激光塵埃粒子計數器的原理 (北京中邦興業)
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隨著生物制藥、電子芯片、半導體、新能源等行業的快速發展,國家對于這些企業的生產環境進行了嚴格的標準要求,國際上有歐盟的GMP標準,國內也有ISO等國家類的行業法規標準等文件相繼推出,尤其是對于潔凈行業中潔凈室的懸浮粒子、浮游微生物等的監測。今天北京中邦興業跟大家詳細說下監測潔凈室懸浮粒子的儀器-激光塵埃粒子計數器的原理是怎樣的呢?是如何實現對空氣中懸浮粒子進行檢測監測的呢?

【常用激光塵埃粒子計數器

北京中邦興業科技有限公司成立于2011年, 專業為生物制藥、集成電路、芯片、半導體、新能源等行業提供潔凈環境整體解決方案。中邦興業是中國醫藥設備工程協會、中國電子學會潔凈技術分會等多個行業協會的會員單位,參編了《GB/T25915.1-2021潔凈室及相關受控環境 第一部分:按粒子濃度劃分空氣潔凈度等級》等4部國家標準。
? ? ? 中邦興業目前已與國內外數百家知名企業建立合作,先后交付了生物醫藥和電子產業客戶的上千個配套項目,在潔凈間建造/改造、在線環境監控系統安裝、暖通空調控制系統安裝等工程項目中積累了豐富經驗。
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激光塵埃粒子計數器原理

光學粒子計數器是利用丁達爾現象(Tyndall Effect)來檢測粒子。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,所產生的散射就是丁達爾現象。

當折射率變化時,光線就會發生散射。這就意味著在液體中,汽泡對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不同方向散射的。具體的散射情況決定于介質的折射率、粒子對光的散射作用、粒子的尺寸和光的波長。具體介紹米氏理論的細節超出了本文的范圍;但是,有很多公共領域的應用都可以用來驗證光是如何散射的。

光的散射情況會隨著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。當粒子尺寸比光的波長要小得多的時候,光散射主要是朝著正前方(圖1a)。而當粒子尺寸比光波長要大得多的時候,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系。

光可以看做是沿著傳播方向進行垂直振蕩的波。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行測量的。

粒子尺寸在5μm時的散射情況類似(圖2a);而具有偏振現象,粒子尺寸在0.3μm(圖2b)時的散射情況有很大不同。由于用對數表示,變化不到十倍的,都看不到了。


圖2 垂直平面的散射作用。

散射光的強度隨著頻率的改變而變化:較短的波長意味較強的散射。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,這還都是最符合經濟效益的選擇。藍色氣體和半導體激光器價格都很貴;而且半導體激光器的使用壽命也很短。

空氣粒子計數器

圖3所示的粒子計數器是使用傳感器的典型設計;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真空裝置,把空氣經過傳感器抽走。而空氣中的粒子則將激光散射。散射光又會被后面的聚光鏡聚焦到光學探測器上,隨后把光轉換成電壓信號,并且進行放大和濾波。此后,這個信號從模擬的轉換成數字信號,并且由微處理器對它進行分類。微處理器也會通過接口將計數器連接到控制數據收集系統上。

激光

氣體激光器發明于1960年,而半導體激光器發明于1962年。開始時這些激光器很貴,但是隨著它們變成具有經濟效益時,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(argon-ion)激光器;另外就是半導體激光器[5]。氣體激光器能夠生產強烈的單色光,有時甚至是偏振光。氣體激光器產生準直高斯光束,而半導體激光器則產生出一個小的發散點光源,通常發散光有兩個不同的軸,并且總是出現多種模式。由于發散光具有多軸性,半導體激光器通常都有一個橢圓形的輸出,這帶來了一定的挑戰,也帶來了一定的優勢。不同軸的散射光意味著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鏡來做補償。另一方面,橢圓光束很適合用于某些應用,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”,無需增加任何光學元件。要想產生類似于氦氖激光器的光束,從半導體激光器出來的光必須經過透鏡聚焦,這會導致光能的損耗。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式腔模式[6],產生很大的功率(圖4)。因為樣本要通過光學空腔諧振器,當粒子濃度較高時,激光會中斷(無法維持“Q”因子),所以此時這種類型的激光不適用。

