专利名称：前向散射云滴粒子探测器的标定方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及仪器的标定方法，尤其是涉及一种机载云粒子测量系统中前向散射云 滴粒子探测器的标定方法及装置。
背景技术：
随着气象科学研究的不断深入与发展，气象观测能力和技术手段取得了巨大的进 步。然而，对于云、气溶胶等粒子的微物理观测，最为有效的方法是基于激光技术的直接测 量仪器，其中激光粒子计数器是一种测量大气中各种粒子粒径及其分布的专用仪器，在环 境监测、空气洁净净化和大气科学研究等领域应用日益广泛。上世纪70年代以来，美国研 制了一套自动化的机载云粒子测量系统(PMS)，目前该套仪器在自动化测量和探测精度的 方面均有了很大的提高。我国虽然是人工影响天气的大国，但不是强国，目前机载云滴粒 子探测主要是从美国进口。该测量系统包括四个大气粒子采样探头分别覆盖不同的测量范 围，该系统的总测量范围为0.1-6200 μ m。前向散射云滴粒子探测器(FSSP)是PMS云滴粒 子测量系统的四个探头之一，其进行云滴粒子测量的尺寸范围为4-50 μ m。FSSP使用固体 激光器作为激光照明光源，当云中水滴、冰晶粒子穿过照明光束时，将光向方向散射， 系统接收4-13°方向的前向散射光。收集的光能量按一定比例被送到质量控制通道和测 量通道，质量控制用于确定粒子是否从设定的区域通过，测量通道则根据光电探测器输出 电信号的光脉冲幅度判断粒子尺寸大�。淼缏吠本哂泄饴龀寮剖δ埽虼耍孟低� 可以测量粒子的粒径分布。但FSSP作为一种精密仪器，测量结果经常受到外界的影响。首 先FSSP是基于激光的光学仪器，本身对准精度要求高；其次，飞机在起飞或者着陆时，加速 度或者颠簸会使系统的光学部件产生一定的形变，当这种形变不能完全恢复时，会影响光 路；再次，FSSP工作在云层中，难免玻璃窗口上结冰或者凝露，窗口污染导致激光的透过率 降低，使测量的数值比实际值偏小。因此，为保证FSSP测量的准确性，需要经常对系统进行 标定。目前该仪器在出厂时由厂家进行标定，仪器的日常标定则使用厂家提供的标准粒 子进行，这种标准粒子实际上是特殊加工的具有固定尺寸的玻璃球，日常标定时，标定者首 先使FSSP进入工作状态，然后使用吸耳球将厂家提供的具有一定尺寸的标准粒子吸入，最 后将吸耳出气嘴对准FSSP的测量区域并将标准粒子喷出。标准粒子喷出后，查看仪器对粒 子尺寸的输出结果与实际尺寸是否相符，如果相符，该仪器可以观测使用，如果不同，则需 要根据实际情况对仪器进行微调。这种标定方法存在以下几个方面的问题首先，这种特 殊加工的具有固定尺寸的玻璃球由于加工困难，造价十分昂贵；其次，即便是如此昂贵的玻 璃球，也很难保证每个玻璃球为标准球形和尺寸大小与标称相符，若玻璃球呈非球形，则会 与FSSP的设计原理相悖，尺寸大小若与标称不同，同样会带来误差；再次，利用玻璃球进行 标定时，玻璃球由吸耳球喷出，显然，玻璃球的速度与实际测量过程中粒子速度相比差别很 大，这个差别导致接收系统的光电信号时域特性不同，电信号在甄别之前要进行放大，时域 宽度不同导致放大器对信号的放大能力不同，产生速度引起的误差。最后，由于玻璃球粒子本身的差异，以及吸耳球操作过程中的差异，标定过程的重复性差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本低廉、使用简单并具有较高精度的前向散射云滴 粒子探测器的标定方法及装置。本发明的思路是根据前向散射云滴粒子探测器对粒子Mie散射与小孔光阑夫琅 和费响应的相似性，利用小孔光阑代替目前使用的玻璃球来进行标定；本发明具体技术方 案如下一种前向散射云滴粒子探测器的标定方法，其特征在于使用一组孔径范围在 5-50 μ m的小孔光阑模拟云滴粒子进行标定，具体为首先在前向散射云滴粒子探测器正常的情况下使小孔光阑按照不同的速度通过 散射云滴粒子探测器的探测区域，得到散射云滴粒子探测器输出的各速度下不同孔径光阑 的测量值，根据测量值得到标准标定曲线；日常标定时，使小孔光阑按照不同的速度通过散射云滴粒子探测器的探测区域， 将散射云滴粒子探测器输出的测量值与标准标定曲线进行比较，如未超出预先设定的偏 差，则说明前向散射云滴粒子探测器处于正常状态，可进行正常量测使用；如超出预先设定 的偏差，则调整前向散射云滴粒子探测器的光学部分，直到其输出与标准标定曲线吻合。