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空气微粒计数器原理及发展介绍
发布时间:2015-11-09   点击次数:1378次
空气微粒计数器是利用丁达尔现象来检测粒子。丁达尔效应是用John Tyndall的名字命名的,通常是胶体中的粒子对光线的散射作用引起的。一束明亮的光照在空气或雾中的灰尘上,所产生的散射就是丁达尔现象。
当折射率变化时,光线就会发生散射。这就意味着在液体中,汽泡对光线的散射作用和固体粒子是一样的。米氏理论描述了粒子对光的散射作用。
光的散射情况会随着粒子尺寸的变化而变化。在粒子计数器中,米氏理论zui重要的结果以及它对光散射的预测都与之相关。当粒子尺寸比光的波长要小得多的时候,光散射主要是朝着正前方(图1a)。而当粒子尺寸比光波长要大得多的时候,光散射则主要朝直角和后方方向散射。光可以看做是沿着传播方向进行垂直振荡的波。这一振荡方向就是所谓的偏振。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内进行测量的。
粒子尺寸在5μm时的散射情况类似;而具有偏振现象,粒子尺寸在0.3μm时的散射情况有很大不同。由于用对数表示,变化不到十倍的,都看不到了。散射光的强度随着频率的改变而变化:较短的波长意味较强的散射。在其他条件都相同的情况下,蓝光的散射强度大约是红光的10倍。大部分粒子计数器采用的都是近红外或红色激光;直到zui近,这还都是zui符合经济效益的选择。蓝色气体和半导体激光器价格都很贵;而且半导体激光器的使用寿命也很短。
空气微粒计数器在传感器的出口处有一个真空装置,把空气经过传感器抽走。而空气中的粒子则将激光散射。散射光又会被后面的聚光镜聚焦到光学探测器上,随后把光转换成电压信号,并且进行放大和滤波。此后,这个信号从模拟的转换成数字信号,并且由微处理器对它进行分类。微处理器也会通过接口将计数器连接到控制数据收集系统上。
激光气体激光器发明于1960年,而半导体激光器发明于1962年。开始时这些激光器很贵,但是随着它们变成具有经济效益时,在粒子计数器中,就用气体激光取代了白光。而到了20世纪80年代末,在绝大多数场合下,更便宜的半导体激光器又取代了气体激光器。用于粒子计数的激光器有两种:一种是气体激光器,如氦氖激光器和氩离子激光器;另外就是半导体激光器。气体激光器能够生产强烈的单色光,有时甚至是偏振光。气体激光器产生准直高斯光束,而半导体激光器则产生出一个小的发散点光源,通常发散光有两个不同的轴,并且总是出现多种模式。由于发散光具有多轴性,半导体激光器通常都有一个椭圆形的输出,这带来了一定的挑战,也带来了一定的优势。不同轴的散射光意味着要么勉强接受这一椭圆形的输出,要么设计一套复杂而昂贵的光学镜来做补偿。另一方面,椭圆光束很适合用于某些应用,利用长轴,可以得到更好的覆盖范围。
总之,氦氖激光器的输出“直接可用”,无需增加任何光学元件。要想产生类似于氦氖激光器的光束,从半导体激光器出来的光必须经过透镜聚焦,这会导致光能的损耗。但是,半导体激光器的成本低、体积小、工作电压低、功耗小,成为粒子计数器的zui佳选择。
在要求高灵敏度的应用中,氦氖激光器可以用于开式腔模式[6],产生很大的功率。因为样本要通过光学空腔谐振器,当粒子浓度较高时,激光会中断,所以此时这种类型的激光不适用。
入口喷嘴进入粒子计数器的入口样本对计数器的分辨率起着至关重要的作用。入口有两种类形:一种是扁平的(宽10mm,高0.1mm),另一种是内径为2-3mm的圆形。入口喷嘴为扁平的时,通常激光束是一条与喷嘴同轴的窄线。而入口喷嘴为圆形时,激光束则通常与入射口的轴线大致成直角。粒子会通过一个非常狭窄,强度很高的激光面。每种类型的喷嘴各有优缺点。扁平喷嘴出来的气流速度相当均匀,它通过激光束中zui强而且zui均匀的部分,因此精度zui高。但是,扁平喷嘴的横截面小,意味着要求真空度高于圆形喷嘴,这样会增加能耗(这点非常重要,特别是在采用电池供电时)。扁平喷嘴的制造比较复杂,价格也较高,而且它和激光之间的配合也是一个问题。圆形喷嘴比较简单,因为它的横截面较大,对于速度相同的气流,对真空度的要求也较低,所以当空气吸入时,能耗也较小。相对于扁平喷嘴,气流速度较低意味着每个粒子散射的光也更多。圆形喷嘴的缺点在于它会降低气流的均匀性,而且激光束的功率不是均匀的;光束会变粗,因而精度较低。
光学聚焦元件粒子会朝各个方向散射光,其中zui主要的还是正前方。随着粒子的变大,会有更多的光朝后面以及沿直角方向散射。光学聚焦元件则将光收集起来并且聚焦到探测器上,防止出现激光干扰。光学聚焦器件会尝试只收集包含有用信号的光,而将无用光排除在外。杂散反射光会导致噪音,通常会在基线上产生一定的偏移,这会影响仪器的灵敏度。反射镜:凹面镜可以用来聚集光线并且把光线聚焦到探测器上。凹面镜作为灯光的反射镜,可以将从它的焦点发出的光反射回焦点。这是zui常用的光学聚焦元件,可以用它做出小巧而且成本低的传感器。
透镜:用于粒子计数器的透镜通常都是成对出现的半球镜。它们可以有效地将图象(散射光)从一个焦点传输到另一个焦点(光电探测器)。在许多传感器中,也在透镜的另一端用一个反射镜来收集光线。非成像粒子计数器:非成像粒子计数器不需要使用任何光学聚焦元件。光电探测器紧靠着试样的入口和激光,收集散射光。小型传感器(例如手持式传感器)往往包含光学元件,它含有一个非成像元件。
光电探测器光电探测器每接收到一个光子就会产生电荷,从而将入射光转换成电脉冲。 散射光的数量会随着粒子尺寸的增大而增多,同时散射光子也会到达光电探测器,于是,产生了与粒子尺寸成正比的电流脉冲。光电二极管:光电二极管就是一个p-n结。当能量足够的光子撞上二极管时,就会产生一个可移动的电子和一个带正电的空穴。这些电荷会引起光电流,随后进行放大、滤波和分类处理。雪崩光电二极管:雪崩光电二极管[7]是一个半导体光电倍增管。光子能引起雪崩光电二极管发生电子雪崩;可以用来检测光子并进行计数。处理电路信号处理电路对光电探测器产生的信号进行放大和滤波。
高频干扰的频率远远高于粒子产生的信号,可以用低通滤波器把它滤掉。经过滤波后的信号,由一系列的脉冲组成,脉冲的高度与粒子尺寸有关。 现在对这些信号进行分类,用脉冲幅度分析仪进行模拟数字转换。在转换成数字信号之后,可以这些经过分类的脉冲进行计数,zui后送往控制系统。 

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