国产光学粒子计数器的发展现状与展望

【摘要】光学粒子计数器是用于测量洁净环境空气中粒子数量及尺寸的仪器，具有价格低廉、快速可靠、高灵敏度的特点，在需要超净间的行业有着重要的应用。本文简述光学粒子计数器的主要原理及设计的注意要点，讨论其重要性能参数，通过与国际高端同类产品比较，分析国产粒子计数器的不足并对下一步发展提供指导。

【关键词】光学粒子计数器;Mie散射;信号处理

Abstract：Optical Particle Counters（OPCs）is a set of monitoring equipment used to measure the quantity and size of airborne particles in the clean room.With advantage of low coat，quick and high reliability as well as high sensitivity，the OPCs are widely applied in many fields that need ultra-clean space.This paper elucidates the key points of the main principle and design of the OPCs，discussing important performance parameters.By comparing the OPCs with international high-end like product，we analyze the shortfalls of domestic OPCs and provide guidance for next development.

Key word：Optical Particle Counter;Mie Scattering;Signal processing

随着现代加工工艺及材料科学的发展，以微电子、生物医学工程、航天技术等为代表的领域正逐步向小型化方向迈进，同时对相关操作、生产环境的空气洁净度提出了较高的要求。光学粒子计数器是测量洁净环境空气中尘埃粒子的数量及大小、评价空气洁净度的专业仪器，它具有检测灵敏度高、可靠性好、成本低廉等优势，是现代超净环境检测的必要检测仪器。国际上对光学粒子计数器的研究始于上世纪20年代，并于上世纪50年代开始有产品问世，目前已发展至技术成熟、产品多样化的阶段，其中较为著名厂家包括美国HACH公司、TSI公司、PMS公司、日本加野公司等。与之相比较，我国在二十世纪七十年代才开始这类仪器的研制与生产，尽管目前已有多个公司或研究机构已成功研制出相关产品，但它们与国外光学粒子计数器相比还存在一定的差距。本论文在详细讨论光学粒子计数器原理及主要性能影响因素的基础上，综述了国内该类仪器的发展现状，分析与国外同类仪器差距的主要原因及改进方案，为我国光学粒子计数器的下一步发展提供思路。

1.光学粒子计数器的原理与设计

光学粒子计数器是基于光的散射原理实现粒子的计数及尺寸判断：当空气中的粒子通过激光光路时将发生散射，对于粒子计数器一般测量的0.1至5微米间粒径的颗粒，属于Mie散射范围，探测到的散射光强满足关系：

（1）

其中r对应颗粒半径，是它的体积，为散射角，R为光敏区被测粒子至光电探测器的距离，为空气中介电常数，为真空中介电常数，I0为入射光强度，H为与系统有关的一个常数。

由（1）式可知，在其它条件均固定时，探测的散射光强与颗粒尺寸存在一一对应关系，可通过测量散射光强估计颗粒尺寸及数量。具体实现结构如图1所示：采用气泵将含有悬浮颗粒的空气从光学粒子计数器的采样口抽入，让气流通过光敏区，通过控制气泵的流量及气流截面，保证光敏区内粒子一个个依次通过，悬浮粒子受光照射会散射出与粒子大小相关的光脉冲信号，该信号被光电探测器接收并转换成相应的电脉冲信号再被放大，通过对一个检测周期的电脉冲计数，便可得知单位体积采样空气中粒子个数。

尽管实现原理简单，但由于单个颗粒的散射光较弱，且随着颗粒尺寸的减小迅速减小，为通过分析散射光信号的幅值大小高精度计算被测粒子等效光学粒径增加了不少难度。作为精密测量的工具，高性能光学粒子计数器必须保证每个组成系统均合理设计。下面简单介绍组成系统设计中的几个注意重点：

图1 光学粒子计数器结构图

1.1 光学系统设计

按照功能，光学系统可以分为光学照明系统以及散射光收集系统两部分。

光学照明系统用于保证光源以合适的形态通过光敏区域，通常由光源、会聚透镜组、光阑、光陷阱等组成。进行照明系统的设计首先要选择合适的光源，光学粒子计数器使用的光源主要包括白光、He-Ne激光以及半导体激光三种。白光粒子计数器光路系统的数值孔径大，限制了散射光收集系统的收集角度，且白光激光的光强提高较困难，使得整个系统噪声较大，仅在早期使用。而He-Ne激光器与半导体激光器各有各的优势：He-Ne激光器一般功率都比较低，但激光光束质量好，相干长度长，是个优质的光源。而半导体激光器功率可做的比较高，不过高功率的光束质量相对比较差，但半导体激光器具有体积小、功耗低、均匀性好的优点，利于仪器的小型化，特别适合构造手持式粒子计数器。由于半导体激光器采用的是全封闭封装结构，损坏时多表现为发光模式改变，此时粒子计数器仍在计数，但计数效率下降、性能变差，因此使用时应特别注意。除了选择合适的光源外，照明系统还需要加入透镜组对光束进行整形，保证系统杂散光小，光敏区域内光强高且空间分布均匀，以此增加信号功率减小噪声功率。这里的一般做法是使光束焦点接近光敏区，并压缩粒子运动方向的光束宽度，从而提高光敏区光照强度，但是这种方法受到仪器结构的限制，调节范围有限。