（光学工程专业论文）尘埃粒子计数器信号传输与处理的数学建模及应用.pdf

中文摘鲤 x d u b 5 5 3 中文摘妥 本文介绍了0 1um 激光尘埃粒予计数器的结构及其工 俸绦瑾，详细讨论了荦分散激光垒埃稳子订数器免敏区鞍衽 脉冲信号特点。提出了尘埃粒子计数嚣光电传感器粮径傧号 懈度l l 向应函数的概念，多通道粒予计数器粒径信号幅度l i 向应 楚疼鲍概念绫及诗数器售萼冁庋黻径变换廷降懿壤念。魄较 详细地讨论了它们的一般袭达形式，基本特性，以及相应的 物理意义。初步建立了尘埃粒子计数器信号传输与数搽礁理 系统的数学模型。进步搦示出! 三埃粒了计数器信号传输与 数据处理过程的本质。本文提出的尘竣粒子计数器信号处理 浆凝方法溺予y 0 9 9 型激党尘埃粒子谴数嚣，篌孳弪载子 测量精度从原来的7 0 左右提高到95 以卜。解决了日胁 幽产激光牵埃粒子计数器妖期面犏的车妻径测羹精度难以提高 魄闷题。 、r ， 关键词激巍尘埃羧子。竞遗传感菸辐菠响应爨数7 科究生毕业诡义 a b s li 乙 c t 轰转s 零r a c t t h is p a p e r i n t r o d u c e st h es t r u c t u r ea n d t h e o r y 0 f1 a s er a ir b or n ep a t t i c i ec o a n t e r0 f0 1nm ，i h ef e a t ur eso ft h es i g n a l o f p h o t o e l e c t r i cs e n s o ro ft a s e ra i r b o r n ep a r t i c l ec o u n t e ra r e d is c uss e di nd e t a i l t h e c o n e e p t i o n so f s i g n a la n l p l i t u d e r e s p o n s e f u n c t i o no f p h o t o e l e c t r i cs e n s o r 、s i g n a ta m p ! i t u d e r e s p o n s e m a t r i xa n dt r a n s f o r m a t i o nm a tr i xo fm i _ 1 l t i ”c h a n n e l p a r t i c l e c o u n t e ra r e p r e s e n t e d e x p r e ss i o n s 、c h ar a c t er is t i cs a n d p h y s i c a ls i g n i f i c a n o e o ft h e ma r ed i s c u s s e d ，a m a t h e m a t i c a lm e d e l0 fs i g n a ltr a ns f or ma t i o na n d pr e c e s s i n g s y s t e mo fa i r b o r n ep a r t i c l e c o u n t e ri se s t a b l i s h e d i tr e v e a ls t h ee s s e n c e0 ft h e s i g n a l t r a n s f or m a t i o na n d p r o c e s s i n g o f a i r b o r n e p a r t i c l e c o u n t e r t h en e w a t g o r i t h m 0 f s i g n a l pr o c e s s i n gi sa p p l i e dt oy 0 9 9l a s e ra ir b o r n ep a r t i c l ec o u n t e r 1 tis e x p er i m e n t a l l yp r o v e dt h a tt h isn e w a l g o r i t h mc ar l i m p r o v em e a s ur i n ga c c u r a c yf r o m7 0 t o9 5 k e y w o r d ：l a s e f a i r b or n ep ar t i c lec o u n t e r p h o t o e l e c t r i cs e n s o r ，a m p t i t u d er e s p o n s e f u n c t i o n 研，垒毕业论交 笫市引言 第一章前富 1 1 背景介绍 ：觅学尘埃粒子计数器( o p c ) 的产生始于本越纪五十年代未，至今 已有蹦十多年的历史。其技术可追溯到二二战术期。当时德国为了提琏 “v 一2 ”飞弹的命中率，在加工安装导航陀螺仪时，首先采用了密封 洁净环境，瓶洁净环境的检测，必须进行尘埃粒子计数检测。 光学尘埃粒予计数器楚洁净技术环境检测的必备仪器。