激光尘埃粒子计数器的稳定性分析

2018-01-24李凌霄李晗光

通信电源技术 2018年9期

李响，李凌霄，李晗光

（空军工程大学信息与导航学院，陕西西安710000）

0 引言

随着工业化生产环境对洁净度的要求不断提高，激光尘埃粒子计数器技术得到了快速蓬勃的发展。从军工领域迈进民用，从高端技术渗透进社会各个层面，以激光尘埃粒子计数器为代表的洁净技术正在逐步提高人类社会的生产能力、改善人类的居住环境。在半导体制造业中，社会对电子元件尺寸要求愈加苛刻，生产加工环境的洁净度将直接影响产品的合格率，据统计约超过80%因为电学特性失效的电子芯片是由于生产环境中尘埃粒子的污染造成［1］。以半导体材料硅片为例，空气的尘埃粒子能引起芯片电路元件开路或者短路。而在医疗卫生领域，药品生产过程需要尽可能避免尘埃粒子、微生物等颗粒的污染［2，3］。

1 激光尘埃粒子计数器的工作原理

激光尘埃粒子计数器是应用Mie氏散射原理测量流体中单分散尘埃粒子的散射光强度以判断粒子粒径的精密计数仪器。以规定的流量从待测样品中进行采样，采样气流的粒子在通过激光均匀照明的光敏感区域时，尘埃粒子产生散射光，散射光收集系统把一定范围内的散射光光通量收集起来并由光电传感器转换为脉冲电压信号。

脉冲信号的幅度和粒子粒径的大小成正比，可采用电压幅度甄别器来甄别脉冲信号电压的幅值，再送出数据进行处理［4］。由于微米量级的粒子散射光强度很弱，需将信号前置放大为幅值足够的电脉冲信号，再进行信号非线性放大处理。然后根据电脉冲幅值的大小甄别以送入不同粒径档通道计数，最后在显示器显示一个计数周期内各个计数档的粒子数目。

2 激光尘埃粒子计数器的应用现状

当前的光散射式激光尘埃粒子计数器的研究方向是朝着大流量、小粒径和微型化的方向发展，国内外的激光尘埃粒子计数器生产商正在以日新月异的速度对激光尘埃粒子计数器更新换代。随着工业民生行业对激光尘埃粒子计数器需求量的上升，小流量、中小粒径的计数器已经远远不满足当前社会的要求。研制出大采样流量、探测粒径更小、硬件结构简单轻巧的激光尘埃粒子计数器成了迫切需要解决的工程技术问题。

改进其性能的研究方向主要是从以下这几个方面入手［5］：当前激光光源主要采用半导体激光光源（LD），因为粒子的散射光强度非常微弱，因此需要亮度高、稳定性高的激光光源；硬件参数设计的不合理会导致在测量腔内形成湍流、回流，使得腔内速度场分布不均，部分粒子可能被腔壁吸收而偏离光敏区或者多次经过光敏区；散射光收集系统的收集能力，粒子散射光经旋转球面反射镜反射后进入光敏区被光电转换器接受并转化为脉冲电压信号，因而改进电路设

计就可以获得更为理想的光电转换效果。

3 激光尘埃粒子计数器的不稳定性来源

在实际工程应用中，由于有厂家反映激光尘埃粒子计数器的实际工作性能比仪器标定的参数值偏低，本课题的研究就是探索实际值偏离标定值的原因，因为激光尘埃粒子计数器的工作较为稳定，工作环境变化比较大的参数就是温度，所以在下文的分析中主要从温度变量入手（在实验室中的工作环境中，由于要保证超洁净环境，需要气泵持续抽取实验环境空气，空气的流动有效地提高了传感器的散热效果。而在工业用途中这一点是不可能实现的，传感器需要和其它电子器件组装配合使用，在机箱中就不能充分保证有良好的散热效果，所以在实际应用中的激光尘埃粒子计数器往往环境温度在40℃左右）。

一般来讲，对光电传感器的稳定性研究主要从光学、机械、电学三个角度入手：

（1）光学角度一个方面是系统光学结构，通过改善透镜组的结构参数以获得性能优化。另一个方面是光源的性能，在本课题中激光尘埃粒子计数器中由于采用LD光源，其稳定性、强度都较为理想，主要考察激光光源受到温度变化的影响；

（2）机械角度即是系统受外界条件改变而产生的形变，由于激光尘埃粒子计数器的工作环境温度区间仅在常温的25℃左右到箱体内的40℃左右，这一温度区间远不足以计数器的刚体元件产生明显的形变，所以机械原因对计数器参数变化的影响可忽略不计；

（3）电学角度即是传感器硬件电路的性能，电路完成对信号的放大、甄别、计数，主要采用电容、电阻、二极管等元件。在25℃～50℃这一温度区间内，电阻和电容的电学特性变化微乎其微，但其中的非线性放大元件二极管所产生的温漂影响就较为显著，所以重点考察二极管受温度变化影响时的参数变化。