全文摘要
本实用新型涉及一种颗粒物散射光收集装置以及激光测径系统和质谱仪，该颗粒物散射光收集装置包括前端收集组件、光纤组件以及光电探测组件；前端收集组件用于收集并汇聚散射光；光纤组件用于传导前端收集组件汇聚的散射光；光电探测组件与光纤组件对应，光电探测组件用于接收光纤组件传导的光束，并将光束的光信号转化成电脉冲信号。该颗粒物散射光收集装置可以提高颗粒物测量的准确性和效率。本实用新型还涉及一种激光测径系统和质谱仪，该激光测径系统的几何尺寸能够有效地缩小，各装置之间的结构也更加紧凑，减少了激光测径系统的安装空间，使质谱仪内部的结构更合理，同时散射光收集装置在质谱仪中的安装和升级也更为方便。
主设计要求
1.一种颗粒物散射光收集装置，其特征在于，包括前端收集组件、光纤组件以及光电探测组件；所述前端收集组件用于收集并汇聚由颗粒物产生的散射光；所述光纤组件用于传导所述前端收集组件汇聚的散射光；所述光电探测组件与所述光纤组件对应，所述光电探测组件用于接收所述光纤组件传导的光束，并将所述光束的光信号转化成电脉冲信号。
设计方案
1.一种颗粒物散射光收集装置，其特征在于，包括前端收集组件、光纤组件以及光电探测组件；
所述前端收集组件用于收集并汇聚由颗粒物产生的散射光；
所述光纤组件用于传导所述前端收集组件汇聚的散射光；
所述光电探测组件与所述光纤组件对应，所述光电探测组件用于接收所述光纤组件传导的光束，并将所述光束的光信号转化成电脉冲信号。
2.根据权利要求1所述的颗粒物散射光收集装置，其特征在于，所述前端收集组件包括：凸透镜和凸透镜固定件；
所述凸透镜设在所述凸透镜固定件上，所述散射光经所述凸透镜收集后成为汇聚光束。
3.根据权利要求2所述的颗粒物散射光收集装置，其特征在于，所述凸透镜固定件为中空的柱状结构，所述散射光能够穿过所述凸透镜固定件。
4.根据权利要求2所述的颗粒物散射光收集装置，其特征在于，所述光纤组件包括：第一固定座、单根光纤以及光纤耦合器；
所述单根光纤的两端设有连接头，其中一端的所述连接头连接所述光纤耦合器，另一端的所述连接头连接所述第一固定座，所述第一固定座还与所述凸透镜固定件螺纹连接。
5.根据权利要求4所述的颗粒物散射光收集装置，其特征在于，所述第一固定座上设有调节件，所述调节件与所述第一固定座螺纹连接；
所述第一固定座的一端与所述凸透镜固定件螺纹连接，另一端与所述单根光纤上的所述连接头螺纹连接。
6.根据权利要求4所述的颗粒物散射光收集装置，其特征在于，所述光电探测组件包括：第二固定座、光纤耦合器转接件以及光电探测件；
所述第二固定座设在质谱仪的密封腔上，所述光纤耦合器穿过所述第二固定座和所述质谱仪的密封腔与所述光纤耦合器转接件的一侧连接，所述光纤耦合器转接件的另一侧与所述光电探测件连接；
所述汇聚光束穿过所述光纤耦合器和所述光纤耦合器转接件，由光电探测件接收。
7.根据权利要求6所述的颗粒物散射光收集装置，其特征在于，所述第二固定座上设有保护筒，所述光纤耦合器转接件和光电探测件位于所述保护筒内。
8.根据权利要求7所述的颗粒物散射光收集装置，其特征在于，所述保护筒包括保护筒体和保护筒盖，所述保护筒盖与所述保护筒体连接以用于保护所述保护筒内的所述光纤耦合器转接件和所述光电探测件。
9.一种激光测径系统，其特征在于，包括激光器以及权利要求1～8任意一项所述的颗粒物散射光收集装置；
所述激光器发出激光；待测颗粒物飞过所述激光并产生散射光；
所述颗粒物散射光收集装置接收所述散射光，并将所述散射光转化成电脉冲信号。
10.一种质谱仪，其特征在于，包括权利要求9所述的激光测径系统。
设计说明书
技术领域
本实用新型涉及检测技术领域，特别涉及颗粒物散射光收集装置以及激光测径系统和质谱仪。
背景技术