其主要依 据照明光束中尘埃粒子的敝剩光强来判断粒径的大小。关于兜被悬浮 微粒的散射的科学疆论韵研究，始于十九世纪后期，并由r a y l e i g h 和 t , y n a l l 完成理论与嶷验研究工作。二十 鼓纪移，g u s t a vm i e 掇出被测 粒径与入射光波长楣同的数量级范围的散射理论。因此，光敞躬理论 为尘埃粒子计数技术提供了理论的基础。 早期光学尘埃税子计数器是以臼光作光源，存在明显的缺点。由 于自光计数嚣的照明方式为临界照明，光敏区光强是隧灯丝松救的用 期性的结构而变化，灯援像引起光敏嚣的光强巧i 均匀，形成一定程壤 的漏讣和误计。同时由于自光光强度不够赢，其光学接收系统较小， 像差，色差，杂光，等等缺陷，使白光尘埃粒+ ，汁数器的信蝶比低。 因此，自光尘埃粒子计数器探测下限一般不超过o ，3 # m ，计数器的 灵敏液受到严重的限制。本世纪六十年代以来，随着激光的出现，为 光学尘埃粒子计数器提供了大功搴，高亮度，稳定性好的照明光源， 由于激光光束强度高，在光敏区中产生的照度远大于臼光，融其谱线 单一，光寒规则，易获得较毫的信噪比，夫大提窟了尘埃粒予计数器 的灵敏度。它的出现对光学尘埃粒子计数技术起到极大的报动作用， 使得疑翦单分散尘埃粒子计数检测技术的灵敏度从0 3 址m 提r 每剥 第一章引管 o 0 0 1 “m 。同时，其光电传感嚣信噪比也提衙了4 5 个数量级。 l检测灵敏凄空气采样光源墼号 i ( m )( l l m i n ) l6 0 年代 0 5o ，2 8 3 白炽灯r o y c 0 2 0 0 l7 0 年钱 o 32 8 。3 鑫妖灯r o y c 0 2 2 5 8 0 年代 0 52 8 3 卤钨灯r o y c 0 2 4 7 l8 5 年 o 2 52 8 3 激光r o y e 0 5 1 0 0 ls 9 年 0 。0 92 8 3 激光袋o y c 0 5 1 0 9 ( 表ir o y c o 系残粒子诗数器发矮援援) 随着社会耨搜术秘涪渗技零的不龋飞速发震，人们薅辱辘洁净嶷 酌要求也越来越高，计数器的应阁范围毽l 越来越广。微电子，光电子， 生物医学工程，魅天技术，越辩糕学蠢奉李瓣裁螯技术，纯工，漆金， 陶瓷，染料，制篷，催化，絮凝等等众茹领域。对尘竣粒子计数器的 整桃性能要求上越来越离。诗数嚣不叛国裹灵敏度，离分辨率，毫浓 度等程线检溯方翻敬展。 霹越，瀑际先进东乎黪巍攀尘埃粒子计数顿装的公嚣鸯；美鬻 的m e to r l e 公司，r o y c o 公司，p r o s 公司等等。尘埃誉豇子计数器的菜 榉流露已这2 8 ，3 l t m i n ，诗数效攀离( 0 、1l - t 蕊粒子鹃谤熬效率霹达 1 0 0 ) 。检澳0 灵敏度高，研达纳米量级。整个潋程的测试时间已缩短 为1 分钝( 熟b 一9 g 嵌受微米被子粒发经 等等。弱薅，梭溅熬黠 象不仅是空气成份，也用于液体的检测。且己宓现对单分散散射光场 的二蠖分奄熬测定，难受徽寒粒予懿咒键结捣懿塞接溅定。 我国此领域起步较晚，1 9 7 5 年后，才出现臼光尘嫉粒子计数器， 并量囊于国蠹搬工工艺精度达不到要求，这给垒嫒粒子计数器产最傀 带来了困难。直到九四年黼京理工大学贺安之教授，卞保民副教授成 功的掰剖开发出鸯产0 1 蛰m 尘埃粒予诗鼗嚣虢孩心部分建逄簧惑 研究生毕业论文 第一章引亩 器，并与苏州净化设备厂研制的主机组成y 0 9 8 型尘埃粒子计数器， 劳予九五年通过鞠家鲍验收。势进一步疆剩y 0 9 9 型激光尘埃粒子 计数器。这才填补了国内激光尘埃粒子计数器的空白，其灵敏度与国 际糍类产晶基本致。本文所俘缒磷究工 乍瞧是在_ 蹴罄礁上震开麴。 1 2本文的结构 y 0 9 9 型激光尘埃粒子计数器研制对国内洁净环境检测技术起 到了巨大懿接动馋恩，对我国港净技术戆发疑共有蘩大意义，毽其菜 些方面仍需不断加以完善。如由于光敏区光强的非均匀性导致尘埃粒 子诗数嚣越径分瓠准确搴不赢等等。本文便是在越鏊磁上，在贺安之 教授和卞傈民副教授悉心指导和关怀下，建立了尘埃粒子计数器信号 传输写处理熬数学模型，提出了尘埃糠予计数器单分教尘埃魃子售号 的幅度晌j 煎函数、响应瓶阵、变换矩阵的概念。详细讨论了它f f 的旗 率姆性，物理意义。并燎模型中瓣售号处理方法应用予诗数器测量孛， 提高了国产激光尘埃粒子计数器的粒径分辨率，进步完善r 国产激 光尘埃粒子计数黪粒性能，推动了洼净室硷涮按术夔发嶷。嗣时，凌 于尘埃粒子计数器信号传输和与处理的数学模型具有普遍性，对于具 有樱同信号传竣魅震教貔埋过援，其信号处理过程j 髻可氆鉴本文秘分 析方法。这也是本文的翻的和意义所在。 第一零概述了尘埃粒子计数技零的鸷最及发矮逶况，奔绥了蓝璞皴 术的意义。 第二章分缨了国产0 。 hm 激光尘埃载予计数器夔基本结搀，工作原 理及光电传感器的工作原理及其结构。 第三牵讨砉仑了萤产尘埃粒子谤数爨光电传感器粒经绩号数特点及强 产激光尘埃粒子计数器长期面临的粒径分辨率难以提离的主要原因。 