标准粒子散射光信号宽度的统计分析(2)
1.2 尘埃粒子计数器
尘埃粒子计数器是应用Mie散射原理测量单分散尘埃粒子在光束中的散射光强来判断尘埃粒子粒径的计数仪器。Mie散射理论适用于一切均质球形颗粒，均质球形颗粒的散射是散射规律的普遍情况[2]。
光散射和颗粒大小、光波长、颗粒折射率及颗粒对光的吸收特性等因素有关。但是就散射光强度和颗粒大小而言，有一个基本规律，就是颗粒散射光的强度随颗粒的表面积增加而增大。这样只要测定散射光的强度就可推知颗粒的大小，这就是光散射式粒子计数器的基本原理。
图1为粒子计数器测量系统的示意图，主要由光学传感器和信号采集系统两部分组成，左边部分为光学传感器，右边部分为信号采集处理系统。计数器首先以规定的流量从待测样气中采样，然后对采样气流中的单分散尘埃粒子的散射光强进行测量、分析，最后由数据采集系统给出一个测量周期内样气中颗粒物的电压脉冲信号幅度分布。
图1 粒子计数器测量系统示意图
其中光学传感器是粒子计数器的核心部件，由下几部分组成：光源、采样气流系统、散射光收集系统、光电转换器件等等。我们把计数器聚光腔内采样气流与照明光束垂直相交的区域成为光敏区。光束宽度必须大于样气气流束宽度，且光敏区的容积应该足够小，保证一次只有一个颗粒流过光敏区，否则，仪器就很有可能把同时流过光敏区的多个颗粒当成一个大颗粒，在实际测量时，不可能存在理想的光敏区，同一颗粒在过光敏区的不同位置时，会产生不同的散射光强度；同一颗粒多次经过光敏区同一位置时，由于空间方位的不同导致有效散射截面的不同，使最后得到的电压信号幅度不同。因此，粒子计数器对同一颗粒的测量，并不是每次都能得到一样的电压脉冲信号，而是概率不同的各个电压脉冲信号。
光学传感器的结构如下图所示，当单颗粒垂直于纸面通过光学传感器的光敏区时，激光会被颗粒散射并且被放在90°采光方向的一块球面反射镜反射，再利用光电探测器将散射光信号转换成电信号，然后经前置放大、多通道计数，最终得到此颗粒的电压脉冲信号，脉冲信号的幅度与颗粒粒径有关，当下一个颗粒流经光敏区时，又会得到一个与其粒径相应的电信号，所以脉冲信号的个数就是颗粒数。
图2 光学传感器的结构示意图
1.3 本文的主要内容
本文在实验的基础上，研究了基于宽度分布的多通道粒子计数器的原理，对宽度与幅度的转换电路进行了标定，并在实验的基础上研究了四种不同粒径粒子的光脉冲信号宽度的分布规律，分别给出了不同粒径宽度分布的具体的函数关系式。
2. 基于宽度分布的尘埃粒子计数器测量的原理
目前国内生产的大部分尘埃粒子计数器是基于幅度分布设计的[7]，它的基本原理是将粒子通过光敏区后产生的散射光经过光电转换器转换为相应幅值的电压信号，通过电路系统的滤波、放大之后，再送入计算机中的多通道脉冲信号分析系统，把电压信号的幅度峰值保存下来并将其进行A/D转换，与各个粒径档进行比较，通过比较的结果对相应的通道计数。故此种粒子计数的方法是基于“幅度分布”的。
虽然基于幅度分布的粒子计数设计的尘埃粒子计数器结构简单，应用广泛，但它的测量范围受到了限制，根据前文讲述的粒子计数器结构和工作原理，我们知道，记录的电压值和粒子的尺寸有关，当粒径增大时电压值会成倍增大，这样大的信号很可能会使电路饱和，就不能得出准确的结果，使粒子计数器的测量范围受到了限制。