众所周知，大气气溶胶对环境以及人体健康有着巨大的影响，因此人们对其研究也越来越重视和深入。由于大气气溶胶的来源、演变较为复杂，深入研究其来源、理化性质以及演变的机理变的困难。单颗粒气溶胶质谱仪作为一种新型的气溶胶分析仪器，能够从单个颗粒层面上测量颗粒尺寸大小和化学组成，对于研究大气气溶胶中颗粒物的种类、混合状态、来源以及演变过程具有重要的作用。
单颗粒气溶胶质谱仪由进样系统、真空系统、激光测径系统、电离系统、质量分析器、电控系统以及软件分析系统等组成。仪器正常工作时，待测样品首先经过进样系统，将样品中的气溶胶颗粒物汇聚成穿过空气动力学透镜中心的颗粒束，并且不同粒径大小的颗粒具有不同的速度，随着粒径的增大其速度越小。汇聚好的颗粒经过多级真空系统后，被激光测径系统检测，并通过计算得到颗粒物的粒径以及速度等信息，同时记录下颗粒物经过测径系统时产生脉冲触发信号的时刻T1。根据以上信息，计算得到电离激光器的触发出光的时刻T2，使离子飞到电离激光电离位置的同时电离系统运行，将颗粒物电离，电离后的带电粒子在质量分析器内被分析，得到颗粒的组成成分信息。
由仪器的工作原理可知，激光测径系统是单颗粒气溶胶质谱仪的重要组成部分。激光测径系统根据粒子飞过两束间隔一定距离的激光束的时间间隔，计算得到颗粒物的飞行速度、粒子空气动力学直径等信息，并为单颗粒气溶胶质谱仪的电离系统提供触发时序信号，而对颗粒物的判断检测主要原理是将通过颗粒物飞过激光光束后产生的散射光信号转化成脉冲电信号，再根据脉冲信号的强度大小来对颗粒物进行判断。因此，颗粒物散射光的收集装置对激光测径系统具有很重要的影响。而散射光收集采用的主要收集方式为椭球镜收集方式、平面透镜或者平面透镜组合的收集方式以及光线组收集方式。
椭球镜收集散射光主要是利用椭球镜的特性进行收集：光线经过椭球镜的一个焦点后，经壁面反射经过椭球镜的另外一个焦点。利用该特性，将椭球镜的一个焦点设计在颗粒物的飞行轨迹与测径激光束的焦点上，另外一个焦点设计在光电倍增管(PMT)的接收面上，颗粒物飞过椭球镜的一个焦点并同时穿过激光光束产生散射光，散射光经过椭球镜壁面的反射最终被PMT接收到，然后PMT将接收到的散射光信号转变成电信号，完成颗粒物散射光的收集和检测。
平面透镜或平面透镜组合的方式收集散射光是利用凸透镜的对光线的聚焦原理：在凸透镜的一个焦点上发出的发散光，经过凸透镜后会变成一组平行光线，这一组平行光线经过凸透镜后会在透镜的主光轴上聚焦成一点。根据光线穿过平面透镜后变成平行光或汇聚光的特性，合理布置透镜的位置，将透镜一侧的焦点设计在颗粒物的飞行轨迹与测径激光束的交点上，另一侧的焦点设计在光电倍增管(PMT)的接收面上。颗粒物飞过透镜一侧的焦点并同时穿过激光光束产生散射光，散射光经过透镜聚焦或透镜组准直聚焦后，被PMT接收到，然后PMT将接收到的散射光信号转变成电信号，完成颗粒物散射光的收集以及检测。
光纤组收集散射光的方式是利用在光纤的数值孔径内的光线能够入射进入到光纤内部，光线在光纤内部经过反射由一端的端面传输到另一端。PMT安装在光纤的另一个端面接收光纤传过来的散射光，并将接收到的散射光信号转变成电信号，完成颗粒物散射光的收集以及检测。
但是，传统的散射光收集装置普遍会导致测径准确性和效率偏低的问题。
实用新型内容
基于此，有必要提出一种颗粒物散射光收集装置以及激光测径系统和质谱仪，以解决传统的散射光收集装置影响测径的准确性和效率的问题。
一种颗粒物散射光收集装置，包括前端收集组件、光纤组件以及光电探测组件；
所述前端收集组件用于收集并汇聚由颗粒物产生的散射光；
所述光纤组件用于传导所述前端收集组件汇聚的散射光；
所述光电探测组件与所述光纤组件对应，所述光电探测组件用于接收所述光纤组件传导的光束，并将所述光束的光信号转化成电脉冲信号。
在其中一个实施例中，所述前端收集组件包括：凸透镜和凸透镜固定件；
所述凸透镜设在所述凸透镜固定件上，所述散射光经所述凸透镜收集后成为汇聚光束。
在其中一个实施例中，所述凸透镜固定件为中空的柱状结构，所述散射光能够穿过所述凸透镜固定件。
