粒径的大小和统计不同粒径的粒子数量。
本发明提供的一种粒子计数方法，采用粒子计数器进行计数，所述粒子计数器包括光电探测部件、主控板、集成在主控板上的比较器、电位计；计数过程包括：步骤S1.标定光电探测部件；所述光电探测部件包括：激光器、光敏元件和前置放大电路；步骤S2.标定不同粒径的粒子对应的门槛电压；步骤S3.根据粒径设置粒子通道，基于所述粒径的粒子对应的所述门槛电压设置粒子通道的电位计调整的比较电压值；步骤S4.将待测粒子气流通过所述粒子计数器的工作区，比较器比较光电探测部件的输出电压与所述比较电压值分辨粒子大小并统计数量；所述步骤S1中包括预先标定激光光强，之后在工作区设置光路转折部件，再进行所述前置放大电路的输出电压的标定。粒子计数器一般有光电探测部件和计数部件构成，所述光电探测部件可分为在工作区两个方向上的光学模组和光电接收模组，即光学模组中激光器的输出光束不能沿一个方向上的光路投射到光电接收模组的。如果要有效的标定光电探测部件，则一方面因为粒子计数器在工作区的光强要求均匀，并且在整个工作区每个点的光强是相同的，需要标定激光光源在工作区的光强；另一方面光电探测部件的前置放大电路对经光敏元件光电转换后的电信号必须标定。步骤S1中基于同一激光光源，设置所述光路转折部件一体化实施标定，在标定激光光强后使得激光光源在工作区的光强符合预设光强要求，也使得每次粒子计数的光强保持较好的一致性。同时采用一个激光光源进行标定，避免了标定的偏差累计，能够最大程度的减少偏差。所述光路转折元件例如反光镜或若干反射镜的组合，用于将所述工作光束转折后能够照射到光敏元件用于后续的标定，光路转折元件可以结合粒子计数器工作区和光敏元件的具体布局相应设置，将所述工作光束导向光敏元件。步骤S3中基于所述门槛电压设置电位计准确的设定不同粒子通道的比较电压值，避免了人工盲调的不确定性；相较频繁比对标准计数器的计数方法，效率极大的提高，计数结果能够更直观、快捷的获取。
所述步骤S1之前，将所述激光器的输出光束进行整形得到工作光束；用于光束整形的光路结构包括镜片，所述工作光束为平顶光束。
所述标定激光光强包括：标定所述工作光束在工作区的光斑面积大小，以及光斑内光强分布的均匀性；具体过程包括：采用激光光斑采集器获取所述工作光束的光斑信息，所述光斑信息包括光斑图像，根据光斑图像评估光斑大小是否符合要求，光斑内光强分布是否均匀；根据评估结果调节所述镜片与所述激光器的间距。
所述标定激光光强的具体过程还包括：预设工作区光功率的标准总值，测量所述工作光束的光功率，基于测量结果，调节工作区光功率与所述标准总值一致。通过对工作光束的光功率的标定，能够评估工作光束的光强是否达到实际粒子计数需求，并保持激光光源经光束整形后的光功率的一致性。
标定所述前置放大电路的输出电压包括：在所述光路转折元件与所述光敏元件之间加设衰减片，减弱照射到所述光敏元件的光斑光强；在所述光路转折元件与所述光敏元件之间通过光斑切割夹具，调节照射所述光敏元件的光斑面积。由于在一些具体应用中，工作光束的光强可能超出光敏元件可承受光强范围，设置衰减片能够进行光斑光强的调整有效避免工作光束直接照射光敏元件而损伤光敏元件的风险。设置光斑切割夹具可以获得具体要求的光斑面积，更好的结合实际应用，提高标定工作的灵活性。衰减片和光斑切割夹具可以根据实际计数工作情况以及具体采用的粒子计数器选择其中一个设置或者既有衰减片又有光斑切割夹具，并不限定。
步骤S2中，包括在所述工作区内通过预知粒径的粒子，采集所述前置放大电路输出的波形，统计分析所述波形的峰值，标记所述预知粒径对应的门槛电压。
所述预知粒径至少有6个，包括0.3µm、0.5µm、1.0µm；步骤S3中，至少设置6个粒子通道，采用电位计调整至少6种比较电压值。
一次性统计分析所述波形的峰值，将统计分析得出的数据写入预设主控板的存储器，处理器处理得出所述门槛电压，给出每个通道电位计调整的比较电压值。
采用虚拟示波器统计分析所述波形的峰值；所述虚拟示波器基于图形化编程的软件，包括Labview。虚拟示波器是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。其中Labview是专为测试、测量和控制应用而设计的系统工程软件，可快速访问硬件和数据信息。