入口噴嘴

進入粒子計數器的入口樣本對計數器的分辨率起著至關重要的作用。入口有兩種類形:一種是扁平的(寬10mm,高0.1mm),另一種是內徑為2-3mm的圓形。入口噴嘴為扁平的時,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,激光束則通常與入射口的軸線大致成直角。粒子會通過一個非常狹窄,強度很高的激光面。

每種類型的噴嘴各有優缺點。扁平噴嘴出來的氣流速度相當均勻,它通過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,意味著要求真空度高于圓形噴嘴,這樣會增加能耗(這點非常重要,特別是在采用電池供電時)。扁平噴嘴的制造比較復雜,價格也較高,而且它和激光之間的配合也是一個問題。

圓形噴嘴比較簡單,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,能耗也較小。相對于扁平噴嘴,氣流速度較低意味著每個粒子散射的光也更多。圓形噴嘴的缺點在于它會降低氣流的均勻性,而且激光束的功率不是均勻的;光束會變粗,因而精度較低。

光學聚焦元件

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

光學聚焦器件會嘗試只收集包含有用信號的光,而將無用光排除在外。雜散反射光會導致噪音,通常會在基線上產生一定的偏移,這會影響儀器的靈敏度。


圖3空氣粒子計數器的俯視圖。

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

透鏡:用于粒子計數器的透鏡通常都是成對出現的半球鏡。它們可以有效地將圖象(散射光)從一個焦點傳輸到另一個焦點(光電探測器)。在許多傳感器中,也在透鏡的另一端用一個反射鏡來收集光線。

小心地運用遮蔽技術,例如限制光圈或視場光闌,可以進一步減少偏射光。用透鏡將光線從一個平面傳輸到另一平面,以及偏光消除技術,這些與那些攝影技術中常用的辦法并沒有什么不同,但是要記住,粒子計數器使用的是單色光輻射,因此不必擔心另外需要使用色差校正(不同波長的光折射后會聚焦在不同點上)。

Mangin鏡:Mangin鏡主要由一個負凹凸透鏡和一個鏡像凸形二次表面組成。這些過去常見于乙炔燈?,F在,它們用在光學系統中,例如望遠鏡。


圖4開腔式激光器。

Mangin鏡在粒子計數器中是成對使用,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鏡子的焦點傳輸到另一個鏡子的焦點。

非成像粒子計數器:非成像粒子計數器不需要使用任何光學聚焦元件。光電探測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)往往包含光學元件,它含有一個非成像元件。

光電探測器

光電探測器每接收到一個光子就會產生電荷,從而將入射光轉換成電脈沖。散射光的數量會隨著粒子尺寸的增大而增多,同時散射光子也會到達光電探測器,于是,產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p-n結。當能量足夠的光子撞上二極管時,就會產生一個可移動的電子和一個帶正電的空穴。這些電荷會引起光電流,隨后進行放大、濾波和分類處理。

雪崩光電二極管:雪崩光電二極管[7]是一個半導體光電倍增管。光子能引起雪崩光電二極管發生電子雪崩;可以用來檢測光子并進行計數。

處理電路

信號處理電路對光電探測器產生的信號進行放大和濾波。

例如,圖5a所示的(經夸張處理)信號來自粒子計數器。粒子產生了4個尖脈沖?;€有些波動,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產生的呼嘯聲的影響?;€的波動頻率遠遠低于粒子產生的信號,可以用高通濾波器把它濾除。

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


圖5光電探測器信號的放大和濾波。

 

經過濾波后的信號,由一系列的脈沖組成,脈沖的高度與粒子尺寸有關(圖5c)?,F在對這些信號進行分類,用脈沖幅度分析儀進行模擬數字轉換。在轉換成數字信號之后,可以這些經過分類的脈沖進行計數,最后送往控制系統。

 

咨詢熱線 : 400-6872-158
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