在其中一个实施例中，所述光纤组件包括：第一固定座、单根光纤以及光纤耦合器；
所述单根光纤的两端设有连接头，其中一端的所述连接头连接所述光纤耦合器，另一端的所述连接头连接所述第一固定座，所述第一固定座还与所述凸透镜固定件螺纹连接。
在其中一个实施例中，所述第一固定座上设有调节件，所述调节件与所述第一固定座螺纹连接；
所述第一固定座的一端与所述凸透镜固定件螺纹连接，另一端与所述单根光纤上的所述连接头螺纹连接。
在其中一个实施例中，所述光电探测组件包括：第二固定座、光纤耦合器转接件以及光电探测件；
所述第二固定座设在质谱仪的密封腔上，所述光纤耦合器穿过所述第二固定座和所述质谱仪的密封腔与所述光纤耦合器转接件的一侧连接，所述光纤耦合器转接件的另一侧与所述光电探测件连接；
所述汇聚光束穿过所述光纤耦合器和所述光纤耦合器转接件，由光电探测件接收。
在其中一个实施例中，所述第二固定座上设有保护筒，所述光纤耦合器转接件和光电探测件位于所述保护筒内。
在其中一个实施例中，所述保护筒包括保护筒体和保护筒盖，所述保护筒盖与所述保护筒体连接，用于保护所述保护筒内的所述光纤耦合器转接件和所述光电探测件。
一种激光测径系统，包括激光器以及上述任意一项所述的颗粒物散射光收集装置；
所述激光器发出激光；待测颗粒物飞过所述激光并产生散射光；
所述颗粒物散射光收集装置接收所述散射光，并将所述散射光转化成电脉冲信号。
一种质谱仪，包括上述激光测径系统。
研究发现，利用传统的椭球镜收集散射光时其外形尺寸较大，导致两个散射光收集装置之间的间隔较大，由于样品经过进样系统后，样品中小粒径的颗粒物速度快，大粒径的颗粒物速度慢，所以当被测样品颗粒物的浓度高时，粒子经过测径系统时，容易发生粒子赶超，影响激光测径的准确性。不仅如此，由于被测样品颗粒物经过空气动力学透镜聚焦后，粒子从空气动力学透镜末端飞出时存在一定的发散，粒子飞行距离越远，发散现象越明显，因此，当两个椭球镜的布置间隔比较大时，会引起粒子通过第一束测径激光后不一定能通过第二束激光，造成激光测径效率的下降。进一步研究发现，当利用平面透镜或平面透镜组合的形式来收集颗粒物散射光时，该形式的光电探测结构安装位置固定，造成仪器的结构设计不灵活，仪器的安装以及升级不方便。而采用多根光纤组合收集散射光时，由于光纤有一定的数值孔径限制，造成散射光的收集效率较低，同时光纤数量过多，造成光纤的弯曲、排布困难，会对结构设计带来一定的困难和限制。
上述颗粒物散射光收集装置采用前端收集组件、光纤组件以及光电探测组件，可以有效缩短两测径激光束之间的距离，减少粒子飞过两激光束时发生的赶超现象，提高颗粒物测量的准确性。两测径激光束之间距离的减少，可以降低测量过程中由于粒子束发散引起的影响，提高粒子的检测效率。
进一步，该颗粒物散射光收集装置采用透镜跟单根光纤组合使用的结构形式，其收集效率优于多根光线的收集效率，单根光纤的柔性大于多根光纤，易于颗粒物散射光收集装置的合理排布和安装。
上述激光测径系统包括激光器以及颗粒物散射光收集装置，而颗粒物散射光收集装置采用单根光纤，单根光纤具有一定的柔性，可以弯曲，因此可以根据需求灵活的安装、排布光电探测组件的位置，并且其收集散射光的效率优于多根光纤的组合。在上述结构基础上，该激光测径系统的几何尺寸能够有效地缩小，各装置之间的结构也更加紧凑，可以减少安装所需空间。
上述质谱仪包括上述颗粒物散射光收集装置，能够对颗粒物进行准确的分析，检测效率较高，内部的结构更合理，同时散射光收集装置在质谱仪中的安装和升级也更为方便。
附图说明
图1为本实用新型一实施例的散射光收集装置的结构示意图；
图2为图1中前端收集组件和光纤组件的截面示意图。
具体实施方式
为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。