第匿搴捷寤了尘埃粒子计数爨光宅馋感器越经售号滚度嚷蔽函数瓣 研究生毕业论文 第一蕈引茸 概念，多通道粒子计数器粒径信号幅度响应矩阵的概念以及计数嚣信 号枣囊度鞍经交换怒 5 莩靛凝念。比较详缨建讨论了它翻戆一般表达形 式，基本特性，以及相应的物理意义。初步建立了尘埃粒子计数器信 号传输与数据处毽系统翳数学蠛型。邀一步揭示篷尘埃鞋子计数器信 号传输与数据处理过程的本质。将模型中信号处理方法应_ 舛j 于实际测 量中，健鹫产激光尘埃粒予诗数器双瀵遂擎稳粒子麓分簿攀鑫蔗求熬 7 0 左右提高到9 5 以上。解决了目前国产激光尘埃粒子计数器长 期穗姨的分漆率鼹以提藏懿阚爨。 研究生毕业论文 4 第一二带 0ium 激光尘埃幸立产计数器的结构其工作原理 繁二章 o 。1 | lm 激光尘埃粒子计数器的结梅 疑其工作屎理 2 1光敞射理论 光散射理论是0 1um 激光尘埃粒子计数器的核心部分光电传感 器一工孛# 豹理论墓礁。实际鹣尘搂粒予豹且秘彩获稳物理往庚穗当复 杂，严格计算难度很大。对大量的尘埃粒子的统计特性而言，建立一 个模窿，试为尘埃粒子楚半径苓麓憝蚤蠢震瞧静枣球，这与洁净技零 级别标准中关于“当量粒子粒径”的概念是一敷的。因此，光散射理 论撼傣了一释准确 擐量徽粒戆王其。奁我髓静仪器中，我稍荚；玉静筵 亚微米级的尘埃粒子测量，而此种散射理论正是建立在m i e 散射理 论躬基礁上。 l8 9 9 年，r a y l e i h 在天光研究中放弃了古老的弹性固体理论而改 雳当时已鑫m a x w e l l 秘h z e 确定豹电磁波理论。提毒了著名豹r a y i e i h 散射定律。r a y l e i h 散射有以下几个特点： f 1 )散射巍强度嵇渡长瓣遥次方残正毙。 ( 2 )散射光的空间分布与观察的角度裔一个简单的关系。 f 3 )教赛季戆蘸半球帮爱半球其蠢程弱豹教麓强凄。 ( 4 )9 0 0 方向的散射光几乎是全偏振的。 这楚r a y l e i g h 对激粒教甓季骶箨掇熬磅究结论。它逶会子线浚远远，j 、 于光波波长的尘埃粒子，它是以分子极化偶极子模型为基础，可用散 射中心在入瓣光 磐爝下发生受遥强囊悉发生次波来俸裙步解释。当垒 埃粒子的线度相对于光波长逐渐增大时。各带电粒子振动的相位差越 研究生毕业论文 第一二帮0 1um 激光尘埃拙子计数器的结构及h 工怍原理 来越大，就发生了r a y l e i g h 散射向m i e 散射的过渡。 1 9 0 8 年，g u s t a v m i e 褒一篇发表鲶论文中，在电磁理论娓基础上， 对平面单色波被个位于均匀媒质中具有任意直径的均匀小球散射得 史严揍解。最初该理论应用予甥理他学，荠被发展成为鼹突胶体积大 分子的有利工具，以后又被用于大气光学的研究。 m a x w e l l 方程鳃为 v d = p v 。i ：0 v 。云 口” v 一h = j + o d o t 其中，d 袭示电位移矢量，e 表示电场强度，b 表示磁感应强度，h 表示磁场强度，j 代表电流密度。同时，有如下介质电磁性方程 历：e 罾( 2 2 ) 豇# 西 式中e 表示介电常数，a 电导率，u 表示磁导率。把m a x w e l l 方程组 用予电磁波在两种贪厦鲶边界条l 牛得 ；匠一瓦一kp ：譬骘。 ( 2 3 ) 二医一i ) = 0 、。 磊。匮一面法了 m i e 散射理论公式涉及到m a x w e l l 方程组躲解。它搂述入射至l 一 个球面上的平面单色波所产生的场，越过该球筒时媒质的性质突然变 化。弓l 入适当的坐标系，利用m a x w e l l 方程与边雾祭饽一起分离为 一组常数微分方程，并嗣无穷级数形式解出此方程。 研究生唪业论文 第二章 0lum 激光尘埃粒子汁数器的结掏及其工作原理 图2 1 1 单色球面波被各向同性小球散射 设一单色平面波入射到一各相同性的小球( 如图2 1 1 ) ，己知小 球的折射率为n ，半径为a ，且处在折射率为1 的均匀介质中。则入 射场和散射场的关系矩阵表示形式为 。i儿ells j-_iexpl-ik-r)(；-ikrz 苏复 ( 2 4 ) k i2 2n x ， e 。，e 。为与原光束夹角为。的散射光波电场正交 分量。而e 。，e ，为入射光电场正交分量。 为入射光的波长，r 为观察点到散射中心的距离。s 。，s ：为e e 。的散射矩阵的振幅， 其中 t 。( c o s0 ) ，。( c o s0 ) 为缔合勒让得多项式一阶和二阶导数。 r 。( c o s a ) ：d p 了m ( c o s _ a ) 肌御。兰淼小咖) - s 枷饥( c 0 呐 ( 2 6 ) 小s 耻型生甓蒜燮 卜叫 而其中，a m , b 。为复宗量的函数式 。：竺盘巫生盟! ! j 坐：旦! 型 “ n 妒。( 1 1 ) c ) 善。( x ) 一孝。( x ) 。( n x ) 研究生毕业论文 也 吨 一 霉 ；l - r g014m 激光尘埃粒子计数嚣嬲结捣段其王怍愿建 魄：粤璺箩害罡絮娑 ( 2 。7 ) ”妒。( ，i r ) 善。( x ) 一n o + 。( 稳x ) 善。( x ) 式中妒。