光學粒子計數器

光學粒子計數器是利用丁達爾現象（Tyndall Effect）來檢測粒子。丁達爾效應是用John Tyndall的名字命名的，通常是膠體中的粒子對光線的散射作用引起的。一束明亮的光照在空氣或霧中的灰塵上，所產生的散射就是丁達爾現象。

當折射率變化時，光線就會發生散射。這就意味著在液體中，汽泡對光線的散射作用和固體粒子是一樣的。米氏理論（MieTheory）描述了粒子對光的散射作用。

Lorenz-Mie-Debye理論最早由Gustav Mie提出，它描述了光是如何朝各個不同方向散射的。具體的散射情況決定于介質的折射率、粒子對光的散射作用、粒子的尺寸和光的波長。具體介紹米氏理論的細節超出了本文的范圍;但是，有很多公共領域的應用都可以用來驗證光是如何散射的。

光的散射情況會隨著粒子尺寸的變化而變化。在粒子計數器中，米氏理論最重要的結果以及它對光散射的預測都與之相關。當粒子尺寸比光的波長要小得多的時候，光散射主要是朝著正前方。而當粒子尺寸比光波長要大得多的時候，光散射則主要朝直角和后方方向散射。

光可以看做是沿著傳播方向進行垂直振蕩的波。這一振蕩方向就是所謂的偏振。入射光的偏振非常重要。在以前的例子里，光的散射是在入射光的偏振平面內進行測量的。

粒子尺寸在5μm時的散射情況類似;而具有偏振現象，粒子尺寸在0.3μm時的散射情況有很大不同。由于用對數表示，變化不到十倍的，都看不到散射光的強度隨著頻率的改變而變化：較短的波長意味較強的散射。在其他條件都相同的情況下，藍光的散射強度大約是紅光的10倍。大部分粒子計數器采用的都是近紅外或紅色激光;直到最近，這還都是最符合經濟效益的選擇。藍色氣體和半導體激光器價格都很貴;而且半導體激光器的使用壽命也很短。

空氣粒子計數器

在傳感器的出口處有一個真空裝置，把空氣經過傳感器抽走。而空氣中的粒子則將激光散射。散射光又會被后面的聚光鏡聚焦到光學探測器上，隨后把光轉換成電壓信號，并且進行放大和濾波。此后，這個信號從模擬的轉換成數字信號，并且由微處理器對它進行分類。微處理器會通過接口將計數器連接到控制數據收集系統上。

激光粒子計數器

氣體激光器發明于1960年，而半導體激光器發明于1962年。開始時這些激光器很貴，但是隨著它們變成具有經濟效益時，在粒子計數器中，就用氣體激光取代了白光。而到了20世紀80年代末，在絕大多數場合下，更便宜的半導體激光器又取代了氣體激光器。

用于粒子計數的激光器有兩種：一種是氣體激光器，如氦氖（HeNe）激光器和氬離子（arg-ion）激光器;另外就是半導體激光器。氣體激光器能夠生產強烈的單色光，有時甚至是偏振光。氣體激光器產生準直高斯光束，而半導體激光器則產生出一個小的發散點光源，通常發散光有兩個不同的軸，并且總是出現多種模式。由于發散光具有多軸性，半導體激光器通常都有一個橢圓形的輸出，這帶來了一定的挑戰，也帶來了一定的優勢。不同軸的散射光意味著要么勉強接受這一橢圓形的輸出，要么設計一套復雜而昂貴的光學鏡來做補償。另一方面，橢圓光束很適合用于某些應用，利用長軸，可以得到更好的覆蓋范圍。

總之，氦氖激光器的輸出“直接可用，無需增加任何光學元件。要想產生類似于氦氖激光器的光束，從半導體激光器出來的光必須經過透鏡聚焦，這會導致光能的損耗。但是，半導體激光器的成本低、體積小、工作電壓低、功耗小，成為粒子計數器的最佳選擇。

在要求高靈敏度的應用中，氦氖激光器可以用于開式腔模式，產生很大的功率。因為樣本要通過光學空腔諧振器，當粒子濃度較高時，激光會中斷（無法維持“Q因子），所以此時這種類型的激光不適用。

粒子計數器的入口噴嘴類型

進入粒子計數器的入口樣本對計數器的分辨率起著至關重要的作用。入口有兩種類形：一種是扁平的（寬10mm，高0.1mm），另一種是內徑為2-3mm的圓形。

入口噴嘴為扁平的時，通常激光束是一條與噴嘴同軸的窄線。扁平噴嘴出來的氣流速度相當均勻，它通過激光束中最強而且最均勻的部分，因此精度最高。但是，扁平噴嘴的橫截面小，意味著要求真空度高于圓形噴嘴，這樣會增加能耗（這點非常重要，特別是在采用電池供電時）。扁平噴嘴的制造比較復雜，價格也較高，而且它和激光之間的配合也是一個問題。

入口噴嘴為圓形時，激光束則通常與入射口的軸線大致成直角。粒子會通過一個非常狹窄，強度很高的激光面。圓形噴嘴比較簡單，因為它的橫截面較大，對于速度相同的氣流，對真空度的要求也較低，所以當空氣吸入時，能耗也較小。相對于扁平噴嘴，氣流速度較低意味著每個粒子散射的光也更多。形噴嘴的缺點在于它會降低氣流的均勻性，而且激光束的功率不是均勻的;光束會變粗，因而精度較低。

粒子計數器發展歷程

空氣粒子計數器是測試空氣塵埃粒子顆粒的粒徑及其分布的專用儀器，由顯微鏡發展而來，經歷了顯微鏡、沉降管、沉降儀、離心沉降儀、顆粒計數器、激光空氣粒子計數器、PCS納米激光空氣粒子計數器的過程，其中因激光空氣粒子計數器測試速度快、動態分布寬、不受人為影響等各方面的優勢，而成為近年來很多行業的主流產品。

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