基于光散射原理的尘埃粒子检测仪

　　1　引　　言

　　洁净度级别是衡量洁净室的标准,评价洁净度级别的工具为尘埃粒子检测仪,它可以实时监测空气的洁净度。显而易见,拥有精确可靠的尘埃粒子检测仪对洁净室(区)进行监测是非常重要的。文中介绍一种自行研制的基于光散射原理的便携式尘埃粒子检测仪,它具有采用流量传感器来测量流量的特点,可直接检测100000级、10000级、1000级、100级和10级的洁净环境,完全适应于当代工业生产中对洁净室的检测要求。

　　2　检测原理

　　1908年,G.Mie在电磁理论的基础上,对平面单色波被位于均匀介质中具有任意直径及任意成分的均匀球衍射得出严格解,建立了微粒散射理论。该理论给出了不同粒径的小球在平行光照射条件下的散射光场空间角分布与球径间的关系,是尘埃粒子检测系统结构选择的理论依据。

　　根据Mie散射理论,光散射传感器光电接收器的总的光散射响应值V与光源的光谱强度E、光电探测器的光谱灵敏度S、光学系统的几何结构F、照明光线与散射光收集系统光轴的夹角和散射光波的强度分量I有关。其函数关系式可简单表示为:

　　式中:散射光波强度I是由Bessel函数和Legendre函数组成的无穷级数,与被测粒子折射率和粒径大小有关。根据散射光波的强度值就可以计算出被测颗粒的尺寸,但计算过程非常复杂,对相应设备的运算速度要求很高。

　　通过对典型粒子的实验和数值计算表明,检测设备光学系统的光散射特性依赖于粒子折射率。而尘埃粒子检测仪通常用于温度和湿度较稳定的洁净环境,因此折射率的变化不会太大。当尘粒的折射率变化不大时,0.1～10μm粒径范围内散射光通量随着粒径的增大而单调上升。这就使粒径判别得以简化,可以不经过复杂计算,只靠多通道甄别系统就能判别不同粒径　　的粒子,从而统计粒子分布。

　　3　工作系统

　　文中尘埃粒子检测仪可分别对0.3μm、0.5μm、0.7μm、1.0μm、2.0μm、5.0μm六档粒子进行检测,实时显示粒子数和环境温湿度,并打印数据。仪器采用单片机系统操作,实现光机电一体化控制,工作系统框图如图1所示,主要由直角散射光学传感器、电路系统、气路系统和单片机控制系统组成。

　　当仪器工作时,采样气体中的尘埃粒子随气流穿过检测区,激光光源发出的光被尘埃粒子散射,产生与其粒径相关的散射光,其中的一部分散射光波与照明光成90°的光电接收器接收后,转换成电信号输出,经过电路系统放大、比较,按照不同幅度分档计数,即可得到各粒径档的尘埃粒子数。

　　3.1　传感器部分

　　尘埃粒子检测仪以粒子散射信号的绝对强度来分辨粒径大小,故光学传感器是仪器的核心部分。该粒子检测仪选用直角方向散射光收集形式,即=90°。它由照明系统、光敏感区和散射光收集系统组成。原理图如图2所示。