空氣微粒計(jì)數(shù)器原理及發(fā)展介紹
更新時(shí)間：2015-11-09 點(diǎn)擊次數(shù)：3856次
空氣微粒計(jì)數(shù)器是利用丁達(dá)爾現(xiàn)象來檢測粒子。丁達(dá)爾效應(yīng)是用John Tyndall的名字命名的，通常是膠體中的粒子對光線的散射作用引起的。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(dá)爾現(xiàn)象。
當(dāng)折射率變化時(shí)，光線就會發(fā)生散射。這就意味著在液體中，汽泡對光線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。
光的散射情況會隨著粒子尺寸的變化而變化。在粒子計(jì)數(shù)器中，米氏理論zui重要的結(jié)果以及它對光散射的預(yù)測都與之相關(guān)。當(dāng)粒子尺寸比光的波長要小得多的時(shí)候，光散射主要是朝著正前方（圖1a）。而當(dāng)粒子尺寸比光波長要大得多的時(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(nèi)進(jìn)行測量的。
粒子尺寸在5μm時(shí)的散射情況類似；而具有偏振現(xiàn)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(shù)表示，變化不到十倍的，都看不到了。散射光的強(qiáng)度隨著頻率的改變而變化：較短的波長意味較強(qiáng)的散射。在其他條件都相同的情況下，藍(lán)光的散射強(qiáng)度大約是紅光的10倍。大部分粒子計(jì)數(shù)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(jì)效益的選擇。藍(lán)色氣體和半導(dǎo)體激光器價(jià)格都很貴；而且半導(dǎo)體激光器的使用壽命也很短。
空氣微粒計(jì)數(shù)器在傳感器的出口處有一個(gè)真空裝置，把空氣經(jīng)過傳感器抽走。而空氣中的粒子則將激光散射。散射光又會被后面的聚光鏡聚焦到光學(xué)探測器上，隨后把光轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并且由微處理器對它進(jìn)行分類。微處理器也會通過接口將計(jì)數(shù)器連接到控制數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)上。
激光氣體激光器發(fā)明于1960年，而半導(dǎo)體激光器發(fā)明于1962年。開始時(shí)這些激光器很貴，但是隨著它們變成具有經(jīng)濟(jì)效益時(shí)，在粒子計(jì)數(shù)器中，就用氣體激光取代了白光。而到了20世紀(jì)80年代末，在絕大多數(shù)場合下，更便宜的半導(dǎo)體激光器又取代了氣體激光器。用于粒子計(jì)數(shù)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(dǎo)體激光器。氣體激光器能夠生產(chǎn)強(qiáng)烈的單色光，有時(shí)甚至是偏振光。氣體激光器產(chǎn)生準(zhǔn)直高斯光束，而半導(dǎo)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(xiàn)多種模式。由于發(fā)散光具有多軸性，半導(dǎo)體激光器通常都有一個(gè)橢圓形的輸出，這帶來了一定的挑戰(zhàn)，也帶來了一定的優(yōu)勢。不同軸的散射光意味著要么勉強(qiáng)接受這一橢圓形的輸出，要么設(shè)計(jì)一套復(fù)雜而昂貴的光學(xué)鏡來做補(bǔ)償。另一方面，橢圓光束很適合用于某些應(yīng)用，利用長軸，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”，無需增加任何光學(xué)元件。要想產(chǎn)生類似于氦氖激光器的光束，從半導(dǎo)體激光器出來的光必須經(jīng)過透鏡聚焦，這會導(dǎo)致光能的損耗。但是，半導(dǎo)體激光器的成本低、體積小、工作電壓低、功耗小，成為粒子計(jì)數(shù)器的*選擇。
在要求高靈敏度的應(yīng)用中，氦氖激光器可以用于開式腔模式[6]，產(chǎn)生很大的功率。因?yàn)闃颖疽ㄟ^光學(xué)空腔諧振器，當(dāng)粒子濃度較高時(shí)，激光會中斷，所以此時(shí)這種類型的激光不適用。
入口噴嘴進(jìn)入粒子計(jì)數(shù)器的入口樣本對計(jì)數(shù)器的分辨率起著至關(guān)重要的作用。入口有兩種類形：一種是扁平的（寬10mm，高0.1mm），另一種是內(nèi)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。而入口噴嘴為圓形時(shí)，激光束則通常與入射口的軸線大致成直角。粒子會通過一個(gè)非常狹窄，強(qiáng)度很高的激光面。每種類型的噴嘴各有優(yōu)缺點(diǎn)。扁平噴嘴出來的氣流速度相當(dāng)均勻，它通過激光束中zui強(qiáng)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，意味著要求真空度高于圓形噴嘴，這樣會增加能耗（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(fù)雜，價(jià)格也較高，而且它和激光之間的配合也是一個(gè)問題。圓形噴嘴比較簡單，因?yàn)樗臋M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(dāng)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每個(gè)粒子散射的光也更多。圓形噴嘴的缺點(diǎn)在于它會降低氣流的均勻性，而且激光束的功率不是均勻的；光束會變粗，因而精度較低。
