淺談粒子計(jì)數(shù)器的原理

光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器是利用丁達(dá)爾現(xiàn)象（Tyndall Effect）來檢測(cè)粒子。丁達(dá)爾效應(yīng)是用John Tyndall的名字命名的[1]，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。

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（Mie Theory）描述了粒子對(duì)光的散射作用。

Lorenz-Mie-Debye理論最早由Gustav Mie提出[2、3]，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，米氏理論最重要的結(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（圖1a）。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（圖1b）。

圖1光的散射與粒子尺寸的關(guān)系。

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（圖2a）；而具有偏振現(xiàn)象，粒子尺寸在0.3μm（圖2b）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。

圖2 垂直平面的散射作用。

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；直到最近，這還都是最符合經(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

圖3所示的粒子計(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[5]。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)器的最佳選擇。

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（圖4）。因?yàn)闃颖疽�通過光學(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。

入口噴嘴

進(jìn)入粒子計(jì)數(shù)器的入口樣本對(duì)計(jì)數(shù)器的分辨率起著至關(guān)重要的作用。入口有兩種類形：一種是扁平的（寬10mm，高0.1mm），另一種是內(nèi)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。

而入口噴嘴為圓形時(shí)，激光束則通常與入射口的軸線大致成直角。粒子會(huì)通過一個(gè)非常狹窄，強(qiáng)度很高的激光面。

每種類型的噴嘴各有優(yōu)缺點(diǎn)。扁平噴嘴出來的氣流速度相當(dāng)均勻，它通過激光束中最強(qiáng)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(fù)雜，價(jià)格也較高，而且它和激光之間的配合也是一個(gè)問題。

圓形噴嘴比較簡單，因?yàn)樗�的橫截面較大，對(duì)于速度相同的氣流，對(duì)真空度的要求也較低，所以當(dāng)空氣吸入時(shí)，能耗也較小。相對(duì)于扁平噴嘴，氣流速度較低意味著每個(gè)粒子散射的光也更多。圓形噴嘴的缺點(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。

光學(xué)聚焦元件

粒子會(huì)朝各個(gè)方向散射光，其中最主要的還是正前方。隨著粒子的變大，會(huì)有更多的光朝后面以及沿直角方向散射。光學(xué)聚焦元件則將光收集起來并且聚焦到探測(cè)器上，防止出現(xiàn)激光干擾。

光學(xué)聚焦器件會(huì)嘗試只收集包含有用信號(hào)的光，而將無用光排除在外。雜散反射光會(huì)導(dǎo)致噪音，通常會(huì)在基線上產(chǎn)生一定的偏移，這會(huì)影響儀器的靈敏度。

圖3空氣粒子計(jì)數(shù)器的俯視圖。

反射鏡：凹面鏡可以用來聚集光線并且把光線聚焦到探測(cè)器上。凹面鏡作為燈光的反射鏡，可以將從它的焦點(diǎn)發(fā)出的光反射回焦點(diǎn)。這是最常用的光學(xué)聚焦元件，可以用它做出小巧而且成本低的傳感器。

透鏡：用于粒子計(jì)數(shù)器的透鏡通常都是成對(duì)出現(xiàn)的半球鏡。它們可以有效地將圖象（散射光）從一個(gè)焦點(diǎn)傳輸?shù)搅硪粋�(gè)焦點(diǎn)（光電探測(cè)器）。在許多傳感器中，也在透鏡的另一端用一個(gè)反射鏡來收集光線。

小心地運(yùn)用遮蔽技術(shù)，例如限制光圈或視場光闌，可以進(jìn)一步減少偏射光。用透鏡將光線從一個(gè)平面?zhèn)鬏數(shù)搅硪黄矫�，以及偏光消除技術(shù)，這些與那些攝影技術(shù)中常用的辦法并沒有什么不同，但是要記住，粒子計(jì)數(shù)器使用的是單色光輻射，因此不必?fù)?dān)心另外需要使用色差校正（不同波長的光折射后會(huì)聚焦在不同點(diǎn)上）。

Mangin鏡：Mangin鏡主要由一個(gè)負(fù)凹凸透鏡和一個(gè)鏡像凸形二次表面組成。這些過去常見于乙炔燈。現(xiàn)在，它們用在光學(xué)系統(tǒng)中，例如望遠(yuǎn)鏡。

圖4開腔式激光器。

Mangin鏡在粒子計(jì)數(shù)器中是成對(duì)使用，類似于半球透鏡。Mangin鏡比透鏡輕，但是比透鏡寬。和半球透鏡一樣，它的功能是將圖像從一個(gè)鏡子的焦點(diǎn)傳輸?shù)搅硪粋�(gè)鏡子的焦點(diǎn)。

非成像粒子計(jì)數(shù)器：非成像粒子計(jì)數(shù)器不需要使用任何光學(xué)聚焦元件。光電探測(cè)器緊靠著試樣的入口和激光，收集散射光。小型傳感器（例如手持式傳感器）往往包含光學(xué)元件，它含有一個(gè)非成像元件。

光電探測(cè)器

光電探測(cè)器每接收到一個(gè)光子就會(huì)產(chǎn)生電荷，從而將入射光轉(zhuǎn)換成電脈沖。散射光的數(shù)量會(huì)隨著粒子尺寸的增大而增多，同時(shí)散射光子也會(huì)到達(dá)光電探測(cè)器，于是，產(chǎn)生了與粒子尺寸成正比的電流脈沖。

光電二極管：光電二極管就是一個(gè)p-n結(jié)。當(dāng)能量足夠的光子撞上二極管時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)可移動(dòng)的電子和一個(gè)帶正電的空穴。這些電荷會(huì)引起光電流，隨后進(jìn)行放大、濾波和分類處理。

雪崩光電二極管：雪崩光電二極管[7]是一個(gè)半導(dǎo)體光電倍增管。光子能引起雪崩光電二極管發(fā)生電子雪崩；可以用來檢測(cè)光子并進(jìn)行計(jì)數(shù)。

處理電路

信號(hào)處理電路對(duì)光電探測(cè)器產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行放大和濾波。

例如，圖5a所示的（經(jīng)夸張?zhí)幚恚┬盘?hào)來自粒子計(jì)數(shù)器。粒子產(chǎn)生了4個(gè)尖脈沖。基線有些波動(dòng)，可能是聲波（例如，來自泵）、電源的影響，也可能是由于空氣從入口處高速涌入時(shí)產(chǎn)生的呼嘯聲的影響。基線的波動(dòng)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于粒子產(chǎn)生的信號(hào)，可以用高通濾波器把它濾除。

這樣還會(huì)留下高頻干擾（可能來自處理電路），如圖5b所示。高頻干擾的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于粒子產(chǎn)生的信號(hào)，可以用低通濾波器把它濾掉。

圖5光電探測(cè)器信號(hào)的放大和濾波。

經(jīng)過濾波后的信號(hào)，由一系列的脈沖組成，脈沖的高度與粒子尺寸有關(guān)（圖5c）。現(xiàn)在對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行分類，用脈沖幅度分析儀進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之后，可以這些經(jīng)過分類的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，最后送往控制系統(tǒng)。

Jim Babb是Adams Instruments公司光學(xué)工程部總監(jiān)。在過去的二十四年中，他一直參與極為復(fù)雜的激光光電系統(tǒng)的開發(fā)工作，并為FDA、國防承包商和航空航天制造商制定度量標(biāo)準(zhǔn)。