李 響，李晗光，李凌霄

（空軍工程大學(xué) 信息與導(dǎo)航學(xué)院，陜西 西安710000）

0 引 言

本課題輸入的標(biāo)準(zhǔn)粒子為單分散聚苯乙烯塑料小球（PSL），通常標(biāo)準(zhǔn)粒子粒徑范圍為0.08μm～2.0μm，在本實(shí)驗(yàn)中僅采用0.5μm、0.6μm兩種粒徑的標(biāo)準(zhǔn)粒子。PSL小球的相對(duì)偏差僅有百分之幾，幾何特征逼近絕對(duì)球體且具有各向同性［1］。

1 粒子濃度示值誤差的穩(wěn)定性測(cè)試

實(shí)驗(yàn)開始前完成裝置清零、流速調(diào)節(jié)（28.3 L／min）、電位器調(diào)節(jié)等工作，測(cè)量計(jì)數(shù)器的粒子濃度示值誤差使用粒徑為0.5μm的標(biāo)準(zhǔn)粒子，在實(shí)驗(yàn)過程中，每測(cè)量完一組都需要重新?lián)Q水并再次校準(zhǔn)流量計(jì)。

1.1 對(duì)激光光源模擬工作環(huán)境溫度

激光塵埃粒子計(jì)數(shù)器的光源采用半導(dǎo)體激光光源，能量集中密度高。半導(dǎo)體激光光源對(duì)溫度的穩(wěn)定性較好［2］，在激光塵埃粒子計(jì)數(shù)器的工作環(huán)境（25℃～50℃）中性能比較穩(wěn)定，但溫度的上升對(duì)其相關(guān)參數(shù)值也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。隨著溫度的升高，激光器的損耗系數(shù)增加，漏電流增加，內(nèi)量子效率降低，這些因素都會(huì)導(dǎo)致激光器的閾值電流密度增大；激光器的輸出波長(zhǎng)也會(huì)隨著溫度的升高產(chǎn)生紅移現(xiàn)象。

由激光塵埃粒子計(jì)數(shù)器的工作原理可知，判斷粒徑大小的是散射光強(qiáng)度這一特征量，強(qiáng)度和激光頻率無關(guān)。并且激光塵埃粒子計(jì)數(shù)器使用的半導(dǎo)體激光器為小功率激光器，對(duì)溫度的穩(wěn)定性更強(qiáng)。在本實(shí)驗(yàn)中，我們以常溫下激光塵埃粒子計(jì)數(shù)器的測(cè)量平均值作為參考的基準(zhǔn)值。圖1、圖2是激光光源溫度產(chǎn)生變化時(shí)計(jì)數(shù)器粒子濃度示值誤差的測(cè)量結(jié)果：

圖1 低濃度輸入時(shí)粒子濃度示值誤差

圖2 高濃度輸入時(shí)粒子濃度示值誤差

由圖可知，兩種情況的粒子濃度示值誤差同樣遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于30%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：即便是在低和高濃度氣溶膠條件下，激光光源的溫度變化對(duì)計(jì)數(shù)器的粒子濃度示值誤差值的影響仍舊很小。

1.2 對(duì)計(jì)數(shù)傳感器電路板模擬工作環(huán)境溫度

由于激光塵埃粒子計(jì)數(shù)器在實(shí)際使用中往往需要和顯示電路、數(shù)據(jù)處理電路等配套使用，因而計(jì)數(shù)傳感器的電路板處在一個(gè)相對(duì)密封的環(huán)境（散熱較差），提高計(jì)數(shù)傳感器電路的溫度穩(wěn)定性有非常重要的實(shí)際意義。圖3、圖4是改變電路板環(huán)境溫度時(shí)的粒子濃度示值誤差測(cè)量結(jié)果。

可以看出，隨著溫度的持續(xù)升高，計(jì)數(shù)器的粒子濃度示值誤差依舊低于30%。綜合上述兩組關(guān)于粒子濃度示值誤差測(cè)試的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：激光光源的溫度變化和計(jì)數(shù)傳感器器電路板的溫度變化，對(duì)激光塵埃粒子計(jì)數(shù)器的粒子濃度示值誤差的影響都很小。

圖3 改變環(huán)境溫度低濃度輸入時(shí)粒子濃度示值誤差

圖4 改變環(huán)境溫度高濃度輸入時(shí)粒子濃度示值誤差

2 計(jì)數(shù)傳感器分辨率的穩(wěn)定性測(cè)試

完成上述兩組實(shí)驗(yàn)后，需要更換標(biāo)準(zhǔn)粒子懸濁液，改為輸入粒徑為0.6μm的標(biāo)準(zhǔn)粒子。更換之前，需要對(duì)整套儀器泵入潔凈空氣以清除之前實(shí)驗(yàn)的0.5μm粒徑殘存粒子，時(shí)間持續(xù)15 min左右。在理想條件下，輸入0.6μm標(biāo)準(zhǔn)粒子的標(biāo)準(zhǔn)輸出波形應(yīng)為以0.6μm為中心值的正態(tài)分布曲線。在本實(shí)驗(yàn)中表征計(jì)數(shù)器分辨率的參量為計(jì)數(shù)器0.5μm粒徑檔數(shù)值與0.3μm粒徑檔數(shù)值的比值，其理論值為85%。

3 對(duì)激光光源模擬工作環(huán)境溫度

由上文可知，激光光源的溫度變化對(duì)計(jì)數(shù)器的粒子濃度示值誤差影響不大，接下來考察光源的溫度變化是否會(huì)對(duì)計(jì)數(shù)器的分辨率產(chǎn)生影響。圖5、圖6是激光光源溫度產(chǎn)生變化時(shí)計(jì)數(shù)傳感器分辨率的測(cè)量結(jié)果。

圖5 激光光源溫度變化時(shí)

圖6 計(jì)數(shù)傳感器電路板溫度變化時(shí)

此時(shí)可以看出分辨率不僅嚴(yán)格地隨著溫度的上升而遞減，在常溫下分辨率接近90%，當(dāng)環(huán)境溫度上升到37℃左右時(shí)下降到85%附近；當(dāng)溫度繼續(xù)上升到40℃左右時(shí)，分辨率已經(jīng)下降接近到80%。這表明，計(jì)數(shù)傳感器的電路部分對(duì)溫度比較敏感，電路板溫度升高會(huì)導(dǎo)致傳感器分辨率顯著下降，且電路板溫度越高，分辨率的下降趨勢(shì)越明顯，說明溫度的影響越大。

4 總 結(jié)

由于激光塵埃粒子計(jì)數(shù)器中的二極管所在電路為非線性放大指數(shù)運(yùn)算電路，大信號(hào)的放大倍數(shù)遠(yuǎn)低于小信號(hào)。而隨著溫度的升高，由于二極管的溫度特性，正向曲線會(huì)左移，導(dǎo)致大信號(hào)也獲得了較之前更大的放大倍數(shù)，故在輸出波形的右側(cè)（高電壓值）區(qū)域的波形得到了一定程度的展寬，從而導(dǎo)致計(jì)數(shù)器的分辨率下降。