请结合图1和图2，本实用新型一实施例提供了一种颗粒物散射光收集装置100，其包括前端收集组件110、光纤组件120以及光电探测组件130。前端收集组件110用于收集并汇聚散射光。光纤组件120用于传导前端收集组件110汇聚的散射光。光电探测组件130与光纤组件120对应，光电探测组件130用于接收光纤组件120传导的光束，并将光束的光信号转化成电脉冲信号。优选的，前端收集组件110、光纤组件120以及光电探测组件130依次连接。
如图1所示，前端收集组件110包括第一凸透镜113、第二凸透镜114、第一凸透镜固定件111、透光固定件115和第二凸透镜固定件112。第一凸透镜113和第二凸透镜114优选为一面为平面，一面为球面的凸透镜。第一凸透镜113和第二凸透镜114分别设在第一凸透镜固定件111和第二凸透镜固定件112上。第一凸透镜固定件111与第二凸透镜固定件112分别与透光固定件115的两端连接，且透光固定件115将第一凸透镜113和第二凸透镜114隔开。散射光经过第一凸透镜113后得到一束平行的光线，这一束平行的光线穿过透光固定件115到达第二凸透镜114，经过第二凸透镜114的汇聚成为汇聚光束。
具体地，第一凸透镜固定件111为中空的柱状结构，优选为中空的圆柱体，第一凸透镜固定件111存在两种不同的内径，这两种内径的分布将第一凸透镜固定件111分成两部分。在第一凸透镜固定件111的一端内径小于第一凸透镜113的直径的部分为第一部分，另一端等于第一凸透镜113的直径的部分为第二部分。在组装前端收集组件110时，可以将第一凸透镜113从第一凸透镜固定件111内径等于第一凸透镜113的直径的一端放入，且球面朝向第一凸透镜固定件111内径小于第一凸透镜113直径的一端。同样的，第二凸透镜固定件112为中空的柱状结构，可以但不限于是中空的圆柱体结构。第二凸透镜固定件112的内径设置以及第二凸透镜114与第二凸透镜固定件112的位置关系和第一凸透镜113与第一凸透镜固定件111一致，不再赘述。
更具体地，第一凸透镜固定件111与透光固定件115可以但不限于是螺纹连接，同样的，第二凸透镜固定件112与透光固定件115可以但不限于是螺纹连接。优选的，透光固定件115为中空的柱状结构。优选的，透光固定件115为中空圆柱状结构，用于通过散射光经过第一凸透镜113后得到一束平行的光线。其内径小于第一凸透镜113和第二凸透镜114的直径。透光固定件115的两端分别与第一凸透镜固定件111和第二凸透镜固定件112连接，并且透光固定件115的两端分别抵触第一凸透镜113和第二凸透镜114的平面一侧。透光固定件115的一端与第一凸透镜固定件111将第一凸透镜113固定，另一端与第二凸透镜固定件112将第二凸透镜114固定。
可理解，在其他的具体示例中，前端收集组件110也可以采用单透镜、或者两个以上透镜进行收集，优选为双透镜收集。
前端收集组件110起到收集散射光的作用，将粒子穿过激光器发出的光束产生的散射光收集起来，主要是利用透镜的将散射光转变成平行光束或者汇聚作用，便于光纤组件的传导。
光纤组件120包括第一固定座121、单根光纤123以及光纤耦合器124，单根光纤123的两端都设有连接头。单根光纤123一端的连接头连接光纤耦合器124，另一端的连接头连接第一固定座121。第一固定座121还与第二凸透镜固定件114连接。汇聚光束穿过第一固定座121到达单根光纤123的端面，经单根光纤123传导后穿过光纤耦合器124。具体的，单根光纤123的两端设有的连接头为标准接连接头，例如SMA905接头。
进一步的，第一固定座121上设有调节件122，调节件122设在第一固定座121上，用于调节单根光纤123的端面与第二凸透镜114的距离。具体地，调节件122可以但不限于是调节螺母。更进一步的，调节件122与第一固定座121螺纹连接，第一固定座121的一端与第二凸透镜固定件114螺纹连接，另一端与单根光纤123上的连接头螺纹连接。
