高计数效率28·3L/min尘埃粒子计数光电传感器

　　0　引言

　　基于尘埃粒子在光束中产生的散射现象为原理的光学尘埃粒子计数器。可以实时测量空气中的尘埃粒子的尺寸和颗粒数浓度。在环境洁净度检测、空气中悬浮颗粒物监测、气溶胶研究等方面得到广泛的应用[1]。采样流量是尘埃粒子计数器的一个重要技术性能指标,从使用的角度出发,尘埃粒子计数器采样流量越大,单位时间内可以测量更多的试样,获得更多的信息,更能准确地反映空气的洁净状况,及时发现生产过程中的隐患,排除隐患,提高经济效益,仪器的采样量过小,测量结果的统计意义的客观性和参考性就差,完成采样样品量的时间也长[2]。国外在20世纪80年代可以生产28·3 L/min的尘埃粒子计数器,现在国外0·1μm尘埃粒子计数器的采样流量可以做到28·3 L/min,如PMS公司的LasairⅡ-110型,而0·3μm尘埃粒子计数器的采样流量甚至可以做到50 L/min,如TSI公司的8260型,而国内尘埃粒子计数器普遍只能做到2·83L/min[3-4]。有少数几家能够生产28·3 L/min的尘埃粒子计数器,其性能也与国外产品有较大的差距,例如:计数效率,计数效率定义为测量到的粒子数与实际进入仪器的粒子之比,国内产品在0·3μm档技术效率甚至只有国外产品的一半,国内产品计数效率低的最主要原因就是传感器的信噪比太低。大量的粒子信号被噪声湮没,提高国产传感器的信噪比是提高计数效率的关键。

　　1　传感器设计

　　采样流量的提高不仅仅是简单的采样气路的加大,采样气路的扩大会带来一系列的问题,首先就是光敏区的扩大,光敏区扩大会造成光敏区光强均匀性下降,会造成粒子分辨率的下降,其次会引起采样气流在光敏区扩散的加剧,势必会造成传感器计数效率的下降,因此如何在保证大流量采样的情况下保证粒子的分辨率和计数效率不下降是传感器设计成功与否的根本。该光学传感器通过一系列优化设计确保了在28·3 L/min采样流量下,依然有很高的粒子分辨率和计数效率。该光学传感器由照明系统、散射光收集系统和气路系统组成,三者的相交区域为光敏感区,如图1所示。该光学传感器采用直角散射的光学系统。即照明系统光轴、散射光收集系统光轴和气路系统轴线相交于光敏区中心且两两垂直。

　　照明系统主要由半导体激光器、短焦距大数值孔径的非球面聚焦镜和光陷阱组成。系统中采用的半导体激光器的波长为650 nm,功率为20 mW.为提高光敏区内的光强强度和均匀性,激光光束并没有采用平行光束,而是采用1·5°的小角度会聚光束,其会聚点在光敏区后,在光敏区处光束宽度约为光敏区宽度的1·2倍,这样既可以提高光敏区的光强,又提高了光敏区沿轴线的光强均匀度。由于激光器本身的小缺陷。在激光束周围很小的发射角内存在比较强的杂散光。其空间分布具有一定的随机性。这种杂光与激光主束不可能完全分开。杂散光的强度与激光主束相比可以忽略不计,越靠近主光束该杂散光强度越大。用小孔光阑对激光主束进行滤波以限制激光束以外的杂光进入腔体时,这种杂散光将照射到经发黑处理过的薄片滤波小孔阑边缘上。此时光阑口散射杂光是腔体内杂散光的最主要来源。针对这种光噪声的特点,设计了一对喇叭形反射镜消光组合光阑装置(图2)。2个光阑的喇叭口张角为150°,直径分别为2·5mm和2mm,边缘厚度小于0·1 mm,这种光阑组合十分有效地消除了传感器中杂散光引起的本底光噪声。光陷阱处同样设置有喇叭形光阑,但是喇叭口的张角变为60°,长度变长,直径为2 mm.