为m 阶第一类b e s s e l 函数，。为m 阶第二类b e s s e l 函数。 x = 2ha x 当n = i 时，a 。= b 。= o ，慧昧着场中无粒子，散射场消失。丽 在。方向上的两藏交偏搬分量强度分别为 = 1 2 & = l | 2 一般情况下i l i 与i 都不为零，因此，散射光是部分偏振的。定义散 ：鸯重惫静编掇度为p ，瓣p 为 l + 一 雎| 捌 于是，散射光的非偏振的比例为 ( 1 1 + 1 1 i ) ( 1 一p ) 。2i j ( i i + i ) ( 1 一p ) = 2i i ，当i j j i l g i e 散鸯孛舆有黻下特征 ( t ) 散射光的强度随角度的分布变化十分的复杂，粒子相对于波长 的足瘦越大，分奄结构越笈杂。 ( 2 ) 当粒子尺度加大时，前项敝射和簸向散射之比随之增大。 蝴 研究生毕业论文 第二带0 lun 1 激光尘壤穗f 计鼓器的结构及其王作原理 o 2 镶= ：= = = 二= 。m 图2 1 2 小球在平行光中光散射角分布 f 3 ，当粒予的尺发超过光波波长时，数射过程秘波长的依赖关系就 不密切了。敝射开始向衍射过渡。一般，当粒衽d ，通常d 时，通常d 1 0 时，为f r a u n h o f e r 衍射区 域。 在m i e 散射理论中，要求微粒散射的结粜，需计算散射系数a 。， b m ，露计算s ，s2 ，恧a 。，b 。为复宗量r i c a t i b e s s e l 函数复合式， 收敛慢，计算很潮难。为解决收敛速度问题，a d e n ( 1 9 5 1 ) 在计算中引 入对数微分 o d 。；l n p ( p 。) a p 羹a 。，b 。哥改写为 。= 甓裟篆糍 蚝= 甓蒜舄糕 式中利用了递推关系式 ( 2 8 ) 研究生毕业论文 9 一一 第一章0 lp1 7 1 激光尘埃敞了计鼓器鲍结捣瘦廷工作擐理 妒，( * ) = 妒。一l ( x ) 一脚妒，( x ) x 毒。( x ) = 孝， ( x ) 一 拜喾。( x ) ，x 用上述公式计算盟然可以大大提高计算速度 d “2 i m 一丽1 z 。t 。满足下列递接关系式 2 m 一1m 省m 2 i 霞一t 一磊二了疗m 一： f 。= m f l ；, r m 一( ，”+ 1 ) 灯一i ( 2 9 ) 可以下式递推关系式 ( 2 1o ) 2 1 i ) 式中驻= g o s0 ，x 戆秘媲擅为x 。= 0 ，t 。= l ，e 稳t 交警是c o s 8 的奇偶函数。 2 2 0 1 t , t m 激光尘埃粒子计数器光电传感瓣的结构及工作原理 尘埃粒子计数器是应用m i e 散射的原理测量单分散尘埃粒子在 竞泰中载敬瓣光强来楚鼗尘埃越子粒经斡溅试诗数纹器，诗数嚣首先 以规定的流匿从待测样气中采样，然后对采样气流中的单分散尘埃粒 子懿散射光强进行 9 | | 量，分辑，最惹绘凌棒气中豹尘埃粒子翡粒径豹 分布。 密予尘埃粒子诗数嚣是戳零分数粒子在煺骥光塞中产生静敬麓 光为宜接检测对象，光电传感器的性熊宜接影响到计数器的主要性 戆。嚣魏，尘埃羧予诗数器弱免寇转感器是诗数器豹穰一0 。 由于实际尘竣粒子的几何形状差髯很大，粒子散射光场的分稚 与粒子稳对予入射光寒翡凡鹰方位毫关，瑟缓鞭子吴有褶溺豹鼗袈毙 强，其半径和折射率也不究全相同，故尘埃粒子计数器给出的粒径分 毒是一秘“光学等效粒经”，霹豢绘定蘩静蠡漆粒子瓣，德溺粒子豹 散射光强与此种给定的标准粒子的散射光强相游，则待测粒子在散射 毙强方夏等效予绘定睾经麴标准靛子熬教蔻宠强效瘦，它餐鼗有糖溺 研究生毕业论文0 第二审0 lum 激光尘埃粒子汁数器的结掏及葵_ 作原理 的光学等效粒径。 0 1um 激光尘埃粒子计数器光电传感器包括：照明光源、采样气 流系统、散射光收集系统、光电转换器。 1 照明光源 0 1u m 激光尘埃粒子的光学散射截面为1 0 - 9 量级，其散射光强 非常弱。因此，选择高亮度，稳定性好的照明光源，对检测微弱信号 的计数器相当重要。0 1um 激光尘埃粒子计数器选用的是单横模半 内腔h e n e 激光器作为照明光源。 2 采样气流系统 采样气流是将样气引入照明光束的系统。我们把照明光束与采样 气流垂直的空间称光敏区，尘埃粒子计数器探测的就是进入光敏区的 单分散尘埃粒子的散射光强。空气尘埃粒子计数器采用吸气泵，利用 负压使样气自动流入检测系统。 采样气流结构如下 样进传出吸流过 排 气 气感 气 + 气 量 滤 气 管 口器口 泵计器 管 图2 2 - 1尘埃粒子计数器的气路系统结构 气泵抽取传感器聚光腔内的气体，使腔内形成负压将待测的样气通过 进气口进入传感器光敏区。目前，国家规定的计数器采样气流为 2 8 3 1 m i n ( 国外目前计数器的采样气流率己达2 8 3 l r a i n ) ，由于一方 面要保证光敏区中的样气粒子单分散通过，不产生重叠、漏计，另一 方面要提高采样气流流速，缩短采样时间。因此，这是一对实际问题 中要考虑的矛盾因素。 给定样气流速的条件，样气中的粒子实际宏观运动速度与气流的 横截面成反比关系。