上述技术方案中的小孔光阑可以在5-50 μ m范围内选择多个不同的尺寸，本发明 选用孔径分别为5 μ m，10 μ m，20 μ m、30 μ m、40 μ m、50 μ m的6个小孔光阑，采用成熟的激光 打孔技术可以十分精确的将孔径控制在极小的误差范围内。本发明技术方案中所述使小孔光阑按照不同的速度通过前向散射云滴粒子探测 器的探测区域是通过以下方法实现将小孔光阑安装在一个与调速电机的转轴相连的旋转 圆盘上，通过调整调速电机的转速，旋转圆盘随电机转动从而带动小孔光阑按照相应的线 速度通过前向散射云滴粒子探测器的探测区域。当然，也可通过其它类似方式，只要可以使 小孔光阑按照预定的速度通过前向散射云滴粒子探测器的探测区域即可。本发明的前向散射云滴粒子探测器的标定方法可以通过以下装置实现一种前向散射云滴粒子探测器的标定装置，其特征在于包括三维平移台、调速电 机、旋转圆盘、光阑夹具及一组孔径范围在5-50 μ m的小孔光阑；调速电机固定于三维平移 台上并随三维平移台沿前向散射云滴粒子探测器的探测激光发射方向及与探测激光垂直 方向移动；旋转圆盘通过圆心与调速电机的转轴固定连接并随电机转轴转动；旋转圆盘上 开有螺孔；光阑夹具由中空的圆柱形主体及压丝组成，主体外缘刻有螺纹，主体外缘直径与 旋转圆盘上螺孔孔径相适应并通过螺纹相互连接固定；小孔光阑外径与光阑夹具主体内孔 径相适应并通过压丝固定于光阑夹具的内孔中。相比现有的标定方法，本发明采用的小孔光阑可以重复使用，避免了使用特制玻 璃珠所产生的高昂代价，使用成本大幅降低；由于本发明采用了调速电机带动小孔光阑转 动，小孔光阑通过探测器探测区域的速度可任意调整并可达到较高的线速度，更加接近于 实际使用时的环境，因此标定的准确性及重复性更好。
图1为本发明的前向散射云滴粒子探测器的标定装置结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明如附图1所示，本发明的前向散射云滴粒子探测器的标定装置，包括三维平移台 1、调速电机3、旋转圆盘4、光阑夹具5及一组孔径范围在5-50 μ m的小孔光阑6 ；调速电机 3通过一个平移台_电机连接夹具2固定于三维平移台1上并随三维平移台1沿前向散射 云滴粒子探测器的探测激光发射方向及与探测激光垂直方向移动；旋转圆盘4通过圆心与 调速电机3的转轴固定连接并随电机转轴转动；旋转圆盘4上开有螺孔；光阑夹具5由中空 的圆柱形主体及压丝组成，主体外缘刻有螺纹，主体外缘直径与旋转圆盘4上螺孔孔径相 适应并通过螺纹相互连接固定；小孔光阑6外径与光阑夹具5主体内孔径相适应并通过压 丝固定于光阑夹具5的内孔中。在本具体实施方式
中，小孔光阑6的孑L径分另U为5μπι，10μπι，20μπι、30μπι、40μπι、
50 μ m,采用成熟的激光打孔技术，可以十分精确的将孔径控制在极小的误差范围内。本具体实施方之中，旋转圆盘4的直径为300mm，厚度为2mm，在圆盘中心开D形 ？L，通过D形孔与调速电机3的转轴连接并通过螺丝固定；旋转圆盘4上距圆心80mm处开 有一个螺孔，用来安装光阑夹具5。本具体实施方式
中，调速电机3采用最大转速20000转/分钟，可无级变速的调速 电机；调速电机3通过一个平移台-电机连接夹具2固定在三维平移台1上；平移台-电机 连接夹具2分为底座和压紧件两部分，底座部分平底，底部开通孔用于固定在三维平移台1 上，上部居中按照调速电机3的尺寸开半圆槽；压紧件部分也开半圆形槽，通过法兰固定于 底座上，并压紧调速电机3。本具体实施方式
中，三维平移台1的三个可移动方向上均通过一个千分尺驱动， 通过千分尺可准确控制并量测三维平移台1的移动距离。使用上述装置进行标定时，按照以下方法首先利用上述装置在FSSP状态正常时(例如刚出厂或由厂家进行过标定)制作 标准标定曲线，按照以下步骤1)选择一个小孔光阑，通过光阑夹具安装在旋转圆盘上；2)移动三维平移台，使小孔光阑处于FSSP的测量区域；3)开启FSSP，通过三维平移台上的千分尺微调小孔光阑的位置，直到FSSP的输出 值最大，此时，小孔光阑处在照明光束的中心位置和FSSP测量区域的中心位置；4)开启调速电机，调整电机转速，分别记录若干个转速下FSSP的输出值；5)更换小孔光阑，重复上述步骤(4)；6)根据以上得到的各孔径小孔光阑在不同转速下FSSP的输出值绘制标准标定曲线。日常标定时，可根据标定的实际需要，任意选择一个或多个小孔光阑按照上述 (1)-(5)步骤得到一系列FSSP测量值，详细操作过程与制作标定曲线时相同，此处不再赘 述；将测量值与标准标定曲线进行比较，如未超出预先设定的偏差，则说明前向散射云滴粒
