對于粒子計數器的種類(lèi)及原理的分析

　　光學(xué)粒子計數器是利用丁達爾現象(Tyndall Effect)來(lái)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(xiàn)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象。

　　當折射率變化時(shí)，光線(xiàn)就會(huì )發(fā)生散射。這就意味著(zhù)在液體中，汽泡對光線(xiàn)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、粒子對光的散射作用、粒子的尺寸和光的波長(cháng)。具體介紹米氏理論的細節超出了本文的范圍;但是，有很多公共領(lǐng)域的應用都可以用來(lái)驗證光是如何散射的。

　　光的散射情況會(huì )隨著(zhù)粒子尺寸的變化而變化。在粒子計數器中，米氏理論最重要的結果以及它對光散射的預測都與之相關(guān)。當粒子尺寸比光的波長(cháng)要小得多的時(shí)候，光散射主要是朝著(zhù)正前方。而當粒子尺寸比光波長(cháng)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(zhù)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進(jìn)行測量的。

　　粒子尺寸在5μm時(shí)的散射情況類(lèi)似;而具有偏振現象，粒子尺寸在0.3μm時(shí)的散射情況有很大不同。由于用對數表示，變化不到十倍的，都看不到散射光的強度隨著(zhù)頻率的改變而變化：較短的波長(cháng)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;直到最近，這還都是最符合經(jīng)濟效益的選擇。藍色氣體和半導體激光器價(jià)格都很貴;而且半導體激光器的使用壽命也很短。

　　空氣粒子計數器

　　在傳感器的出口處有一個(gè)真空裝置，把空氣經(jīng)過(guò)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)探測器上，隨后把光轉換成電壓信號，并且進(jìn)行放大和濾波。此后，這個(gè)信號從模擬的轉換成數字信號，并且由微處理器對它進(jìn)行分類(lèi)。微處理器會(huì )通過(guò)接口將計數器連接到控制數據收集系統上。

　　激光粒子計數器

　　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(kāi)始時(shí)這些激光器很貴，但是隨著(zhù)它們變成具有經(jīng)濟效益時(shí)，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(chǎng)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(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(shí)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(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(gè)橢圓形的輸出，這帶來(lái)了一定的挑戰，也帶來(lái)了一定的優(yōu)勢。不同軸的散射光意味著(zhù)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(xué)鏡來(lái)做補償。另一方面，橢圓光束很適合用于某些應用，利用長(cháng)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(lèi)似于氦氖激光器的光束，從半導體激光器出來(lái)的光必須經(jīng)過(guò)透鏡聚焦，這會(huì )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，成為粒子計數器的最佳選擇。

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

　　粒子計數器的入口噴嘴類(lèi)型

　　進(jìn)入粒子計數器的入口樣本對計數器的分辨率起著(zhù)至關(guān)重要的作用。入口有兩種類(lèi)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(shí)，通常激光束是一條與噴嘴同軸的窄線(xiàn)。扁平噴嘴出來(lái)的氣流速度相當均勻，它通過(guò)激光束中最強而且最均勻的部分，因此精度最高。但是，扁平噴嘴的橫截面小，意味著(zhù)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雜，價(jià)格也較高，而且它和激光之間的配合也是一個(gè)問(wèn)題。

　　入口噴嘴為圓形時(shí)，激光束則通常與入射口的軸線(xiàn)大致成直角。粒子會(huì )通過(guò)一個(gè)非常狹窄，強度很高的激光面。圓形噴嘴比較簡(jiǎn)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(shí)，能耗也較小。相對于扁平噴嘴，氣流速度較低意味著(zhù)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。

　　粒子計數器發(fā)展歷程

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