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28.3LPM高灵敏度尘埃粒子计数器传感器的研制

作 者: 刘尧
导 师: 卞保民; 王春勇
学 校: 南京理工大学
专 业: 光学工程
关键词: 尘埃粒子计数器 传感器 探测灵敏度 雪崩二极管
分类号: TP212
类 型: 硕士论文
年 份: 2014年
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内容摘要


尘埃粒子计数器是专门用来测量洁净环境中悬浮颗粒大小和数量的仪器,在洁净室技术中有着非常重要的地位。目前市场上的国产商用尘埃粒子计数器的灵敏度最高为0.3微米。研制国产的更高灵敏度的粒子计数器,关键在于粒子计数器传感器的设计。本文着眼于大流量高灵敏粒子计数器传感器的研制,从亚微米粒子的散射光特点出发,从光路、气路、电路等方面分析了影响粒子计数器传感器灵敏度和分辨率的因素。通过理论计算和实验对比,提出了一种大流量高灵敏度传感器的设计方案。照明光源采用大功率单片式激光二极管,使用非球面镜对光束进行汇聚,极大地提高了光敏区的光功率密度;通过组合光阑和大体积光陷阱有效降低了光噪声;采用大数值孔径的直角散射光收集形式,以高速雪崩光电二极管作为光电探测器,配合改进的三级前置放大电路,进一步提高了传感器的信噪比和灵敏度。传感器采用了全半导体元件,体积较小,结构简单。根据检定规程对传感器进行了实验测量,给出了标定曲线,最终测定粒子计数器传感器在采样流量为28LPM时,灵敏度可达到0.15微米,各粒径档的分辨率达到80%以上,符合国标要求。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-7
1 绪论  7-14
  1.1 洁净室技术的概念  7
  1.2 洁净室标准和级别  7-8
  1.3 光散射式尘埃粒子计数器的应用及发展  8-11
    1.3.1 光散射式尘埃粒子计数器的应用  8-9
    1.3.2 粒子计数器国外发展情况  9-10
    1.3.3 国内发展情况  10-11
  1.4 研制大流量高灵敏度粒子计数器传感器的意义  11-13
  1.5 本文的主要工作  13-14
2 尘埃粒子计数器传感器的设计原理  14-26
  2.1 尘埃粒子计数器的工作原理和结构  14
  2.2 悬浮粒子的光散射理论  14-19
    2.2.1 瑞利散射  15-16
    2.2.2 MIE散谢  16-19
  2.3 不同散射光收集系统散射光通量的分析  19-22
    2.3.1 近向前散射光收集系统光通量计算  20-21
    2.3.2 侧向光收集系统散射光通量分析  21-22
    2.3.3 两种散射光收集方式的比较  22
  2.4 单粒子的光散射信号的基本特征  22-23
  2.5 尘埃粒子计数器的主要性能参数  23-25
  2.6 本章小结  25-26
3 高灵敏度尘埃粒子计数器传感器的设计  26-47
  3.1 尘埃粒子计数器传感器设计中的主要问题  26
  3.2 散射光收集系统的设计  26-29
    3.2.1 粒子散射光强分布的模拟与分析  26-27
    3.2.2 近前向与直角散射光收集系统收集光通量的分析与比较  27-28
    3.2.3 聚光腔与透镜的选择  28-29
  3.3 照明系统的设计  29-36
    3.3.1 照明光源的选择  30-31
    3.3.2 照明光束的整形  31-35
    3.3.3 光路的调节方法  35-36
  3.4 光电探测器件的选择  36-39
    3.4.1 光电倍增管  37
    3.4.2 PIN光电二极管  37
    3.4.3 雪崩光电二极管  37-39
  3.5 粒子计数器传感器信噪比的提高  39-42
    3.5.1 粒子计数器传感器光噪声的来源  39
    3.5.2 光阑和光陷阱的设计  39-41
    3.5.3 粒子计数器传感器电噪声的分析和前置放大电路的的改进  41-42
  3.6 气路系统的设计  42-46
  3.7 本章小结  46-47
4 传感器性能的实验检测  47-54
  4.1 实验系统  47
  4.2 实验结果及分析  47-52
    4.2.1 传感器探测下限的确定及信号的分析  47-48
    4.2.2 标定曲线的计算  48-50
    4.2.3 粒径档的划分以及各通道的粒径分布误差  50-52
  4.3 实验结果的误差分析  52-53
    4.3.1 照明光束的不均匀性引起的误差  52
    4.3.2 重叠误差  52-53
    4.3.3 其他类型误差  53
  4.4 本章小结  53-54
5 总结与展望  54-56
  5.1 总结  54
  5.2 展望  54-56
致谢  56-57
参考文献  57-59

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器(变换器)、传感器
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