空氣微粒計數器原理及發(fā)展介紹
更新時(shí)間：2015-11-09 點(diǎn)擊次數：3275次
空氣微粒計數器是利用丁達爾現象來(lái)檢測粒子。丁達爾效應是用John Tyndall的名字命名的，通常是膠體中的粒子對光線(xiàn)的散射作用引起的。一束明亮的光照在空氣或霧中的灰塵上，所產(chǎn)生的散射就是丁達爾現象。
當折射率變化時(shí)，光線(xiàn)就會(huì )發(fā)生散射。這就意味著(zhù)在液體中，汽泡對光線(xiàn)的散射作用和固體粒子是一樣的。米氏理論描述了粒子對光的散射作用。
光的散射情況會(huì )隨著(zhù)粒子尺寸的變化而變化。在粒子計數器中，米氏理論zui重要的結果以及它對光散射的預測都與之相關(guān)。當粒子尺寸比光的波長(cháng)要小得多的時(shí)候，光散射主要是朝著(zhù)正前方（圖1a）。而當粒子尺寸比光波長(cháng)要大得多的時(shí)候，光散射則主要朝直角和后方方向散射。光可以看做是沿著(zhù)傳播方向進(jìn)行垂直振蕩的波。這一振蕩方向就是所謂的偏振。入射光的偏振非常重要。在以前的例子里，光的散射是在入射光的偏振平面內進(jìn)行測量的。
粒子尺寸在5μm時(shí)的散射情況類(lèi)似；而具有偏振現象，粒子尺寸在0.3μm時(shí)的散射情況有很大不同。由于用對數表示，變化不到十倍的，都看不到了。散射光的強度隨著(zhù)頻率的改變而變化：較短的波長(cháng)意味較強的散射。在其他條件都相同的情況下，藍光的散射強度大約是紅光的10倍。大部分粒子計數器采用的都是近紅外或紅色激光；直到zui近，這還都是zui符合經(jīng)濟效益的選擇。藍色氣體和半導體激光器價(jià)格都很貴；而且半導體激光器的使用壽命也很短。
空氣微粒計數器在傳感器的出口處有一個(gè)真空裝置，把空氣經(jīng)過(guò)傳感器抽走。而空氣中的粒子則將激光散射。散射光又會(huì )被后面的聚光鏡聚焦到光學(xué)探測器上，隨后把光轉換成電壓信號，并且進(jìn)行放大和濾波。此后，這個(gè)信號從模擬的轉換成數字信號，并且由微處理器對它進(jìn)行分類(lèi)。微處理器也會(huì )通過(guò)接口將計數器連接到控制數據收集系統上。
激光氣體激光器發(fā)明于1960年，而半導體激光器發(fā)明于1962年。開(kāi)始時(shí)這些激光器很貴，但是隨著(zhù)它們變成具有經(jīng)濟效益時(shí)，在粒子計數器中，就用氣體激光取代了白光。而到了20世紀80年代末，在絕大多數場(chǎng)合下，更便宜的半導體激光器又取代了氣體激光器。用于粒子計數的激光器有兩種：一種是氣體激光器，如氦氖激光器和氬離子激光器；另外就是半導體激光器。氣體激光器能夠生產(chǎn)強烈的單色光，有時(shí)甚至是偏振光。氣體激光器產(chǎn)生準直高斯光束，而半導體激光器則產(chǎn)生出一個(gè)小的發(fā)散點(diǎn)光源，通常發(fā)散光有兩個(gè)不同的軸，并且總是出現多種模式。由于發(fā)散光具有多軸性，半導體激光器通常都有一個(gè)橢圓形的輸出，這帶來(lái)了一定的挑戰，也帶來(lái)了一定的優(yōu)勢。不同軸的散射光意味著(zhù)要么勉強接受這一橢圓形的輸出，要么設計一套復雜而昂貴的光學(xué)鏡來(lái)做補償。另一方面，橢圓光束很適合用于某些應用，利用長(cháng)軸，可以得到更好的覆蓋范圍。
總之，氦氖激光器的輸出“直接可用”，無(wú)需增加任何光學(xué)元件。要想產(chǎn)生類(lèi)似于氦氖激光器的光束，從半導體激光器出來(lái)的光必須經(jīng)過(guò)透鏡聚焦，這會(huì )導致光能的損耗。但是，半導體激光器的成本低、體積小、工作電壓低、功耗小，成為粒子計數器的*選擇。
在要求高靈敏度的應用中，氦氖激光器可以用于開(kāi)式腔模式[6]，產(chǎn)生很大的功率。因為樣本要通過(guò)光學(xué)空腔諧振器，當粒子濃度較高時(shí)，激光會(huì )中斷，所以此時(shí)這種類(lèi)型的激光不適用。
