微粒光散射接收光学系统的设计与分析(2)
1.2粒子计数器国内外研究现状
目前粒子计数器多为国外产品，产品价格昂贵，文修困难，而国内生产厂家的数量和生产能力有限，在众多的颗粒测量方法中，光散射法被公认是一代新颖的颗粒粒径测量技术。最近光学计数器在市场上得到大力发展，它将在高精度和极低浓度颗粒测量场合发挥重要的作用。国外较大的粒子计数器生产制造商包括：Haic Royco、RION、日立DECO、美国的Met One仪器公司、库尔特公司、日本的KANOMAX等。美国在二十世纪八十年代生产出采样量为28.3L/min的大流量尘埃粒子计数器[1]，九十年代生产出最小可测粒径为0.1um的激光粒子计数器[2]。英国马尔文公司GM2000系列激光粒度仪采用高能量蓝光辅助光源和汇聚光学系统，测量范围达到0.02～2000微米，不需更换透镜。贝克曼库尔特公司采用多波长偏振光双镜头技术将测量范围扩展到0.04～2000微米，代表了当前的先进水平[3]。而国内从二十世纪七十年代开始研制和生产尘埃粒子计数器，0.1um洁净技术和设备在国际上先进国家己成为成熟技术，我国则在90年代刚刚起步。国内生产厂家较少。因此，鉴于我国与国外生产差距明显，国内自主研究和开发粒子计数器具有重大的现实经济利益。而光传感器为尘埃粒子计数器的核心构件之一，对粒子计数器的性能有着至关重要的意义。其接收效率直接影响到整个激光尘埃粒子计数器的计数效率。因此光接受系统的设计及优化就显得尤为重要。
随着技术的改进，计数器向小型化发展，由苏州市百神科技有限公司公开的手持式激光尘埃粒子计数器的光学传感器大大缩小了体积和重量，实现了尘埃粒子计数器的小型化，便于操作和携带[7]。南京理工大学提出在光敏区前设置光阑以减少进入腔体的杂散光，在光敏区与光陷阱之间设置一个光阑用来防止进入光陷阱的光束反射回腔体，视场光阑采用喇叭口式遮挡光阑，防止光路上的杂散光直接进入探测器[5]。随后又提出大流量全半导体新型尘埃粒子计数器[9]，该传感器在光束前进的方向上，依次设有非球面镜、入射光阑、出射光阑和光陷阱，光源采用大功率半导体激光光源，在光路垂直方向上设置球面反射镜、光阑、光电探测器，光敏感区和光电探测器光敏面分别位于该球面反射镜的两侧，光电探测器采用光电二极管，增益可调前置放大电路置于光电探测器后面的外壳上。该发明提高了计数效率，增加了仪器的计数效率和粒径分辨率。
如图1为国产0.1um尘埃粒子计数器光学传感器结构[11]。聚光腔用旋转椭球面反射镜，实际散射光收集立体角略大于2π球面度。选用金属旋转椭球聚光腔，长轴为60毫米,短轴为35毫米，离心率为0.81，粒子散射光收集立体角大于2π。单分散尘埃粒子流经激光束中心附近宽度约0.2毫米的均匀照明光敏区。待测粒子的线度为0.1微米级，粒子自身像弥散斑很小。但粒子随机分布于光敏区中，计算表明小球形光敏区的共轭像弥散宽度比光敏区宽度大(1+e)/(1-e)倍左右。
图1-1国产0.1um尘埃粒子计数器光学传感器结构
1.3粒子计数器的基本结构及原理