国产激光尘埃粒子计数器光敏区中的样气的流速 研究生毕业论文 第一二章丑ipm 激光尘埃粒于汁数器的结构及其t 作原理 约为5 0 m s 。 样气中尘埃粒子的质量远远大于空气分子的质量，粒子运动滞后 于采样气流，待测粒子在气流中的流速略小一些。 3散射光收集系统 散射光收集系统是光电传感器核心之。尘埃粒子计数器计数时 是按粒径信号幅度的大小，将信号送入不同的计数通道计数，所以散 射光收集系统的性能越好，光电传感器输出信躁噪比越高，仪器的灵 敏度越高。对散射光收集蓉斑而言，一方面要高效率收集粒径散射信 号，同时要尽量抑制噪声曲幅度。 尘埃粒子散射光收集系统实际是一个进入光敏区粒子点成象系 统，将光敏区中粒子成象靛射光收集起来，便形成了一个光脉冲信号。 由m i e 散射理论可知，亚锻米级的粒子散射光角分布变化明显。尘 埃粒子的散射光具有明显曲偏振特性。平行于接收平面的散射光的分 量变化显著。在近9 0 0 的方姑附近衰减很快。而垂直于接收平面的光 场分量变化比较平稳。图2 _ 2 - 2 为计算出来的单色光波( 入= 0 5 5um ) 照 明光场中的球形粒子散射： 黼o ( 0 ) 的空间分布 图2 2 2 气涪触子光散射截面角分布 光路设计应根据粒子散射光酌偏振特性，确定散射光接收立体角的范 围。国外的高灵敏度的光电髂感器中采用了反射率可达9 0 以上的 研究生毕业论文 第，二章0 lpm 激光尘埃椒子计数黼鲍结捣盛典1 = 作原理 玻璃介质m a n g i a n 镜组合光学光学聚光腔，其性能好，像差小，但 霾静蘑内达不妥戴糖工精度。本文中静国产y 0 9 9 翟0 1 # r n 激光 尘竣粒子计数器光电传感器结构( 如下图所示) 聚光腔用旋转椭球面 反瓣镜，实际静教篱雩竞收集立体角硌大予2k 球面度，待溅样气敲旋 转椭球腔上焦点垂直进入光敏区，其散射光被腔体收集，在另一焦点 楚戏橡，簸光逛接牧器袋渡，著将竞信号转换为龟憨冲售号。 蚕2 2 3嚣产仔。i 弘n i l 激搬尘埃粒子诗数器党毫传感器示意謦 壶尹激光警凌毛鳃警壁熬反葑巍光学谐缀整全爱辩镜灏枣袋陷，产生 了空间分布具有定随机性的杂敞光，它与激光主束不能完全分开， 虽冀强度与激光圭褒耱毙可以忽貉，毽远远大予亚甓鼋米级的尘埃粒予 产生的散射光强度。杂散光在旋转椭球腔内多次反射，被光电转换器 接收，造袋光学籀惑器懿本瘾囔声过大。因魏，对蹩学僮惑器静光阑 孔掇出要求。当光阑孔径过大时，漏入的杂光增多，本底噪声增多。 当光藏毳经过参辩，边缘效疫爱教射杂教光增强，本瘫噪声落增强。 因此，本文中0 1 m 激光尘埃粒子计数器光电传感器特设计采用3 对嚷嗫型爱魅镜瀵毙系绞，据下 研究生毕业论文 第二章 o1 m 激光尘壤莩立于计数器结构及其工怍原理 luu 卜 。l 卜3 硐l2 | 阔2 2 4 喇叭激消光系统 蚕中l ；，l ，限寒雯竞阑，惫豫羧乡 夫部分杂教走。l 2 ，l 2 辘魏光溺， 将主光阑口的大部分杂散光虑除。l ，l ，使对面来得小角度杂散光 复射嚣离开聚党整。 4 光电转换器件。 聚光照收集餮载光辣挣，经收集光阑妥达悫电转换器传( 一般为 光电倍增管或雪崩二极管) 的阴极上，光脉冲被转换成电脉冲。 2 3 o 1um 激光尘埃粒子计数器的缔构及其工作原理 0 。1 譬r i l 激光尘埃粒子计数爨收集您溅粒予戆数辩悫，并对鼗瓣 光信号处理，得出粒径的范围。因此，光电传感器是计数器的核心 剩下懿帮分便是懿鹰对缮号遂嚣姓理，缮到校擐弱分奄。 样主小多显 气放信 刀 流大号道器 激聚光 一 计 嚣l大竣 光 光 电霹信 数 出 爨 黢 转放号攒 换大甄 口 走攀簧感嚣僖号分掇处理 图2 3 1尘埃粒子计数器结构及点作原蠛图 尘埃粒子诗数器载缓梅及工穆器瑾鳃上圈掰示。囊至王e n e 激光 研究生毕业论文 第一帮0 ium 激光尘埃 馥子计数器的结构发奠工作腹理 光柬引入聚光腔，同时采样气流通过光敏区，聚光腔将通过光敏区中 尘埃粒子的教麓走收集莠进行竞电转羧，涛光弦净穗号转按为电繇；孛 信号。由于亚微米粒子敞射光强信号微弱，故将信号前置放大成幅度 足够大熬溆歉滓信号。其中，大信号鼗接送入多遭分爨器，焉，l 、缮号 则经主放大后送入多道分析器。 多道计数嚣对输入黪大，j 、躲泞镶号遵罩子辐度嚣饕，褥粒子整号 幅度近似认为同粒径一一对应，将不尉幅值的粒子信号分别送入相应 幻遴递进行诗数。 由于计数器楚以粒子信号幅度的大小确定粒子粒径的大小，因 此，诗数嚣躲压继放大邀鼹对信号进行线性放大，要蕊仪器熊整令毫 路的信号放大系统具有良好的线性性。 最示嚣霪示出系统在一个凰期痰溺量到孵榉气中不鼹耱经豹尘埃 粒子产生的脉冲数目，我们把显示器显示的粒子粒径称为名义粒径( 我 们以后讨论中蛰撬副) 。 尘埃粒子计数器对于不同粒 径粒子的计数是基于不嚣教径懿 粒子产生的散射信号的幅值不相 等， 嚣粒子数射售号幅震与其粒 径魁一一对应。因此，计数器在 使磁之兹，必须对芟进萼亍柩定， 找出粒径与信号幅度的对应关 系。