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粒子计数器的原理

发布时间:2017-05-31 16:15:53 浏览人数:

粒子计数器的原理 粒子计数器的原理 粒子计数器 的原理光学 粒子计数器 是利用丁达尔现象(Tyndall Effect)来检测粒子。丁达尔效应是用John Tyndall的名字命名的[1],通常是胶体中的粒子对光线的散射作用引发的。1束明亮的光照在空气或雾中的灰尘上,所产生的散射就是丁达尔现象。 当折射率变化时,光线就会产生散射。这就意味着在液体中,汽泡对光线的散射作用和固体粒子是1样的。米氏理论(Mie Theory)描写了粒子对光的散射作用。 Lorenz-Mie-Debye理论最早由Gustav Mie提出[2、3],它描写了光是如何朝各个不同方向散射的。具体的散射情况决定于介质的折射率、粒子对光的散射作用、粒子的尺寸和光的波长。具体先容米氏理论的细节超越了本文的范围;但是,有很多公共领域的利用都可以用来验证光是如何散射的[4]。 光的散
粒子计数器 的原理

光学 粒子计数器 是利用丁达尔现象(Tyndall Effect)来检测粒子。丁达尔效应是用John Tyndall的名字命名的[1],通常是鞋底耐折实验机胶体中的粒子对光线的散射作用引发的。1束明亮的光照在空气或雾中的灰尘上,所产生的散射就是丁达尔现象。
当折射率变化时,光线就会产生散射。这就意味着在液体中,汽泡对光线的散射作用和固体粒子是1样的。米氏理论(Mie Theory)描写了粒子对光的散射作用。
Lorenz-Mie-Debye理论最早由Gustav Mie提出[2、3],它描写了光是如何朝各个不同方向散射的。具体的散射情况决定于介质的折射率、粒子对光的散射作用、粒子的尺寸和光的波长。具体先容米氏理论的细节超越了本文的范围;但是日晋盐雾实验机,有很多公共领域的利用都可以用来验证光是如何散射的[4]。
光的散射情况会随着粒子尺寸的变化而变化。在粒子计数器中,米氏理论最重要的结果和它对光散射的预测都与之相干。当粒子尺寸比光的波长要小很多的时候,光散射主要是朝着正前方(图1a)。而当粒子尺寸比光波长要大很多的时候,光散射则主要朝直角和后方方向散射(图1b)。
粒子计数器的原理
图1光的散射与粒子尺寸的关系。

光可以看作是沿着传播方向进行垂直振荡的波。这1振荡方向就是所谓的偏振。入射光的偏振非常重要。在之前的例子里,光的散射是在入射光的偏振平面内进行丈量的。
粒子尺寸在5μm时的散射情况类似(图2a);而具有偏振现象,粒子尺寸在0.30.5级实验机μm(图2b)时的散射情况有很大不同。由于用对数表示,变化不到10倍的,都看不到了。
粒子计数器的原理
图2 垂直平面的散射作用。

散射光的强度随着频率的改变而变化:较短的波长意味较强的散射。在其他条件都相同的情况下,蓝光的散射强度高印花牢度水洗实验机品实验机大约是红光的10倍。大部份粒子计数器采取的都是近红外或红色激光;直到最近,这还都是最符合经济效益的选择。蓝色气体和半导体激光器价格都很贵;而且半导体激光器的使用寿命也很短。

空气粒子计数器
图3所梯姆肯实验机示的粒子计数器是使用传感器的典型设计;气流、激光、和聚光镜彼此成直角。
在传感器的出口处有1个真空装置,把空气经过传感器抽数显冲击实验机走。而空气中的粒子则将激光散射。散射光又会被后面的聚光镜聚焦到光学探测器上,随后把光转换成电压信号,并且进行放大和滤波。尔后,这个信号从摹拟的转换成数字信号,并且由微处理器对它进行分类。微处理器也会通过接口将计数器连接到控制数据搜集系统上。

激汽车软管实验机光
气体激光器发明于1960年,而半导体激光器发明于1962年。开始时这些激光器很贵,但是随着它们变成具有经济效益时,在粒子计数器中,就用气体激光取代了白光。而到了20世纪80年代末,在绝大多数场合下,抗压冲击实验机更便宜的半导体激光器又取代了气体激光器。
用于粒子计数的激光器有两种:1种是气体激光器,如氦氖(钻杆改变实验机He氢脆实验机Ne)激光器和氩离子(argon-ion)激光器;另外就是半导体激光器[5]。气体激光器能够生产强烈的单色光,有时乃至是偏振光。气体激光器产生微电脑式拉力实验机准直高斯光束,而半导体激光器则产生出1个小的发散点光源,通常发散光有两个不同的轴,并且总是出现多种模式。由于发散光具有多轴性,半导体激光器通常都有1个椭圆形的输出,这带来了1定的挑战,也带来了1定的优势。不同轴的筑巢实验机散射光意味着要末委曲接受这1椭圆形的输出,要末设计1轮胎实验机套复杂而昂贵的光学镜来做补偿。另外一方面,椭圆光束很合适用于某些利用,利用长轴,可以得到更好的覆盖范围。
总之,氦氖激光器的输出“直接可用”,无需增加任何光学元件。要想产生类似于氦氖激光器的光束,从半导体激光器出来的光必须经过透镜聚焦,这会致使光能的消耗。但是,半导体激光器的本钱低、体积小、工作电压低、功耗小,成为粒子计数器的最好选择。
在要求高灵敏度的利用中,氦氖激光器可以用于开式腔模式[6],产生很大的功率(图4)。由于样本要通过光学空腔谐振器,当粒子浓度较高时,激光会中断(没法保持“Q”因子),所以此时这类类型的激光不适用。

