激光塵埃粒子計數(shù)器的穩(wěn)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(yè)化生產(chǎn)環(huán)境對潔凈度的要求不斷提高，激光塵埃粒子計數(shù)器技術(shù)得到了快速蓬勃的發(fā)展。從軍工領(lǐng)域邁進民用，從高端技術(shù)滲透進社會各個層面，以激光塵埃粒子計數(shù)器為代表的潔凈技術(shù)正在逐步提高人類社會的生產(chǎn)能力、改善人類的居住環(huán)境。在半導體制造業(yè)中，社會對電子元件尺寸要求愈加苛刻，生產(chǎn)加工環(huán)境的潔凈度將直接影響產(chǎn)品的合格率，據(jù)統(tǒng)計約超過80%因為電學特性失效的電子芯片是由于生產(chǎn)環(huán)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(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域，藥品生產(chǎn)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(shù)器的工作原理

激光塵埃粒子計數(shù)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(shù)儀器。以規(guī)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(qū)域時，塵埃粒子產(chǎn)生散射光，散射光收集系統(tǒng)把一定范圍內(nèi)的散射光光通量收集起來并由光電傳感器轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)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(jù)電脈沖幅值的大小甄別以送入不同粒徑檔通道計數(shù)，最后在顯示器顯示一個計數(shù)周期內(nèi)各個計數(shù)檔的粒子數(shù)目。

2 激光塵埃粒子計數(shù)器的應用現(xiàn)狀

當前的光散射式激光塵埃粒子計數(shù)器的研究方向是朝著大流量、小粒徑和微型化的方向發(fā)展，國內(nèi)外的激光塵埃粒子計數(shù)器生產(chǎn)商正在以日新月異的速度對激光塵埃粒子計數(shù)器更新?lián)Q代。隨著工業(yè)民生行業(yè)對激光塵埃粒子計數(shù)器需求量的上升，小流量、中小粒徑的計數(shù)器已經(jīng)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(jié)構(gòu)簡單輕巧的激光塵埃粒子計數(shù)器成了迫切需要解決的工程技術(shù)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(wěn)定性高的激光光源；硬件參數(shù)設計的不合理會導致在測量腔內(nèi)形成湍流、回流，使得腔內(nèi)速度場分布不均，部分粒子可能被腔壁吸收而偏離光敏區(qū)或者多次經(jīng)過光敏區(qū)；散射光收集系統(tǒng)的收集能力，粒子散射光經(jīng)旋轉(zhuǎn)球面反射鏡反射后進入光敏區(qū)被光電轉(zhuǎn)換器接受并轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效果。

3 激光塵埃粒子計數(shù)器的不穩(wěn)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(shù)器的實際工作性能比儀器標定的參數(shù)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(shù)器的工作較為穩(wěn)定，工作環(huán)境變化比較大的參數(shù)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(huán)境中，由于要保證超潔凈環(huán)境，需要氣泵持續(xù)抽取實驗環(huán)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(yè)用途中這一點是不可能實現(xiàn)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(shù)器往往環(huán)境溫度在40℃左右）。

一般來講，對光電傳感器的穩(wěn)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(tǒng)光學結(jié)構(gòu)，通過改善透鏡組的結(jié)構(gòu)參數(shù)以獲得性能優(yōu)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(shù)器中由于采用LD光源，其穩(wěn)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(tǒng)受外界條件改變而產(chǎn)生的形變，由于激光塵埃粒子計數(shù)器的工作環(huán)境溫度區(qū)間僅在常溫的25℃左右到箱體內(nèi)的40℃左右，這一溫度區(qū)間遠不足以計數(shù)器的剛體元件產(chǎn)生明顯的形變，所以機械原因?qū)τ嫈?shù)器參數(shù)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(shù)，主要采用電容、電阻、二極管等元件。在25℃～50℃這一溫度區(qū)間內(nèi)，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(chǎn)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(shù)變化。

4 總 結(jié)

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