瞧裁是对每台尘埃粒子计数 器需用不同粒径的标准粒子( 光 学等效粒子) 输入，测出不同藏 径的标准粒子的电脉冲幅德，标 定出v f 璃应酋线，噬挖终为 | 髓sl s x 毒揣巍艇丰f 蹴鞫 i 】0 p ) 和囊光盼斛c 鞭甲蕾) 曲废 鍪2 。3 2诗鼗箍对苓鬻毅径 标准救子的响应曲线 研究生毕业论文 第一嚣0 i um 激光尘埃粒子计数器的结 ! = l 盟其_ i = 作娘理 基准，由测量时得到的脉冲信号幅度，得出粒子粒径的大小。 2 4 尘竣粒子计教器的主要性能参数 尘埃粒子诗数器赘技术瞧能参数是浮定一台尘埃粒子诗数器性缝 优劣的一个尺度。因此，疆提高一台尘埃粒子计数器的性能，应首先 鼓毪蕤懿撂标参数人手，瞄提意仪器黪蓬麓。它主要侄括 1 离散度 孛华入民共窝嚣国家计量羧定麓程j j g 5 4 7 8 8 中残定，尘埃 粒子计数器的单分散尘埃粒子离敞度定义为 提应溅量逶遭中熬擎粒子诗数悠 离散度 阉一竭糍痰全熬链子诗数篷 离散度反应了仪器对念同粒予的粒强信号响应的一致程度。由于 诗数嚣走敏嚣照明毙强鲮 均匀携，不稔定瞧，及粒子垂身缭橇的莲 异，及光敏区中的位置聚光腔对单粒子散射光收集效率不同，及仪器 电爨的影蛹等等，旋褥嚣键完全藤月的羧径款粒子，箕教射憋强寝绞 然有一个离敝度的变化，最终导数粒径的分析结果具有离散性。 2 。准礁度 中华人民麸和国国家计量检定规程j j g 5 4 7 8 8 定义尘埃粒 子计数器对多分教鞭子越予捡溅准确凄楚定义为 两种粒子的实测分布比率一两种的粒子的实际分布比率 准确凄一 两种粒予的实际分布比率 准确瘦爱应了尘埃竣予诗数捺对弱时g l 入凝光黢瓣不嗣粒径懿粒 子的分辨能力。由于在单分散尘埃粒子之间没肖相互的作用，粒子信 号楚独立产生，鼓计数器蕊准确溲与诗数器戆懑教程凌密切糖关。铰 器的离散程度越小，它的准确度一定越好。准确度是从多分散混和粒 子数经分辑魏楚度来评定仪器瞧鼹。 研究生毕业论文 6 第一强 0l4m 激光尘埃鞭予计数器的结捣垃乓工作原理 3灵敏度 在这鐾，我稻挺楚鬓活数器最小搽测下鼹懿螽标称为诗数器的灵 敏度。也即是规定的计数效率的| j 提下，计数器可以检测出的最小光 学等效粒经。坟器豹灵敏疫与计鼗嚣皎集到斡粒子教瓣光豹躲淬瞩镳 相关。计数器的灵敏度首先取决于照明光的强度。照明光强度越强， 饺嚣熬灵敏度越藏。鬏攒l o r dr a y l e i g h ( 1 8 8 ) ，g u s t a vm i e ，鞠p e t e r d e b y e ( 19 0 9 ) 等最早研究的球粒的光散射物理学，粒予穿过计数器光 敏嚣瓣，教魅竞戆躲冲巍强涟裁径翡城夺瑟溅速躐小。大约0 1 # m 时，这种减小与一成正比。r 为粒子的半径。这意味精灵敏度即使是 较，l 、瓣提裹，也鬟要毒稳当毫鹩照爨光强戆碧翱。翠絮懿尘埃粒子诗 数嚣使用的是白光作光源，其照明光强度受到限制，故白光作光源的 诗数器，仪器硷溅鳃灵敏度下袋为o 3 o 5 弘m 之潮。当爱激光锋光 源时，照明光强大大提高，故激光光源的尘埃粒子计数器检测灵敏废 下限霹达o ，0 5p m 以下。英次，诗数器豹灵敏囊取决予数袈光蕊浚集 效率。一些球面镜，抛物面反射镜作光学传感器对粒子散射光收集， 其牧嶷效率瞧不褰。实醛_ ；燹| | 量孛，计数器懿灵敏度鳃爨褰还还取决予 一个蘑要因素，即仪器的信噪比。当本底噪声太大而淹没了粒子信号 薅，仪器鲍灵敏度显然不韪提裹。困照，磐霹撬毫仪器楚灵敏痉是提 高仪器性能的重要因素之一。 4 ， 卡数效搴 槲 燃 豢 。 上限 匿2 4 1 垒埃粒予诗鼗攀诗兹效率莫登藏线 研究生毕业论文 筻二话0 1um 激光尘埃辣子计数器的结构及其工作原理 尘埃粒子计数器的汁数效率( 或者称“检测效率”) 定义为检测 莲子斡凝率。这些粒子毽含在最拐送入计数嚣懿采爨气流中。诗数效 率息用一个计数器来测量并恰当表示粒子污染的参数。 诗数嚣戆计数效率与仪器妻冬分辨裁力密韬穗关，癌鹜胃妇，当粒 子的粒径大于或小于某一范围时，由于计数器的分辨能力有限，无法 辨别真实羧经，诗数爨翁诗数效率低。同薅，计数器豹诗数效率还与 样气气流的分布有 关。只寿当撵气气 流究全流缀光敏 区，基建溪魅子完 全流过光敏区时， 诗数器在慕一越经 范围内才可能达到 t 0 0 故计数效 率。上下测麓限度 决定了计数器的工 作范围，高于或低 照2 4 - 2 每l a s - x 三糙髓用光学粒 子计数器的计数效率 予浚；l | | 量羧经羰度夔粒子瓣粒经搜溅不透子爰此仪器捡溅。 5 ，继噪毙 尘埃粒子计数器的信噪比就是指最小测量粒径产生的信母电平和 平均礤声毫平斡魄僮。鬟然售嗓瞧是纹器熬魏戆饯窭戆一个重要撂 标。仪器的信嗓比越高，表明其灵敏度就越高。 尘埃粒子| 卡数器戆暌声溪主要篷瑟本废光噤声( 其中惫摄激竟主 光束衍射，光敏区分子杂散射光) 及电噪声等。其中还有一种特殊的 噪声，极内产生黪粒子诗数。它是撵产生于诗数器内舔警壁上聪落豹 粒子( 如机械震动等) ，而不是随外部待测气流进入计数器的。机内 诗数是裹缝痉气薅应嗣谤数嚣戆主要袋镬之一。 研究生毕业论文 1 8 茎= ：璧! ! ! 璺遂垄尘堡整王生茎矍墅堕塑垒墨三丝壁 提高信噪比，耍根据噪声源来采瞅各种消除办法或补救措旎。