入口喷嘴
进头盔防脱落实验机入粒子计数器的入口样本对计数器的分辨率起着相当重要的作用。入口有两种类形:1种是扁平的(宽10mm,高0.1mm),另外一种是内径为2⑶mm的圆形。入口喷嘴为扁平的时,通常激光束是1条与喷嘴同轴的窄线。
而入口喷嘴为圆形时,激光束则通常与入射口的轴线大致成直角。粒子会通过1个非常狭窄,强度很高的激光面。
每种类型的喷嘴各有优缺点。扁平喷嘴出来的气流速度相当均匀,它通过激光束中最强而且最均匀的部份,因此精度最高。
但是,扁平喷嘴的横截面小,意味着要求真空度高于圆形喷嘴,这样会增加能耗(这点非常重要,特别是在采取电池供电时)。扁平喷嘴的制造比较复杂,价格也较高,而且它和激光之间的配合也是1个问题。
圆形喷嘴比较简单,由于它的横截面较大,对速度相同的气流,对真空度的要求也较低,所以当空气吸入时,能耗也较小。相对扁平喷嘴,气流速度较低意味着每一个粒子散射的光也更多。圆形喷嘴的缺点在于它会下降气流的均匀性,而且激光束的智能电子拉力实验机功率不是均匀的;光束会变粗,因此精度较低。
光学聚焦空气弹簧疲劳实验机元件
粒子会朝各个方向散射光,其中最主要的还是正前方。随着粒子的变大,会有更多的光朝后面和沿直角方向散射。光学聚焦元件则将光搜集起来并且聚焦到探测器上,避免出现激光干扰。
光学聚焦器件会尝试只搜集包括有用信号的光,而将无用光排除在外。杂散反射光会致使噪音,通常会在基线上产生1定的偏移,这会影响仪器的灵敏度。
粒子计数器的原理
图3空气粒子计数器的俯视图。

反射镜:凹透镜可以用来聚集光线并且把光线聚焦到探测器上。凹透镜作为灯光的反射镜,可以将从它的焦点发出的光反射回焦点。这是最经常使用的光学聚焦元件,可以用它做出小巧而且本钱低的传感器。
透镜:用于粒子计数器的透镜通常都是成对出现的半球镜。它们可以有效地将图像(散射光)从1个焦点传输到另外一个焦点(光电探测器)。在许多传感器中,也在透镜的另外一端用1个反射镜来搜集光线。
谨慎地应用遮蔽技术,例如限制光圈或视场光阑,可以进1步减少偏射光。用透镜将光线从1个平面传输到另外一平面,和偏光消除技术,这些与那些摄影技术中经常使用的办法并没有甚么不同,但是要记住,粒子计数器使用的是单色光辐射,因此没必要担心另外需要使用色差校订(不同波长的光折射后集聚焦在不同点上)。
Mangin镜:Mangin镜主要由1个负凹凸面镜和1个镜像凸形2次表面组成。这些过去常见于乙炔灯。现在,它们用在光学系统中,例如望远镜。
粒子计数器的原理
图4开腔式激光器。

Mangin镜在粒子计数器中是成对使用,类似于半球透镜。Mangin镜比透镜轻,但是比透镜宽。和半球透镜1样,它的功能是将图象从1个镜子的焦点传输到另外一个镜子的焦点。
非成像粒子计数器:非成像粒子计数器不需要使用任何光学聚焦元件。光电探测器紧靠着试样的入口和激光,搜集散射光。小型传感器(例如手持式传感器)常常包括光学元件,它含有1个非成像元件。

光电探测器
光电探测器每接收到1个光子就会产生电荷,从而将入射光转换成电脉冲。 散射光的数量会随着粒子尺寸的增大而增多,同时散射光子也会到达光电探测器,因而,产生了与粒子尺寸成正比的电流脉冲。
光电2极管:光电2极管就是1个p-n结。当能量足够的光子撞上2极管时,就会产生1个可移动的电子和1个带正电的空穴。这些电荷会引发光电流,随落后行放大、滤波和分类处理。
雪崩光电2极管:雪崩光电2极管[7]是1个半导体光电倍增管。光子能引发电线摇摆实验机雪崩光电2极管产生电子雪崩;可以用来检测光子并进行计数。

处理电路
信号处理电路对光电探改变实验机测双臂跌落实验机器产生的信号进行放大和滤波。
例如,图5a所示的(经夸大处理)信号来自粒子计数器。粒子产生了4个尖脉冲。高份子材料疲劳实验机基线有些波动,多是声波(例如,来自泵)、电源的影响,也多是由于空气从入口处高速涌入时产电脑伺服式拉力实验机生的咆哮声的影响。基线的波动频率远远低于粒子产生的信号,可以用高通滤波器把它滤除。
这样还会留下高频干扰(可能来自处理电路),如图5b所示。高频干扰的频率远远高于粒子产生的信号,可以用低通滤波器把它滤掉。
粒子计数器的原理
图5光电探测器信号的放大和滤波。

经过滤波后的信号,由1系列的脉冲组成,脉冲的高度与粒子尺寸有关(图5c)。 现在对这些信号进行分类,用脉冲幅度分析仪进行摹拟数字转换。在转换成数字信号以后,可以这些经过分类的脉冲进行大底弯折实验机计数,最后送往控制系统。

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