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對(duì)于粒子計(jì)數(shù)器的種類及原理的分析

[2013/1/30]

　　光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器是利用丁達(dá)爾現(xiàn)象(Tyndall Effect)來檢測(cè)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(duì)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(huì)發(fā)生散射。這就意味著在液體中，汽泡對(duì)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(duì)光的散射作用。

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

　　光的散射情況會(huì)隨著粒子尺寸的變化而變化。在粒子計(jì)數(shù)器中，米氏理論最重要的結(jié)果以及它對(duì)光散射的預(yù)測(cè)都與之相關(guān)。當(dāng)粒子尺寸比光的波長(zhǎng)要小得多的時(shí)候，光散射主要是朝著正前方。而當(dāng)粒子尺寸比光波長(zhǎng)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(cè)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(duì)數(shù)表示，變化不到十倍的，都看不到散射光的強(qiáng)度隨著頻率的改變而變化：較短的波長(zhǎng)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;直到最近，這還都是最符合經(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。

　　空氣粒子計(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(huì)被后面的聚光鏡聚焦到光學(xué)探測(cè)器上，隨后把光轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，并且進(jìn)行放大和濾波。此后，這個(gè)信號(hào)從模擬的轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并且由微處理器對(duì)它進(jìn)行分類。微處理器會(huì)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。

　　激光粒子計(jì)數(shù)器

　　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(chǎng)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(HeNe)激光器和氬離子(arg-ion)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(shì)。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(zhǎng)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(wú)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(huì)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)器的最佳選擇。

　　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，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(huì)中斷(無(wú)法維持“Q因子)，所以此時(shí)這種類型的激光不適用。

　　粒子計(jì)數(shù)器的入口噴嘴類型

　　進(jìn)入粒子計(jì)數(shù)器的入口樣本對(duì)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。扁平噴嘴出來的氣流速度相當(dāng)均勻，它通過激光束中最強(qiáng)而且最均勻的部分，因此精度最高。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(huì)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。

　　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(huì)通過一個(gè)非常狹窄，強(qiáng)度很高的激光面。圓形噴嘴比較簡(jiǎn)單，因?yàn)樗臋M截面較大，對(duì)于速度相同的氣流，對(duì)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(duì)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。形噴嘴的缺點(diǎn)在于它會(huì)降低氣流的均勻性，而且激光束的功率不是均勻的;光束會(huì)變粗，因而精度較低。

　　粒子計(jì)數(shù)器發(fā)展歷程

　　空氣粒子計(jì)數(shù)器是測(cè)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(jì)數(shù)器、激光空氣粒子計(jì)數(shù)器、PCS納米激光空氣粒子計(jì)數(shù)器的過程，其中因激光空氣粒子計(jì)數(shù)器測(cè)試速度快、動(dòng)態(tài)分布寬、不受人為影響等各方面的優(yōu)勢(shì)，而成為近年來很多行業(yè)的主流產(chǎn)品。