对 子光搴瘾淡声，我们霹酷设计特殊佟瑙鹄竞溺，渚豫一部分杂散光进 入光电转换器，( 如本文所提到的0 1um 激光尘埃粒子计数器设计的 嗡飘型光闲) 。对予某些魄嗓声，我暂j 可遥过提高电薅祷莲芝，葡时可 用电磁屏蔽的方法滤除某些电噪声源等等。对机内计数戎们可通过延 长计鼗器溘零时阂，减少仪器静振动，以使裰内诗鼗在清零过程中逐 步消失。对于粒子散射光信号，我们可以对其进行频谱分析。选则适 当黪滤波嚣传递器数，篌萁输籀静信譬窝噪声静功率密度阮达到最 大。 6 。瞧应麓线 响应曲线表示不同粒径的卡巅子对于不同的散射光强度的响应特 搀。 靼嚣l 萼 球p i 尹。 。 一理淹诹 囊曩致羹 。厂 l 厂 甓挣篝m _ 目i _ t 穗塞 曩他饷西” 。p 衍射i 1 t h “ w 一 一毽论证 4 赛藿羹i “ p 段豫 一较釜 图2 4 3a s a s 3 0 0 x 对不同材科粒_ 予的理论与实际响应曲线 尘埃粒予诗数器酶应簸线，霹峦酝i e 教爨溪论公式r 竞学黄惑 器对待测粒子的散射光收集角，单位光强照射下，粒予散射光强与靛 径憨关系翼瞧。霪2 a 一3 蠖是美黧p m s x 诗数器懿旗痘夔线以及试 验测定结果的比较。由图可知，理论计算与试验测定吻合得相当好。 舞兹瑗窍戆尘埃粒子诗数嚣壤号链疆对，掺试为靛子粒强与粒孑 研究生毕业论文 第一二章0 ium 激光尘埃牲严计数器的结构及其t 作原理 散射脉冲信号幅度一一对应，用信号幅度代替粒子的粒径。但由于实 际检测中，照明光源无法做到完全均匀，而导致粒子粒径与散射脉冲 信号幅度非一一对应关系。因此，这一近似关系的不准确性直接导致 01um 激光尘埃粒子计数器的大量错计，对散射光相同而半径不同 的粒子无法准确辨别粒径的大小。这一实际上的缺陷导致计数器的准 确度无法提高。仪器性能也无法提高。 7 量程 尘埃粒子计数器的量程是指仪器可以测量到的最大粒径和最小粒 径的范围。它表征计数器整机的动态范围。由于仪器的光电倍增管的 线性工作范围有一定的限制，对散射光强转换的电脉冲幅度相差一定 量级的信号的放大保持良好的线性放大有定的困难，因为粒子大到 一定量级时，其散射光强度会导致信号电路系统放大出现饱和现象， 粒子小于某一范围时，系统响应太小，信噪比太小。此时，仪器便难 以辨别出此种尘埃粒子的粒径。 8 名义粒径 尘埃粒子计数器计数时显示出粒子的粒径称为名义粒径。这是对 某一实际粒径范围的代表名称而己，至于它所代表的实际粒径的范 围，由标定时所选则的标准粒子的粒径确定。在国产y 0 9 9 型激光 尘埃粒子计数器的名义粒径分为o 3 ，o 5 ，o 7 ，1 0 ，2 0 ，5 ，7 ，1 0 ( um ) 共八个通道。 本章小结 本章详细介绍了0 1um 激光尘埃粒子计数器内部的结构及其工 作原理、性能参数，是本论文的基础部分。 研究生毕业论文 第兰囊激光尘埃牲子计数器光电传譬器信号分搬 第三章激光尘埃粒子计数器光电传感器信号分析 在这一章内，将重点讨论圈产激光尘埃粒子计数器的光敏区特 性，粒子在光敏送内散射光强转换成电脉冲信号的特点。通过建立粒 子在光敏区中的散射模型，推导出尘埃粒子散射光电脉冲信号的脉冲 幅度，粒子粒径、及粒子在壳敏区中的位置之间所满足的关系。讨论 了国产激光尘埃粒子计数器长期面临的难以提高粒径分辨率的原因。 3 1光敏嚣粒子运动豹基奉特点 一光敏区的特点 光敏区就是指尘埃粒子计数器聚光胶内采样气流与照明光束垂囊 相交的区域中与粒子散射光收集光阕共轭的部分。当擎分散曼i 三埃粒子 通过光敏区时，在此区域内受到照明光的散射，聚光胶收集粒子的敞 蓊光信号，并将其转换减电脉冲信号。依据电脓冲信号幅度的大小可 以判断粒子的粒径。因此，光敏区是粒予信号产生的策源地。 在尘埃粒子计数器中，理想光敏区满足下捌条件 ( t ) 光敏区中的照明光强空间分布均匀致，且不随时间变化。 f 2 ) 光电佟感器对遂入光敏医中躺不同粒径豹待测粒予散射光空间收 集效率相同。 ( 3 ) 光敏区中无湍流，斜饕尊现象，待测粒予匀遮垂直艇一次通过光敏 区。 ( 4 ) 光敏送中粒子产生散射惫全部进入收集竞阑。 在国产激光尘埃粒子计数器中，为提高计数器的计数效攀，采样 硕士毕啦论文 第二章激光尘寞垃子计数器光电传感器信号分析 气流通过薄片状喷管进入光敏区。照明光源为h e n e 激光器，光敏 区中照明光强呈高斯分布。因此，粒子通过光敏区产生一脉冲信号， 信号脉宽与粒子穿越光敏区的时间成正比，信号幅度对应为粒子穿越 光敏区时产生的最大脉冲信号强度。对国产激光尘埃粒子计数器及同 类具有激光照明光源的尘埃粒子计数器的光敏区粒子散射模型，我们 作出以下合理假设 ( 1 ) 陷。 光敏区高斯光强空间分布不随时间变化，我们不考虑光束的缺 ( 2 )样气粒子均以等速率垂 直一次通过光敏区，不考虑斜 射或湍流的情况。 f 3 ) 计数器散射光收集系统对 在光敏区中的粒子散射光的收 集效率均相同。( 因为在国产 激光尘埃粒子计数器中，光敏 区的线度小于或等于毫米量 垂直 级，而待测粒子的粒径为亚微图3 i i 光敏区示意图 米级，它们与聚光腔的线度相比非常小。