光學(xué)聚焦元件粒子會朝各個(gè)方向散射光，其中zui主要的還是正前方。隨著粒子的變大，會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并且聚焦到探測器上，防止出現(xiàn)激光干擾。光學(xué)聚焦器件會嘗試只收集包含有用信號的光，而將無用光排除在外。雜散反射光會導(dǎo)致噪音，通常會在基線上產(chǎn)生一定的偏移，這會影響儀器的靈敏度。反射鏡：凹面鏡可以用來聚集光線并且把光線聚焦到探測器上。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(jì)數(shù)器的透鏡通常都是成對出現(xiàn)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?shù)搅硪粋€(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)反射鏡來收集光線。非成像粒子計(jì)數(shù)器：非成像粒子計(jì)數(shù)器不需要使用任何光學(xué)聚焦元件。光電探測器緊靠著試樣的入口和激光，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)光子就會產(chǎn)生電荷，從而將入射光轉(zhuǎn)換成電脈沖。 散射光的數(shù)量會隨著粒子尺寸的增大而增多，同時(shí)散射光子也會到達(dá)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(jié)。當(dāng)能量足夠的光子撞上二極管時(shí)，就會產(chǎn)生一個(gè)可移動(dòng)的電子和一個(gè)帶正電的空穴。這些電荷會引起光電流，隨后進(jìn)行放大、濾波和分類處理。雪崩光電二極管：雪崩光電二極管[7]是一個(gè)半導(dǎo)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；可以用來檢測光子并進(jìn)行計(jì)數(shù)。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(yuǎn)遠(yuǎn)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(xiàn)在對這些信號進(jìn)行分類，用脈沖幅度分析儀進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號之后，可以這些經(jīng)過分類的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，zui后送往控制系統(tǒng)。
當(dāng)折射率變化時(shí)，光線就會發(fā)生散射。這就意味著在液體中，汽泡對光線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。
光的散射情況會隨著粒子尺寸的變化而變化。在粒子計(jì)數(shù)器中，米氏理論zui重要的結(jié)果以及它對光散射的預(yù)測都與之相關(guān)。當(dāng)粒子尺寸比光的波長要小得多的時(shí)候，光散射主要是朝著正前方（圖1a）。而當(dāng)粒子尺寸比光波長要大得多的時(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(nèi)進(jìn)行測量的。
粒子尺寸在5μm時(shí)的散射情況類似；而具有偏振現(xiàn)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(shù)表示，變化不到十倍的，都看不到了。散射光的強(qiáng)度隨著頻率的改變而變化：較短的波長意味較強(qiáng)的散射。在其他條件都相同的情況下，藍(lán)光的散射強(qiáng)度大約是紅光的10倍。大部分粒子計(jì)數(shù)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(jì)效益的選擇。藍(lán)色氣體和半導(dǎo)體激光器價(jià)格都很貴；而且半導(dǎo)體激光器的使用壽命也很短。
空氣微粒計(jì)數(shù)器在傳感器的出口處有一個(gè)真空裝置，把空氣經(jīng)過傳感器抽走。而空氣中的粒子則將激光散射。散射光又會被后面的聚光鏡聚焦到光學(xué)探測器上，隨后把光轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并且由微處理器對它進(jìn)行分類。微處理器也會通過接口將計(jì)數(shù)器連接到控制數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)上。
