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激光尘埃粒子计数器的工作原理

发布时间:2015-12-23   点击次数:209次

激(光)尘埃粒子计数器的工作原理

粒子计数器是利用丁达尔现象(TyndallEffect)来检测粒子。丁达尔效应是用JohnTyndall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(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(MieTheory)描述了粒子对(光)的散射作用。

Lorenz-Mie-Debye理论zui早由GustavMie提出,它描述了(光)是如何朝各个不同方向散射的。具体的散射情况决定于介质的折射率、粒子对(光)的散射作用、粒子的尺寸和(光)的波长。具体介绍米氏理论的细节超出了本文的范围;但是,有很多公共领域的应用都可以用来验证(光)是如何散射的。

(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(图1b)。

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(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(图2a);而具有偏振现象,粒子尺寸在0.3μm(图2b)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(空气)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(空气)粒子计数器

图3所示的粒子计数器是使用传感器的典型设计;(空气)流、激(光)、以及聚(光)镜彼此成直角。
在传感器的出口处有一个真空装置,把空(空气)经过传感器抽走。而空(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)

(空气)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(空气)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(空气)体激(光)器。

用于粒子计数的激(光)器有两种:一种是(空气)体激(光)器,如氦氖(HeNe)激(光)器和氩离子(argon-ion)激(光)器;另外就是半导体激(光)器[5]。(空气)体激(光)器能够生产强烈的单色(光),有时甚至是偏振(光)。(空气)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,成为粒子计数器的优先选择。
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,产生很大的功率(图4)。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(无法维持“Q”因子),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(空气)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(空气)流,对真空度的要求也较低,所以当空(空气)吸入时,能耗也较小。相对于扁平喷嘴,(空气)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(空气)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。

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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。

小心地运用遮蔽技术,例如限制(光)圈或视场(光)阑,可以进一步减少偏射(光)。用透镜将(光)线从一个平面传输到另一平面,以及偏(光)消除技术,这些与那些摄影技术中常用的办法并没有什么不同,但是要记住,粒子计数器使用的是单色(光)辐射,因此不必担心另外需要使用色差校正(不同波长的(光)折射后会聚焦在不同点上)。

Mangin镜:Mangin镜主要由一个负凹凸透镜和一个镜像凸形二次表面组成。这些过去常见于乙炔灯。现在,它们用在(光)学系统中,例如望远镜。

Mangin镜在粒子计数器中是成对使用,类似于半球透镜。Mangin镜比透镜轻,但是比透镜宽。和半球透镜一样,它的功能是将图像从一个镜子的焦点传输到另一个镜子的焦点。

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。(光)电二极管:(光)电二极管是一个半导体(光)电倍增管。(光)子能引起(光)电二极管发生电子;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。

例如,图所示的(经处理)信号来自粒子计数器。粒子产生了4个尖脉冲。基线有些波动,可能是声波(例如,来自泵)、电源的影响,也可能是由于空(空气)从入口处高速涌入时产生的呼啸声的影响。基线的波动频率远远低于粒子产生的信号,可以用高通滤波器把它滤除。

这样还会留下高频干扰(可能来自处理电路),如图5b所示。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(图5c)。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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