入口噴嘴進(jìn)入粒子計數器的入口樣本對計數器的分辨率起著(zhù)至關(guān)重要的作用。入口有兩種類(lèi)形：一種是扁平的（寬10mm，高0.1mm），另一種是內徑為2-3mm的圓形。入口噴嘴為扁平的時(shí)，通常激光束是一條與噴嘴同軸的窄線(xiàn)。而入口噴嘴為圓形時(shí)，激光束則通常與入射口的軸線(xiàn)大致成直角。粒子會(huì )通過(guò)一個(gè)非常狹窄，強度很高的激光面。每種類(lèi)型的噴嘴各有優(yōu)缺點(diǎn)。扁平噴嘴出來(lái)的氣流速度相當均勻，它通過(guò)激光束中zui強而且zui均勻的部分，因此精度zui高。但是，扁平噴嘴的橫截面小，意味著(zhù)要求真空度高于圓形噴嘴，這樣會(huì )增加能耗（這點(diǎn)非常重要，特別是在采用電池供電時(shí)）。扁平噴嘴的制造比較復雜，價(jià)格也較高，而且它和激光之間的配合也是一個(gè)問(wèn)題。圓形噴嘴比較簡(jiǎn)單，因為它的橫截面較大，對于速度相同的氣流，對真空度的要求也較低，所以當空氣吸入時(shí)，能耗也較小。相對于扁平噴嘴，氣流速度較低意味著(zhù)每個(gè)粒子散射的光也更多。圓形噴嘴的缺點(diǎn)在于它會(huì )降低氣流的均勻性，而且激光束的功率不是均勻的；光束會(huì )變粗，因而精度較低。
光學(xué)聚焦元件粒子會(huì )朝各個(gè)方向散射光，其中zui主要的還是正前方。隨著(zhù)粒子的變大，會(huì )有更多的光朝后面以及沿直角方向散射。光學(xué)聚焦元件則將光收集起來(lái)并且聚焦到探測器上，防止出現激光干擾。光學(xué)聚焦器件會(huì )嘗試只收集包含有用信號的光，而將無(wú)用光排除在外。雜散反射光會(huì )導致噪音，通常會(huì )在基線(xiàn)上產(chǎn)生一定的偏移，這會(huì )影響儀器的靈敏度。反射鏡：凹面鏡可以用來(lái)聚集光線(xiàn)并且把光線(xiàn)聚焦到探測器上。凹面鏡作為燈光的反射鏡，可以將從它的焦點(diǎn)發(fā)出的光反射回焦點(diǎn)。這是zui常用的光學(xué)聚焦元件，可以用它做出小巧而且成本低的傳感器。
透鏡：用于粒子計數器的透鏡通常都是成對出現的半球鏡。它們可以有效地將圖象（散射光）從一個(gè)焦點(diǎn)傳輸到另一個(gè)焦點(diǎn)（光電探測器）。在許多傳感器中，也在透鏡的另一端用一個(gè)反射鏡來(lái)收集光線(xiàn)。非成像粒子計數器：非成像粒子計數器不需要使用任何光學(xué)聚焦元件。光電探測器緊靠著(zhù)試樣的入口和激光，收集散射光。小型傳感器（例如手持式傳感器）往往包含光學(xué)元件，它含有一個(gè)非成像元件。
光電探測器光電探測器每接收到一個(gè)光子就會(huì )產(chǎn)生電荷，從而將入射光轉換成電脈沖。 散射光的數量會(huì )隨著(zhù)粒子尺寸的增大而增多，同時(shí)散射光子也會(huì )到達光電探測器，于是，產(chǎn)生了與粒子尺寸成正比的電流脈沖。光電二極管：光電二極管就是一個(gè)p-n結。當能量足夠的光子撞上二極管時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)可移動(dòng)的電子和一個(gè)帶正電的空穴。這些電荷會(huì )引起光電流，隨后進(jìn)行放大、濾波和分類(lèi)處理。雪崩光電二極管：雪崩光電二極管[7]是一個(gè)半導體光電倍增管。光子能引起雪崩光電二極管發(fā)生電子雪崩；可以用來(lái)檢測光子并進(jìn)行計數。處理電路信號處理電路對光電探測器產(chǎn)生的信號進(jìn)行放大和濾波。
高頻干擾的頻率遠遠高于粒子產(chǎn)生的信號，可以用低通濾波器把它濾掉。經(jīng)過(guò)濾波后的信號，由一系列的脈沖組成，脈沖的高度與粒子尺寸有關(guān)。 現在對這些信號進(jìn)行分類(lèi)，用脈沖幅度分析儀進(jìn)行模擬數字轉換。在轉換成數字信號之后，可以這些經(jīng)過(guò)分類(lèi)的脈沖進(jìn)行計數，zui后送往控制系統。