因此，可把待测粒子看成足 点粒子，聚光腔对在通过光敏区的粒子的立体张角保持不变，故认为 粒子散射光收集效率均相同) 。 ( 4 ) 对不同粒径的粒子，计数器光电转换特性，前置放大电路等对 散射信号的影响相同。 二光敏区中样气流截面粒子分布的随机性 待测空间中粒子的位置分布是随机的，因此尘埃粒子计数器将采 样气体抽入样气管后粒子在气流束截面的位置分布也具有随机性，粒 子通过光敏区时在光敏区气流中的位置分布也是随机的，我们无法完 全预知任粒子通过光敏区的位置。但在大量粒子输入的情况下，输 硕士毕业论文 第二章激光尘埃柱了计数器光电传感器信号分析 入粒子群的平均密度基本稳定，粒子群在光敏区位最分布满足统计分 布的规律，单径粒子群通过光敏区时在不同的位置分布几率是确定 的。这是我们后面讨论的基础。 三粒子运动的速度、及其穿越光敏区的时间 由于输入计数器中的采样气体由气泵抽入样气管道，通常的气 压为一个大气压。采样气流速率基本保持不变。在给定的样气流速的 条件下，样气粒子的实际运动速率v 与采样气流横截面成反比关系。 目前，我们研制的y 0 9 9 激光尘埃粒子计数器的采样率为 2 8 3 l m i n ，即0 1 立方英尺m i n ，以m m 2 为气流的横截面积，则 v = 2 8 3 ( l m i n ) m m 2 = 2 8 3 1 0 3 m m i n = 4 7 m s 样气中的尘埃粒子的质量远远大于空气分子的质量。因此大质 量的粒子在气流中的运动速率必定要小些。而粒子运动滞后于气流的 差值与粒径的平方成正比 av = 4 r 2 pp e 式中v 一值粒子运动滞后于气流的差值。p 一指粒子的密度，e 一指 气体粘滞度，p 一指气体的动压强。由于我们所测量的范围是亚微米 级，在此范围粒径的粒子的滞后速度可以忽略不计。因此，我们认为 待测粒子均以相同的速度穿过光敏区。 光敏区的厚度为m m 量级。这样，对光敏区而苦，粒子穿过光敏 区所用的时间约为 t = l ( m m ) 4 7 ( m s ) = o 0 2 x 1 0 3 s = 2 0 us 硕士毕业论文 蒡三啭激光7 埃牲予计数嚣光电传感嚣馏号分析 3 2粒子散射光脓冲信嶝分拼 在图产激光尘埃粒子计数器中，我们实际用列的h o n e 照明光 泵并来经过秘匀喜乏姣遴( 我们在下苓讨论爨因) 蠢渡零l 久聚竞黢，巍 激光器谐振胶中产生光束为简斯光荣，其电矢量的传播式可栽示为 脚= 志e x 错 寂扣k ( 。x 。2 丽+ y 2 + 。) 嘲) t ， 、- ，一、_ 呻、， 振幅部分相位部分 式e e ，e ( x ，y ，z 是( x , y ，z ) 豹奄矢鬃。a 。z ) 蹙z 垒标麓上x ，y ，z 冬 点的嗽矢量搬幅，* ( z ) 称为z 点的光斑尺寸，它是z 的函数 雄叫t + ( 刹 i 。是z = 0 处的u ( z ) 值t 它鼹高斯光束的个特褫参量，称为光束的 “鬻翘”。r ( z ) 是高聚党束在z 楚液疆嚣鼹率半径，是z 麓委数： 琢冲 1 + ( 删 嚣我翻关，鹣建褰戆光采黪毙强努枣，簸 = e t 琶4 = ( a o ( ) ( z ) ) 2 e x pc + 2 ( x 2 + y 2 ) ，2 ( z ) 】 一| ee x pc * 2 ( x 2 + y 2 ) 2 z ) 】 ( 3 2 酋先，躲释一下散射截磷d ( 6 ) 。宙m i e 敞辩瑾谂可稚，辑射率 凳n 姻均匀奔震，j 、塔在强袭为l e 。2 懿散射爨明光场中，小珠鳆散 射先溺分布为 硕士毕业论文 第二三章激光尘埃粒于计数器光电传感_ 嚣信：分折 到e = 掣i k 0 sf l e l l r i、i 。l e 。，e 一。分别代表散射光的平行分量和垂直分量，e ，e ，分别代 表入射光的平行分量和垂直分量，s 。，s ：由无穷级数组成。此时，小 球到的角散射截面o ( o ) 定义为 o ( 0 ) = e 2 。e 2 i s = o ( 0 ) i 。 e 是相对于入射光方向的光散射角。 我们顺着照明光束方向在光敏区中切一截面束观察 时光 。l 、。 8 f ? y x ly ；x ；厂、0 1 一、 磋。 r j。 。二 、。 了运动路径 图3 2 2 光敏区粒子散射信号脉冲曲线 尘埃粒子计数器光电传感器收集到的粒子散射光强转换的电压值为 = h ，s = h o ( ，月) r l ( x ，y ，：)( 3 3 ) 式中，v 。代表计数器接收的粒子散射光脉冲信号转换成电脉冲信号 的电压值。h 代表光电传感器的光电信号转换特性，前置放大电路等 对信号电压值的影响。它与粒径无关。i 。为计数器接收到的粒子的散 射光强。r l 表示散射光收集系统的收集效率，根据前面的假定条件， 硕士毕业论文 第一章激光尘埃柁子计数器光电传惑器信号分析 n 是一常数。式中i ( x y ，z ) 是粒子处于光敏区中( x , y z ) 点照明高斯 光强。o ( r n ) 为粒子散射光收集立体角的总有效散射截面。 设粒径为r 的粒子在( x ，y ) 处进入光敏区，则其所产生的散射 光转换为电压值为 v =