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技術文章

激光粒子計數(shù)器的分類及原理的應用分析
摘要：激光粒子計數(shù)器是利用丁達爾現(xiàn)象(TyndallEffect)來檢測粒子。丁達爾效應是用JohnTyndall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)生的散射就是丁達爾現(xiàn)象。 


    當折射率變化時，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(MieTheory)描述了粒子對光的散射作用。 


    Lorenz-Mie-Debye理論*早由GustavMie提出，它描述了光是如何朝各個不同方向散射的。具體的散射情況決定于介質的折射率、粒子對光的散射作用、粒子的尺寸和光的波長。具體介紹米氏理論的細節(jié)超出了本文的范圍;但是，有很多公共領域的應用都可以用來驗證光是如何散射的。 


    光的散射情況會隨著粒子尺寸的變化而變化。在粒子計數(shù)器中，米氏理論*重要的結果以及它對光散射的預測都與之相關。當粒子尺寸比光的波長要小得多的時候，光散射主要是朝著正前方。而當粒子尺寸比光波長要大得多的時候，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行測量的。 


    粒子尺寸在5μm時的散射情況類似;而具有偏振現(xiàn)象，粒子尺寸在0.3μm時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，都看不到散射光的強度隨著頻率的改變而變化：較短的波長意味較強的散射。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(shù)器采用的都是近紅外或紅色激光;直到*近，這還都是*符合經(jīng)濟效益的選擇。藍色氣體和半導體激光器價格都很貴;而且半導體激光器的使用壽命也很短。 


    空氣粒子計數(shù)器 


    在傳感器的出口處有一個真空裝置，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探測器上，隨后把光轉換成電壓信號，并且進行放大和濾波。此后，這個信號從模擬的轉換成數(shù)字信號，并且由微處理器對它進行分類。微處理器會通過接口將計數(shù)器連接到控制數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)上。 


    激光粒子計數(shù)器 


    氣體激光器發(fā)明于1960年，而半導體激光器發(fā)明于1962年。開始時這些激光器很貴，但是隨著它們變成具有經(jīng)濟效益時，在粒子計數(shù)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(shù)場合下，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(shù)的激光器有兩種：一種是氣體激光器，如氦氖(HeNe)激光器和氬離子(arg-ion)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)生出一個小的發(fā)散點光源，通常發(fā)散光有兩個不同的軸，并且總是出現(xiàn)多種模式。由于發(fā)散光具有多軸性，半導體激光器通常都有一個橢圓形的輸出，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接受這一橢圓形的輸出，要么設計一套復雜而昂貴的光學鏡來做補償。另一方面，橢圓光束很適合用于某些應用，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，無需增加任何光學元件。要想產(chǎn)生類似于氦氖激光器的光束，從半導體激光器出來的光必須經(jīng)過透鏡聚焦，這會導致光能的損耗。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(shù)器的*佳選擇。 


    在要求高靈敏度的應用中，氦氖激光器可以用于開式腔模式，產(chǎn)生很大的功率。因為樣本要通過光學空腔諧振器，當粒子濃度較高時，激光會中斷(無法維持“Q因子)，所以此時這種類型的激光不適用。 


    粒子計數(shù)器的入口噴嘴類型 


    進入粒子計數(shù)器的入口樣本對計數(shù)器的分辨率起著至關重要的作用。入口有兩種類形：一種是扁平的(寬10mm，高0.1mm)，另一種是內徑為2-3mm的圓形。 


    入口噴嘴為扁平的時，通常激光束是一條與噴嘴同軸的窄線。扁平噴嘴出來的氣流速度相當均勻，它通過激光束中*強而且*均勻的部分，因此精度*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(這點非常重要，特別是在采用電池供電時)。扁平噴嘴的制造比較復雜，價格也較高，而且它和激光之間的配合也是一個問題。 


    入口噴嘴為圓形時，激光束則通常與入射口的軸線大致成直角。粒子會通過一個非常狹窄，強度很高的激光面。圓形噴嘴比較簡單，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，能耗也較小。相對于扁平噴嘴，氣流速度較低意味著每個粒子散射的光也更多。形噴嘴的缺點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。 


    粒子計數(shù)器發(fā)展歷程 


    空氣粒子計數(shù)器是測試空氣塵埃粒子顆粒的粒徑及其分布的專用儀器，由顯微鏡發(fā)展而來，經(jīng)歷了顯微鏡、沉降管、沉降儀、離心沉降儀、顆粒計數(shù)器、激光空氣粒子計數(shù)器、PCS納米激光空氣粒子計數(shù)器的過程，其中因激光空氣粒子計數(shù)器測試速度快、動態(tài)分布寬、不受人為影響等各方面的優(yōu)勢，而成為近年來很多行業(yè)的主流產(chǎn)品。