當折射率變化時(shí)，光線(xiàn)就會(huì )發(fā)生散射。這就意味著(zhù)在液體中，汽泡對光線(xiàn)的散射作用和固體粒子是一樣的。米氏理論描述了粒子對光的散射作用。
光的散射情況會(huì )隨著(zhù)粒子尺寸的變化而變化。在粒子計數器中，米氏理論zui重要的結果以及它對光散射的預測都與之相關(guān)。當粒子尺寸比光的波長(cháng)要小得多的時(shí)候，光散射主要是朝著(zhù)正前方（圖1a）。而當粒子尺寸比光波長(cháng)要大得多的時(shí)候，光散射則主要朝直角和后方方向散射。光可以看做是沿著(zhù)傳播方向進(jìn)行垂直振蕩的波。這一振蕩方向就是所謂的偏振。入射光的偏振非常重要。在以前的例子里，光的散射是在入射光的偏振平面內進(jìn)行測量的。
粒子尺寸在5μm時(shí)的散射情況類(lèi)似；而具有偏振現象，粒子尺寸在0.3μm時(shí)的散射情況有很大不同。由于用對數表示，變化不到十倍的，都看不到了。散射光的強度隨著(zhù)頻率的改變而變化：較短的波長(cháng)意味較強的散射。在其他條件都相同的情況下，藍光的散射強度大約是紅光的10倍。大部分粒子計數器采用的都是近紅外或紅色激光；直到zui近，這還都是zui符合經(jīng)濟效益的選擇。藍色氣體和半導體激光器價(jià)格都很貴；而且半導體激光器的使用壽命也很短。
空氣微粒計數器在傳感器的出口處有一個(gè)真空裝置，把空氣經(jīng)過(guò)傳感器抽走。而空氣中的粒子則將激光散射。散射光又會(huì )被后面的聚光鏡聚焦到光學(xué)探測器上，隨后把光轉換成電壓信號，并且進(jìn)行放大和濾波。此后，這個(gè)信號從模擬的轉換成數字信號，并且由微處理器對它進(jìn)行分類(lèi)。微處理器也會(huì )通過(guò)接口將計數器連接到控制數據收集系統上。
激光氣體激光器發(fā)明于1960年，而半導體激光器發(fā)明于1962年。開(kāi)始時(shí)這些激光器很貴，但是隨著(zhù)它們變成具有經(jīng)濟效益時(shí)，在粒子計數器中，就用氣體激光取代了白光。而到了20世紀80年代末，在絕大多數場(chǎng)合下，更便宜的半導體激光器又取代了氣體激光器。用于粒子計數的激光器有兩種：一種是氣體激光器，如氦氖激光器和氬離子激光器；另外就是半導體激光器。氣體激光器能夠生產(chǎn)強烈的單色光，有時(shí)甚至是偏振光。氣體激光器產(chǎn)生準直高斯光束，而半導體激光器則產(chǎn)生出一個(gè)小的發(fā)散點(diǎn)光源，通常發(fā)散光有兩個(gè)不同的軸，并且總是出現多種模式。由于發(fā)散光具有多軸性，半導體激光器通常都有一個(gè)橢圓形的輸出，這帶來(lái)了一定的挑戰，也帶來(lái)了一定的優(yōu)勢。不同軸的散射光意味著(zhù)要么勉強接受這一橢圓形的輸出，要么設計一套復雜而昂貴的光學(xué)鏡來(lái)做補償。另一方面，橢圓光束很適合用于某些應用，利用長(cháng)軸，可以得到更好的覆蓋范圍。
總之，氦氖激光器的輸出“直接可用”，無(wú)需增加任何光學(xué)元件。要想產(chǎn)生類(lèi)似于氦氖激光器的光束，從半導體激光器出來(lái)的光必須經(jīng)過(guò)透鏡聚焦，這會(huì )導致光能的損耗。但是，半導體激光器的成本低、體積小、工作電壓低、功耗小，成為粒子計數器的*選擇。
在要求高靈敏度的應用中，氦氖激光器可以用于開(kāi)式腔模式[6]，產(chǎn)生很大的功率。因為樣本要通過(guò)光學(xué)空腔諧振器，當粒子濃度較高時(shí)，激光會(huì )中斷，所以此時(shí)這種類(lèi)型的激光不適用。
