空氣微粒計數器原理及發展介紹
更新時間：2015-11-09 點擊次數：4361次
空氣微粒計數器是利用丁達爾現象來檢測粒子。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，所產生的散射就是丁達爾現象。
當折射率變化時，光線就會發生散射。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。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（圖1a）。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；而具有偏振現象，粒子尺寸在0.3μm時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。
空氣微粒計數器在傳感器的出口處有一個真空裝置，把空氣經過傳感器抽走。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字信號，并且由微處理器對它進行分類。微處理器也會通過接口將計數器連接到控制數據收集系統上。
激光氣體激光器發明于1960年，而半導體激光器發明于1962年。開始時這些激光器很貴，但是隨著它們變成具有經濟效益時，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強烈的單色光，有時甚至是偏振光。氣體激光器產生準直高斯光束，而半導體激光器則產生出一個小的發散點光源，通常發散光有兩個不同的軸，并且總是出現多種模式。由于發散光具有多軸性，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，也帶來了一定的優勢。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式腔模式[6]，產生很大的功率。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，所以此時這種類型的激光不適用。
入口噴嘴進入粒子計數器的入口樣本對計數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。而入口噴嘴為圓形時，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。每種類型的噴嘴各有優缺點。扁平噴嘴出來的氣流速度相當均勻，它通過激光束中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。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。圓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。
光學聚焦元件粒子會朝各個方向散射光，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。光學聚焦元件則將光收集起來并且聚焦到探測器上，防止出現激光干擾。光學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。雜散反射光會導致噪音，通常會在基線上產生一定的偏移，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，可以將從它的焦點發出的光反射回焦點。這是zui常用的光學聚焦元件，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）從一個焦點傳輸到另一個焦點（光電探測器）。在許多傳感器中，也在透鏡的另一端用一個反射鏡來收集光線。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）往往包含光學元件，它含有一個非成像元件。
光電探測器光電探測器每接收到一個光子就會產生電荷，從而將入射光轉換成電脈沖。 散射光的數量會隨著粒子尺寸的增大而增多，同時散射光子也會到達光電探測器，于是，產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p-n結。當能量足夠的光子撞上二極管時，就會產生一個可移動的電子和一個帶正電的空穴。這些電荷會引起光電流，隨后進行放大、濾波和分類處理。雪崩光電二極管：雪崩光電二極管[7]是一個半導體光電倍增管。光子能引起雪崩光電二極管發生電子雪崩；可以用來檢測光子并進行計數。處理電路信號處理電路對光電探測器產生的信號進行放大和濾波。
高頻干擾的頻率遠遠高于粒子產生的信號，可以用低通濾波器把它濾掉。經過濾波后的信號，由一系列的脈沖組成，脈沖的高度與粒子尺寸有關。 現在對這些信號進行分類，用脈沖幅度分析儀進行模擬數字轉換。在轉換成數字信號之后，可以這些經過分類的脈沖進行計數，zui后送往控制系統。
當折射率變化時，光線就會發生散射。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。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（圖1a）。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；而具有偏振現象，粒子尺寸在0.3μm時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。
空氣微粒計數器在傳感器的出口處有一個真空裝置，把空氣經過傳感器抽走。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字信號，并且由微處理器對它進行分類。微處理器也會通過接口將計數器連接到控制數據收集系統上。
激光氣體激光器發明于1960年，而半導體激光器發明于1962年。開始時這些激光器很貴，但是隨著它們變成具有經濟效益時，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強烈的單色光，有時甚至是偏振光。氣體激光器產生準直高斯光束，而半導體激光器則產生出一個小的發散點光源，通常發散光有兩個不同的軸，并且總是出現多種模式。由于發散光具有多軸性，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，也帶來了一定的優勢。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式腔模式[6]，產生很大的功率。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，所以此時這種類型的激光不適用。
入口噴嘴進入粒子計數器的入口樣本對計數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。而入口噴嘴為圓形時，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。每種類型的噴嘴各有優缺點。扁平噴嘴出來的氣流速度相當均勻，它通過激光束中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。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。圓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。
光學聚焦元件粒子會朝各個方向散射光，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。光學聚焦元件則將光收集起來并且聚焦到探測器上，防止出現激光干擾。光學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。雜散反射光會導致噪音，通常會在基線上產生一定的偏移，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，可以將從它的焦點發出的光反射回焦點。這是zui常用的光學聚焦元件，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）從一個焦點傳輸到另一個焦點（光電探測器）。在許多傳感器中，也在透鏡的另一端用一個反射鏡來收集光線。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）往往包含光學元件，它含有一個非成像元件。
光電探測器光電探測器每接收到一個光子就會產生電荷，從而將入射光轉換成電脈沖。 散射光的數量會隨著粒子尺寸的增大而增多，同時散射光子也會到達光電探測器，于是，產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p-n結。當能量足夠的光子撞上二極管時，就會產生一個可移動的電子和一個帶正電的空穴。這些電荷會引起光電流，隨后進行放大、濾波和分類處理。雪崩光電二極管：雪崩光電二極管[7]是一個半導體光電倍增管。光子能引起雪崩光電二極管發生電子雪崩；可以用來檢測光子并進行計數。處理電路信號處理電路對光電探測器產生的信號進行放大和濾波。
高頻干擾的頻率遠遠高于粒子產生的信號，可以用低通濾波器把它濾掉。經過濾波后的信號，由一系列的脈沖組成，脈沖的高度與粒子尺寸有關。 現在對這些信號進行分類，用脈沖幅度分析儀進行模擬數字轉換。在轉換成數字信號之后，可以這些經過分類的脈沖進行計數，zui后送往控制系統。
