激光塵埃粒子計數器的溫度穩定性測試

李 響，李晗光，李凌霄

（空軍工程大學 信息與導航學院，陜西 西安710000）

0 引 言

本課題輸入的標準粒子為單分散聚苯乙烯塑料小球（PSL），通常標準粒子粒徑范圍為0.08μm～2.0μm，在本實驗中僅采用0.5μm、0.6μm兩種粒徑的標準粒子。PSL小球的相對偏差僅有百分之幾，幾何特征逼近絕對球體且具有各向同性［1］。

1 粒子濃度示值誤差的穩定性測試

實驗開始前完成裝置清零、流速調節（28.3 L／min）、電位器調節等工作，測量計數器的粒子濃度示值誤差使用粒徑為0.5μm的標準粒子，在實驗過程中，每測量完一組都需要重新換水并再次校準流量計。

1.1 對激光光源模擬工作環境溫度

激光塵埃粒子計數器的光源采用半導體激光光源，能量集中密度高。半導體激光光源對溫度的穩定性較好［2］，在激光塵埃粒子計數器的工作環境（25℃～50℃）中性能比較穩定，但溫度的上升對其相關參數值也會產生一定的影響。隨著溫度的升高，激光器的損耗系數增加，漏電流增加，內量子效率降低，這些因素都會導致激光器的閾值電流密度增大；激光器的輸出波長也會隨著溫度的升高產生紅移現象。

由激光塵埃粒子計數器的工作原理可知，判斷粒徑大小的是散射光強度這一特征量，強度和激光頻率無關。并且激光塵埃粒子計數器使用的半導體激光器為小功率激光器，對溫度的穩定性更強。在本實驗中，我們以常溫下激光塵埃粒子計數器的測量平均值作為參考的基準值。圖1、圖2是激光光源溫度產生變化時計數器粒子濃度示值誤差的測量結果：

圖1 低濃度輸入時粒子濃度示值誤差

圖2 高濃度輸入時粒子濃度示值誤差

由圖可知，兩種情況的粒子濃度示值誤差同樣遠遠低于30%。實驗結果表明：即便是在低和高濃度氣溶膠條件下，激光光源的溫度變化對計數器的粒子濃度示值誤差值的影響仍舊很小。

1.2 對計數傳感器電路板模擬工作環境溫度

由于激光塵埃粒子計數器在實際使用中往往需要和顯示電路、數據處理電路等配套使用，因而計數傳感器的電路板處在一個相對密封的環境（散熱較差），提高計數傳感器電路的溫度穩定性有非常重要的實際意義。圖3、圖4是改變電路板環境溫度時的粒子濃度示值誤差測量結果。

可以看出，隨著溫度的持續升高，計數器的粒子濃度示值誤差依舊低于30%。綜合上述兩組關于粒子濃度示值誤差測試的實驗，結果表明：激光光源的溫度變化和計數傳感器器電路板的溫度變化，對激光塵埃粒子計數器的粒子濃度示值誤差的影響都很小。

圖3 改變環境溫度低濃度輸入時粒子濃度示值誤差

圖4 改變環境溫度高濃度輸入時粒子濃度示值誤差

2 計數傳感器分辨率的穩定性測試

完成上述兩組實驗后，需要更換標準粒子懸濁液，改為輸入粒徑為0.6μm的標準粒子。更換之前，需要對整套儀器泵入潔凈空氣以清除之前實驗的0.5μm粒徑殘存粒子，時間持續15 min左右。在理想條件下，輸入0.6μm標準粒子的標準輸出波形應為以0.6μm為中心值的正態分布曲線。在本實驗中表征計數器分辨率的參量為計數器0.5μm粒徑檔數值與0.3μm粒徑檔數值的比值，其理論值為85%。

3 對激光光源模擬工作環境溫度

由上文可知，激光光源的溫度變化對計數器的粒子濃度示值誤差影響不大，接下來考察光源的溫度變化是否會對計數器的分辨率產生影響。圖5、圖6是激光光源溫度產生變化時計數傳感器分辨率的測量結果。

圖5 激光光源溫度變化時

圖6 計數傳感器電路板溫度變化時

此時可以看出分辨率不僅嚴格地隨著溫度的上升而遞減，在常溫下分辨率接近90%，當環境溫度上升到37℃左右時下降到85%附近；當溫度繼續上升到40℃左右時，分辨率已經下降接近到80%。這表明，計數傳感器的電路部分對溫度比較敏感，電路板溫度升高會導致傳感器分辨率顯著下降，且電路板溫度越高，分辨率的下降趨勢越明顯，說明溫度的影響越大。

4 總 結

由于激光塵埃粒子計數器中的二極管所在電路為非線性放大指數運算電路，大信號的放大倍數遠低于小信號。而隨著溫度的升高，由于二極管的溫度特性，正向曲線會左移，導致大信號也獲得了較之前更大的放大倍數，故在輸出波形的右側（高電壓值）區域的波形得到了一定程度的展寬，從而導致計數器的分辨率下降。