标定所述前置放大电路的输出电压过程中，采用万用表测量前置放大电路输出电压；当采用多台粒子计数器进行计数时，每台粒子计数器的前置放大电路设置电位计，调整所述电位计使得每台粒子计数器的前置放大电路的输出电压保持一致，且都等于所述光电探测部件的输出电压的设计理论值。万用表操作简单、易于配置、成本低便于标定工作的完成。基于标定后的激光光强，所述光电探测部件的输出电压设计理论值是可预知的，也可通过理论计算获得，每台粒子计数器的前置放大电路的输出电压都调节到与设计理论值一致，标定了每台粒子计数器的前置放大电路输出电压，标记的门槛电压更可靠，比较电压值能够设置得更精准，利于更准确地获取最终计数结果。
与现有技术相比，本发明的主要有益效果：
本发明的粒子计数方法，不完全依赖于现有的标准计数器进行计数，通过电位计结合比较器，能够高效且准确的完成计数，成本低、效率高，同一激光光源连续标定后进行计数，极大降低了产生误差的风险。避免了人工操作的不确定性。采用本发明的计数方法，多台粒子计数器多次计数得到结果的一致性好；极有利于计量技术的进一步推广和发展。
附图说明
图1为本发明实施例一的粒子计数器构成示意图。
图2为本发明实施例一的粒子计数方法过程示意图。
图3为本发明实施例一的标定激光光强示意图。
图4为本发明实施例一的光电接收模组标定工装示意图。
图5为本发明实施例二的标定激光光强示意图。
图6为本发明实施例二的标定工装示意图。
具体实施方式
下面将对本发明具体实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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。
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解。附图中，相同结构或功能的部分利用相同的附图标记来标记，出于显示清楚的原因必要时并不是所有示出的部分在全部附图中用所属的附图标记来标记。
在下述实施例中采用特定次序描绘了实施例的操作，这些次序的描述是为了更好的理解实施例中的细节以全面了解本发明，但这些次序的描述并不一定与本发明的方法一一对应，也不能以此限定本发明的范围。
需要说明的是，附图中的流程图和框图，图示出按照本发明实施例的方法可能实现的操作过程。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以并不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以穿插的执行，依所涉及的步骤要实现的目的而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与人工操作结合来实现。
实施例一
本发明实施例一中，如图1所示，本实施例示例采用的粒子计数器，由提供工作光束的光学模组、进行探测的工作区、进行光学信号接收和转换的光电接收模组、集成有处理器和比较器的主控板以及与比较器电连接的机械电位计构成。其中，光学模组和光电接收模组位于工作区的两个方向上；工作区一般是光敏工作区及米氏散射收集器。光学模组中有作为激光光源的激光器及其供电部件，通过调节激光器供电可以调节激光器的输出光强；本实施例中，在靠近激光器输出端设置有包括若干镜片、光阑的光路整形结构，将激光器的输出光束的高斯光斑进行整形得到呈平顶光束的工作光束，在工作区形成的光斑是平顶均匀化的。镜片示例的是准直透镜，需要说明的是光路整形结构也可以根据实际应用需要或具体使用的粒子计数器结构进行相应设计，也可以包含其他光学镜片或光学元件，并不限定。在光敏工作区的光场中通过一定浓度的粒子的气流，单个粒子通过米氏散射收集器后出来的光被光电接收模组收集，具体是投射到光敏元件上。本实施例的光敏元件是光电二极管，体积小、响应快、可靠性好。在也有的实施情况中采用其他光敏元件如光敏三极管等，并不限定。通过光电接收模组的前置放大电路将能量转化为电压脉冲信号，电压脉冲信号通过不同粒径通道的门槛电压比较分辨出粒径的大小，实现计数。
本实施例中，如图2所示粒子计数方法包括：步骤S1.标定光电探测部件；步骤S2.标定不同粒径的粒子对应的门槛电压；步骤S3.根据粒径设置粒子通道，基于该粒径的粒子对应的门槛电压设置机械电位计调整粒子通道的比较电压值；步骤S4.将待测粒子气流通过工作区，比较器比较光电探测部件的输出电压与比较电压值分辨粒子大小并统计数量；在步骤S1中先标定激光光强，之后在工作区设置光路转折部件，对前置放大电路输出电压进行标定。