激光氣體激光器發(fā)明于1960年，而半導(dǎo)體激光器發(fā)明于1962年。開始時(shí)這些激光器很貴，但是隨著它們變成具有經(jīng)濟(jì)效益時(shí)，在粒子計(jì)數(shù)器中，就用氣體激光取代了白光。而到了20世紀(jì)80年代末，在絕大多數(shù)場合下，更便宜的半導(dǎo)體激光器又取代了氣體激光器。用于粒子計(jì)數(shù)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(dǎo)體激光器。氣體激光器能夠生產(chǎn)強(qiáng)烈的單色光，有時(shí)甚至是偏振光。氣體激光器產(chǎn)生準(zhǔn)直高斯光束，而半導(dǎo)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(xiàn)多種模式。由于發(fā)散光具有多軸性，半導(dǎo)體激光器通常都有一個(gè)橢圓形的輸出，這帶來了一定的挑戰(zhàn)，也帶來了一定的優(yōu)勢。不同軸的散射光意味著要么勉強(qiáng)接受這一橢圓形的輸出，要么設(shè)計(jì)一套復(fù)雜而昂貴的光學(xué)鏡來做補(bǔ)償。另一方面，橢圓光束很適合用于某些應(yīng)用，利用長軸，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”，無需增加任何光學(xué)元件。要想產(chǎn)生類似于氦氖激光器的光束，從半導(dǎo)體激光器出來的光必須經(jīng)過透鏡聚焦，這會導(dǎo)致光能的損耗。但是，半導(dǎo)體激光器的成本低、體積小、工作電壓低、功耗小，成為粒子計(jì)數(shù)器的*選擇。
在要求高靈敏度的應(yīng)用中，氦氖激光器可以用于開式腔模式[6]，產(chǎn)生很大的功率。因?yàn)闃颖疽ㄟ^光學(xué)空腔諧振器，當(dāng)粒子濃度較高時(shí)，激光會中斷，所以此時(shí)這種類型的激光不適用。
入口噴嘴進(jìn)入粒子計(jì)數(shù)器的入口樣本對計(jì)數(shù)器的分辨率起著至關(guān)重要的作用。入口有兩種類形：一種是扁平的（寬10mm，高0.1mm），另一種是內(nèi)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。而入口噴嘴為圓形時(shí)，激光束則通常與入射口的軸線大致成直角。粒子會通過一個(gè)非常狹窄，強(qiáng)度很高的激光面。每種類型的噴嘴各有優(yōu)缺點(diǎn)。扁平噴嘴出來的氣流速度相當(dāng)均勻，它通過激光束中zui強(qiáng)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，意味著要求真空度高于圓形噴嘴，這樣會增加能耗（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(fù)雜，價(jià)格也較高，而且它和激光之間的配合也是一個(gè)問題。圓形噴嘴比較簡單，因?yàn)樗臋M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(dāng)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每個(gè)粒子散射的光也更多。圓形噴嘴的缺點(diǎn)在于它會降低氣流的均勻性，而且激光束的功率不是均勻的；光束會變粗，因而精度較低。
光學(xué)聚焦元件粒子會朝各個(gè)方向散射光，其中zui主要的還是正前方。隨著粒子的變大，會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并且聚焦到探測器上，防止出現(xiàn)激光干擾。光學(xué)聚焦器件會嘗試只收集包含有用信號的光，而將無用光排除在外。雜散反射光會導(dǎo)致噪音，通常會在基線上產(chǎn)生一定的偏移，這會影響儀器的靈敏度。反射鏡：凹面鏡可以用來聚集光線并且把光線聚焦到探測器上。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(jì)數(shù)器的透鏡通常都是成對出現(xiàn)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?shù)搅硪粋€(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)反射鏡來收集光線。非成像粒子計(jì)數(shù)器：非成像粒子計(jì)數(shù)器不需要使用任何光學(xué)聚焦元件。光電探測器緊靠著試樣的入口和激光，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)光子就會產(chǎn)生電荷，從而將入射光轉(zhuǎn)換成電脈沖。 散射光的數(shù)量會隨著粒子尺寸的增大而增多，同時(shí)散射光子也會到達(dá)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(jié)。當(dāng)能量足夠的光子撞上二極管時(shí)，就會產(chǎn)生一個(gè)可移動(dòng)的電子和一個(gè)帶正電的空穴。這些電荷會引起光電流，隨后進(jìn)行放大、濾波和分類處理。雪崩光電二極管：雪崩光電二極管[7]是一個(gè)半導(dǎo)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；可以用來檢測光子并進(jìn)行計(jì)數(shù)。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(yuǎn)遠(yuǎn)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(xiàn)在對這些信號進(jìn)行分類，用脈沖幅度分析儀進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號之后，可以這些經(jīng)過分類的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，zui后送往控制系統(tǒng)。