5子探测器处于正常状态，可进行正常量测使用；如超出预先设定的偏差，则调整前向散射云 滴粒子探测器的光学部分，直到其输出与标准标定曲线吻合。利用本发明的前向散射云滴粒子探测器的标定装置，还可以对云滴粒子探测器的 景深进行测量，具体方法如下选用5μπι的小孔光阑，先将小孔光阑移动至探测器探测区域中心的位置，利用三 维平移台，使小孔光阑分别沿探测器光轴方向前、向后移动，直到云滴粒子探测器没有输 出。通过千分尺示数分别记录这两个位置，这两个位置之间的距离便是云滴粒子探测器的 景深。
权利要求
一种前向散射云滴粒子探测器的标定方法，其特征在于使用一组孔径范围在5 50μm的小孔光阑模拟云滴粒子进行标定，具体为首先在前向散射云滴粒子探测器正常的情况下使小孔光阑按照不同的速度通过散射云滴粒子探测器的探测区域，得到散射云滴粒子探测器输出的各速度下不同孔径光阑的测量值，根据测量值得到标准标定曲线；日常标定时，使小孔光阑按照不同的速度通过散射云滴粒子探测器的探测区域，将散射云滴粒子探测器输出的测量值与标准标定曲线进行比较，如未超出预先设定的偏差，则说明前向散射云滴粒子探测器处于正常状态，可进行正常量测使用；如超出预先设定的偏差，则调整前向散射云滴粒子探测器的光学部分，直到其输出与标准标定曲线吻合。
2.如权利要求1所述前向散射云滴粒子探测器的标定方法，其特征在于所述一组孔 径范围在5-50 μ m的小孔光阑包括孔径分别为5 μ m，10 μ m，20 μ m、30 μ m、40 μ m、50 μ m的 6个小孔光阑。
3.如权利要求1所述前向散射云滴粒子探测器的标定方法，其特征在于所述使小孔 光阑按照不同的速度通过散射云滴粒子探测器的探测区域是通过以下方法实现将小孔光阑安装在一个与调速电机的转轴相连的旋转圆盘上，通过调整调速电机的转 速，旋转圆盘随电机转动从而带动小孔光阑按照相应的线速度通过散射云滴粒子探测器的 探测区域。
4.一种前向散射云滴粒子探测器的标定装置，其特征在于包括三维平移台、调速电 机、旋转圆盘、光阑夹具及一组孔径范围在5-50 μ m的小孔光阑；调速电机固定于三维平移 台上并随三维平移台沿前向散射云滴粒子探测器的探测激光发射方向及与探测激光垂直 方向移动；旋转圆盘通过圆心与调速电机的转轴固定连接并随电机转轴转动；旋转圆盘上 开有螺孔；光阑夹具由中空的圆柱形主体及压丝组成，主体外缘刻有螺纹，主体外缘直径与 旋转圆盘上螺孔孔径相适应并通过螺纹相互连接固定；小孔光阑外径与光阑夹具主体内孔 径相适应并通过压丝固定于光阑夹具的内孔中。
5.如权利要求4所述前向散射云滴粒子探测器的标定装置，其特征在于还包括一个 用于将调速电机固定于三维平移台上的平移台_电机连接夹具，该平移台_电机连接夹具 分为底座和压紧件两部分，底座部分平底，底部开通孔用于固定在三维平移台上，上部居中 按照电机的尺寸开半圆槽；压紧件部分也开半圆形槽，通过法兰固定于底座上，并压紧调速 电机。
6.如权利要求4所述前向散射云滴粒子探测器的标定装置，其特征在于三维平移台 的三个可移动方向上均通过一个千分尺驱动，通过千分尺可准确控制并量测三维平移台的 移动距离。
全文摘要
本发明公开了一种前向散射云滴粒子探测器的标定方法及装置。本发明方法通过使用一组孔径范围在5-50μm的小孔光阑模拟云滴粒子进行标定。本发明的标定装置包括三维平移台、调速电机、旋转圆盘、光阑夹具及一组孔径范围在5-50μm的小孔光阑；调速电机固定于三维平移台上并随三维平移台沿前向散射云滴粒子探测器的探测激光发射方向及与探测激光垂直方向移动；旋转圆盘通过圆心与调速电机的转轴固定连接并随电机转轴转动；旋转圆盘上开有螺孔；光阑夹具由中空的圆柱形主体及压丝组成，主体外缘刻有螺纹，主体外缘直径与旋转圆盘上螺孔孔径相适应并通过螺纹相互连接固定；小孔光阑外径与光阑夹具主体内孔径相适应并通过压丝固定于光阑夹具的内孔中。
文档编号G01N15/02GK101936870SQ20101024436
公开日2011年1月5日 申请日期2010年8月3日 优先权日2010年8月3日
发明者卜令兵, 黄兴友 申请人:南京信息工程大学
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
