激光塵埃粒子計數器的穩定性分析

李 響，李凌霄，李晗光

（空軍工程大學 信息與導航學院，陜西 西安710000）

0 引 言

隨著工業化生產環境對潔凈度的要求不斷提高，激光塵埃粒子計數器技術得到了快速蓬勃的發展。從軍工領域邁進民用，從高端技術滲透進社會各個層面，以激光塵埃粒子計數器為代表的潔凈技術正在逐步提高人類社會的生產能力、改善人類的居住環境。在半導體制造業中，社會對電子元件尺寸要求愈加苛刻，生產加工環境的潔凈度將直接影響產品的合格率，據統計約超過80%因為電學特性失效的電子芯片是由于生產環境中塵埃粒子的污染造成［1］。以半導體材料硅片為例，空氣的塵埃粒子能引起芯片電路元件開路或者短路。而在醫療衛生領域，藥品生產過程需要盡可能避免塵埃粒子、微生物等顆粒的污染［2，3］。

1 激光塵埃粒子計數器的工作原理

激光塵埃粒子計數器是應用Mie氏散射原理測量流體中單分散塵埃粒子的散射光強度以判斷粒子粒徑的精密計數儀器。以規定的流量從待測樣品中進行采樣，采樣氣流的粒子在通過激光均勻照明的光敏感區域時，塵埃粒子產生散射光，散射光收集系統把一定范圍內的散射光光通量收集起來并由光電傳感器轉換為脈沖電壓信號。

脈沖信號的幅度和粒子粒徑的大小成正比，可采用電壓幅度甄別器來甄別脈沖信號電壓的幅值，再送出數據進行處理［4］。由于微米量級的粒子散射光強度很弱，需將信號前置放大為幅值足夠的電脈沖信號，再進行信號非線性放大處理。然后根據電脈沖幅值的大小甄別以送入不同粒徑檔通道計數，最后在顯示器顯示一個計數周期內各個計數檔的粒子數目。

2 激光塵埃粒子計數器的應用現狀

當前的光散射式激光塵埃粒子計數器的研究方向是朝著大流量、小粒徑和微型化的方向發展，國內外的激光塵埃粒子計數器生產商正在以日新月異的速度對激光塵埃粒子計數器更新換代。隨著工業民生行業對激光塵埃粒子計數器需求量的上升，小流量、中小粒徑的計數器已經遠遠不滿足當前社會的要求。研制出大采樣流量、探測粒徑更小、硬件結構簡單輕巧的激光塵埃粒子計數器成了迫切需要解決的工程技術問題。

改進其性能的研究方向主要是從以下這幾個方面入手［5］：當前激光光源主要采用半導體激光光源（LD），因為粒子的散射光強度非常微弱，因此需要亮度高、穩定性高的激光光源；硬件參數設計的不合理會導致在測量腔內形成湍流、回流，使得腔內速度場分布不均，部分粒子可能被腔壁吸收而偏離光敏區或者多次經過光敏區；散射光收集系統的收集能力，粒子散射光經旋轉球面反射鏡反射后進入光敏區被光電轉換器接受并轉化為脈沖電壓信號，因而改進電路設

計就可以獲得更為理想的光電轉換效果。

3 激光塵埃粒子計數器的不穩定性來源

在實際工程應用中，由于有廠家反映激光塵埃粒子計數器的實際工作性能比儀器標定的參數值偏低，本課題的研究就是探索實際值偏離標定值的原因，因為激光塵埃粒子計數器的工作較為穩定，工作環境變化比較大的參數就是溫度，所以在下文的分析中主要從溫度變量入手（在實驗室中的工作環境中，由于要保證超潔凈環境，需要氣泵持續抽取實驗環境空氣，空氣的流動有效地提高了傳感器的散熱效果。而在工業用途中這一點是不可能實現的，傳感器需要和其它電子器件組裝配合使用，在機箱中就不能充分保證有良好的散熱效果，所以在實際應用中的激光塵埃粒子計數器往往環境溫度在40℃左右）。

一般來講，對光電傳感器的穩定性研究主要從光學、機械、電學三個角度入手：

（1）光學角度一個方面是系統光學結構，通過改善透鏡組的結構參數以獲得性能優化。另一個方面是光源的性能，在本課題中激光塵埃粒子計數器中由于采用LD光源，其穩定性、強度都較為理想，主要考察激光光源受到溫度變化的影響；

（2）機械角度即是系統受外界條件改變而產生的形變，由于激光塵埃粒子計數器的工作環境溫度區間僅在常溫的25℃左右到箱體內的40℃左右，這一溫度區間遠不足以計數器的剛體元件產生明顯的形變，所以機械原因對計數器參數變化的影響可忽略不計；

（3）電學角度即是傳感器硬件電路的性能，電路完成對信號的放大、甄別、計數，主要采用電容、電阻、二極管等元件。在25℃～50℃這一溫度區間內，電阻和電容的電學特性變化微乎其微，但其中的非線性放大元件二極管所產生的溫漂影響就較為顯著，所以重點考察二極管受溫度變化影響時的參數變化。

4 總 結

在本文中，結合激光塵埃粒子計數器的工作原理，針對當前激光塵埃粒子計數器使用過程中存在的現實問題，分析出了各種可能的不穩定性因素。最后得出結論是由于二極管的溫漂效應對激光塵埃粒子計數器的穩定性影響較大，為下一步的實驗設計做好了鋪墊。