本实施例中，如图3所示，标定激光光强的过程中采用激光光斑采集器，示例的是一个设置在滑轨上前后位置可调的CCD相机获取多个工作光束的光斑图像，通过光斑图像评估光斑大小是否符合要求，光斑内光强分布是否均匀。如果不均匀则调节光学模组中光束整形结构中的镜片与激光器的间距。
本实施例中，如图4所示，本实施例的标定工装是由一面反光镜作为光路转折元件，在光路上还加设了衰减片。本实施例中采用多台粒子计数器进行计数，在标定前置放大电路输出电压过程中采用万用表测量前置放大电路实际输出电压，前置放大电路设置机械电位计，调整机械电位计使得每台粒子计数器的前置放大电路输出电压保持一致。本实施例中都等于光电探测部件在标定的激光光强下前置放大电路输出电压的设计理论值。输出电压的设计理论值，是可以通过计算得到。一般的情况，标定的激光光强确定可知，粒子计数器的光电二极管的光电转换率的标准值在光电二极管厂家出厂时提供，根据前置放大电路的增益理论可以计算出输出电压的设计理论值。为了便于理解，举例而言，已知工作光束的功率是0.8μW，光电二极管的光电转换率是0.5A/W，前置放大电路的放大增益是5000000Ω，则输出电压设计理论值为2V。此操作在进行粒子计数时，多台粒子计数器得到结果一致性好，且前置放大电路的输出电压标定后与理论计算值一致，后续计数结果分析可靠性高。本实施例中采用的电位计都是机械电位计。机械电位计是一种三端机械操作的旋转模拟装置，可用于各种电气和电子电路。机械电位计是一种无源器件，不需要电源或额外的电路来执行其基本的线性或旋转位置功能。机械电位计非常常见，价格便宜，易于获得。通过将机械电位计与比较器相结合实施粒子计数改变了传统做法，不仅不增加计量工作的设备成本，还节约了人工成本，提高了计数结果的可靠性和一致性。在也有的实施例中采用的电位计都是数字电位计，根据实际应用情况选择适用的电位计，并不限定。
步骤S2中，在用于计数的粒子计数器工作区内通过预知粒径的粒子，采集前置放大电路输出的波形，一次性统计分析波形的峰值，采用虚拟示波器统计分析波形的峰值，将统计分析得出的数据写入预设主控板的存储器，处理器调用数据标定每个粒径通道对应的门槛电压,即给出每个通道机械电位计要调整的电压值。本实施例中采用带有高速ADC板卡的Labview采集系统采集前置放大电路输出的波形。例如：在工作区通过0.3µm的粒子，然后用Labview采集前置放大电路输出的波形，统计分析每个波形的峰值，然后标记出0.3µm粒子的门槛电压；通过0.5µm的粒子，然后用Labview采集前置放大电路输出的波形，统计分析每个波形的峰值，然后标记出0.5µm粒子的门槛电压；通过1.0µm的粒子，然后用Labview采集前置放大电路输出的波形，统计分析每个波形的峰值，然后标记出1.0µm粒子的门槛电压。本实施例采用虚拟示波器基于图形化编程的软件示例的是Labview，并不限定，也可以是其他能够直观显示应用的各个方面，包括硬件配置、测量数据和调试的图形化编程的软件。根据粒子计数器的粒径通道数量通过多个预设粒径的粒子进行标定，一般的预设粒径至少有6个。本实施例中，设置6通道粒子计数器可以采用机械电位计调整出6个门槛电压实现不同通道计数。
实施例二
粒子计数器的光强要求均匀，并且在整个工作区每个点的光强是相同的，要求每台粒子计数器的光学模组的光强一致性要好。如图5所示，本实施例中标定激光光强除了采用CCD相机还采用一台光功率计，预设工作区光功率的标准总值，测量工作光束的光功率，基于测量结果，调节工作区光功率与标准总值一致。采用光功率计，计算总功率，然后调整激光供电。当采用多台粒子计数器进行计数时，采用光功率计使得每台光学模组中激光器整形后的功率保持一致。
实施例二与实施例一的另一主要区别还在于，如图6所示，标定工装还包括在衰减片与光电二极管之间加设的光斑切割夹具。标定前置放大电路输出电压过程中，通过光斑切割夹具调整照射光电二极管的光斑面积，通过调节光斑面积进一步调节照射光电二极管的光强。
本发明为了便于叙述清楚而采用的一些常用的英文名词或字母只是用于示例性指代而非限定性解释或特定用法，不应以其可能的中文翻译或具体字母来限定本发明的保护范围。以上对本发明进行了详细介绍，本文中应用了具体的个例对本发明的结构及工作原理进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求保护的范围内。
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