光电探测组件130包括第二固定座131、光纤耦合器转接件132以及光电探测件133。第二固定座131设在质谱仪的密封腔上，光纤耦合器124穿过第二固定座131和质谱仪的密封腔与光纤耦合器转接件132的一侧连接，光纤耦合器转接件132的另一侧与光电探测件133连接。汇聚光束穿过光纤耦合器124和光纤耦合器转接件132，由光电探测件133接收。
光纤耦合器转接件132一端与第二固定座131和光纤耦合器124依次连接，另一端连接光电探测件133。汇聚光束穿过光纤耦合器124和光纤耦合器转接件132后，从真空环境过渡到大气环境。
如图1所示，第二固定座131设在质谱仪的密封腔140上，且第二固定座131为中空结构，光纤耦合器124能够穿过质谱仪的密封腔140和第二固定座131与光电探测组件连接。光电探测组件130设在质谱仪的密封腔140上。第二固定座131上设有保护筒150，保护筒150包括保护筒体151和保护筒盖152。保护筒体151设在第二固定座131上，保护筒盖152与保护筒体151连接。光纤耦合器转接件132和光电探测件133位于保护筒盖152内。具体地，保护筒体151直径的大小与保护筒盖152的大小相当，使保护筒盖152能够将保护筒体151的开口封闭。保护筒体151和保护筒盖152连接，形成一个相对封闭的环境，对保护筒150内的光纤耦合器转接件132和光电探测件133起到保护的作用。光电探测件133可以但不限于是光电倍增管，例如，可以是雪崩光电二极管(APD)。
颗粒物散射光收集装置100采用前端收集组件110、光纤组件120以及光电探测组件130，可以有效缩短两束测径激光束之间的距离，减少粒子飞过两束激光时发生的赶超现象，提高颗粒物测量的准确性。同时，两测径激光束之间距离的减少，降低了测量过程中由于粒子束发散引起的影响，提高了粒子的检测效率。
进一步的，本实用新型涉及了一种激光测径系统，包括激光器以及颗粒物散射光收集装置100。激光器发出激光，最终产生两束平行的激光。待测颗粒物飞过该两束平行的激光，产生散射光。颗粒物散射光收集装置100接收该散射光，并将散射光转化成电脉冲信号。
激光测径系统包括激光器以及颗粒物散射光收集装置100，颗粒物散射光收集装置100采用单根光纤，单根光纤具有一定的柔性，可以弯曲，因此可以根据需求灵活的安装、排布光电探测组件130的位置，并且透镜跟单跟光纤的组合使用，其收集散射光的效率优于多根光纤的收集形式。因此，激光测经系统的几何尺寸能够有效地缩小，使各装置之间的结构更加紧凑，减少了激光测径系统的安装空间。
更进一步的，本实用新型还涉及一种质谱仪，其包括上激光测径系统。该质谱仪能够对颗粒物进行准确的分析，检测效率较高，内部的结构更合理，同时颗粒物散射光收集装置100在质谱仪中的安装和升级也更为方便。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920033610.X
申请日:2019-01-09
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:81(广州)
授权编号:CN209656506U
授权时间:20191119
主分类号:G01N 15/02
专利分类号:G01N15/02;G01N27/62
范畴分类:31E;
申请人:广州禾信仪器股份有限公司
第一申请人:广州禾信仪器股份有限公司
申请人地址:510530 广东省广州市广州高新技术产业开发区科学城开源大道11号A3栋第三层
发明人:杜绪兵;邓飞;喻佳俊;朱星高;刘平;代新;黄凯彬;刘今朝;陈颖
第一发明人:杜绪兵
当前权利人:广州禾信仪器股份有限公司
代理人:林青中
代理机构:44224
代理机构编号:广州华进联合专利商标代理有限公司 44224
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计