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粒子計(jì)數(shù)器使用分析

閱讀：1456發(fā)布時(shí)間：2013-11-20

　　hbzhan內(nèi)容導(dǎo)讀：粒子計(jì)數(shù)器是利用丁達(dá)爾現(xiàn)象（TyndallEffect）來檢測(cè)粒子。丁達(dá)爾效應(yīng)是用JohnTyndall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。
　　
　　激光塵埃粒子計(jì)數(shù)器的工作原理
　　
　　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zui早由GustavMie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。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zui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。
　　
　　空氣粒子計(jì)數(shù)器
　　
　　粒子計(jì)數(shù)器是使用傳感器的典型設(shè)計(jì)；氣流、激光、以及聚光鏡彼此成直角。
　　
　　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。微處理器也會(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
　　
　　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（HeNe）激光器和氬離子（argon-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(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*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(huì)中斷（無法維持“Q”因子），所以此時(shí)這種類型的激光不適用。

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