入口噴嘴進(jìn)入粒子計數器的入口樣本對計數器的分辨率起著(zhù)至關(guān)重要的作用。入口有兩種類(lèi)形：一種是扁平的（寬10mm，高0.1mm），另一種是內徑為2-3mm的圓形。入口噴嘴為扁平的時(shí)，通常激光束是一條與噴嘴同軸的窄線(xiàn)。而入口噴嘴為圓形時(shí)，激光束則通常與入射口的軸線(xiàn)大致成直角。粒子會(huì )通過(guò)一個(gè)非常狹窄，強度很高的激光面。每種類(lèi)型的噴嘴各有優(yōu)缺點(diǎn)。扁平噴嘴出來(lái)的氣流速度相當均勻，它通過(guò)激光束中zui強而且zui均勻的部分，因此精度zui高。但是，扁平噴嘴的橫截面小，意味著(zhù)要求真空度高于圓形噴嘴，這樣會(huì )增加能耗（這點(diǎn)非常重要，特別是在采用電池供電時(shí)）。扁平噴嘴的制造比較復雜，價(jià)格也較高，而且它和激光之間的配合也是一個(gè)問(wèn)題。圓形噴嘴比較簡(jiǎn)單，因為它的橫截面較大，對于速度相同的氣流，對真空度的要求也較低，所以當空氣吸入時(shí)，能耗也較小。相對于扁平噴嘴，氣流速度較低意味著(zhù)每個(gè)粒子散射的光也更多。圓形噴嘴的缺點(diǎn)在于它會(huì )降低氣流的均勻性，而且激光束的功率不是均勻的；光束會(huì )變粗，因而精度較低。
光學(xué)聚焦元件粒子會(huì )朝各個(gè)方向散射光，其中zui主要的還是正前方。隨著(zhù)粒子的變大，會(huì )有更多的光朝后面以及沿直角方向散射。光學(xué)聚焦元件則將光收集起來(lái)并且聚焦到探測器上，防止出現激光干擾。光學(xué)聚焦器件會(huì )嘗試只收集包含有用信號的光，而將無(wú)用光排除在外。雜散反射光會(huì )導致噪音，通常會(huì )在基線(xiàn)上產(chǎn)生一定的偏移，這會(huì )影響儀器的靈敏度。反射鏡：凹面鏡可以用來(lái)聚集光線(xiàn)并且把光線(xiàn)聚焦到探測器上。凹面鏡作為燈光的反射鏡，可以將從它的焦點(diǎn)發(fā)出的光反射回焦點(diǎn)。這是zui常用的光學(xué)聚焦元件，可以用它做出小巧而且成本低的傳感器。
透鏡：用于粒子計數器的透鏡通常都是成對出現的半球鏡。它們可以有效地將圖象（散射光）從一個(gè)焦點(diǎn)傳輸到另一個(gè)焦點(diǎn)（光電探測器）。在許多傳感器中，也在透鏡的另一端用一個(gè)反射鏡來(lái)收集光線(xiàn)。非成像粒子計數器：非成像粒子計數器不需要使用任何光學(xué)聚焦元件。光電探測器緊靠著(zhù)試樣的入口和激光，收集散射光。小型傳感器（例如手持式傳感器）往往包含光學(xué)元件，它含有一個(gè)非成像元件。
光電探測器光電探測器每接收到一個(gè)光子就會(huì )產(chǎn)生電荷，從而將入射光轉換成電脈沖。 散射光的數量會(huì )隨著(zhù)粒子尺寸的增大而增多，同時(shí)散射光子也會(huì )到達光電探測器，于是，產(chǎn)生了與粒子尺寸成正比的電流脈沖。光電二極管：光電二極管就是一個(gè)p-n結。當能量足夠的光子撞上二極管時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)可移動(dòng)的電子和一個(gè)帶正電的空穴。這些電荷會(huì )引起光電流，隨后進(jìn)行放大、濾波和分類(lèi)處理。雪崩光電二極管：雪崩光電二極管[7]是一個(gè)半導體光電倍增管。光子能引起雪崩光電二極管發(fā)生電子雪崩；可以用來(lái)檢測光子并進(jìn)行計數。處理電路信號處理電路對光電探測器產(chǎn)生的信號進(jìn)行放大和濾波。
高頻干擾的頻率遠遠高于粒子產(chǎn)生的信號，可以用低通濾波器把它濾掉。經(jīng)過(guò)濾波后的信號，由一系列的脈沖組成，脈沖的高度與粒子尺寸有關(guān)。 現在對這些信號進(jìn)行分類(lèi)，用脈沖幅度分析儀進(jìn)行模擬數字轉換。在轉換成數字信號之后，可以這些經(jīng)過(guò)分類(lèi)的脈沖進(jìn)行計數，zui后送往控制系統。
