摘要
光散射式尘埃粒子计数器可以实时、精准地检测空气中不同粒径尘埃粒子的浓度，是洁净室中检测尘埃颗粒必不可少的设备，在半导体、医疗制药以及食品制造等行业有着广泛的应用。在国内半导体行业快速发展的大环境下，国产粒子计数器已经不能满足需求，研制出更高灵敏度的粒子计数传感器已经迫在眉睫。 本文以研制高灵敏度的尘埃粒子计数传感器为目标，从球形粒子的Mie散射理论着手，分析了影响粒子计数传感器灵敏度的因素。从光敏区的性能指标出发，研究了使用非球面透镜系统将高斯光束模型转化为平顶光束模型的方法，计算出非球面透镜整形系统的面型表达式并对其进行数值拟合，使用ZEMAX对拟合后的透镜整形系统进行仿真和优化，设计出符合粒子计数器要求的照明光路。以标准球形粒子的散射光强空间分布为基础，建立了基于蒙特卡罗方法的散射模型，研究了光强均匀性对信号强度分布的影响，分析了偏振方向、光束聚焦位置对灵敏度的影响，指出最佳的偏振方向和光束聚焦位置，并使用对数正态分布的噪声与仿真信号进行随机叠加，研究了噪声信号对粒子计数器灵敏度的影响；对椭球形和球形散射光收集系统进行仿真和对比，验证了椭球形散射光收集系统的合理性。最终根据研究内容设计出一种高灵敏度的尘埃粒子计数器，使用标准粒子对设计出的粒子计数传感器的粒径-电压曲线进行实验标定，测定所设计传感器各粒径档的分布误差不超过15%，符合国内标准的要求，粒子计数器的灵敏度为0.2μm，达到了设计的目标，同时也证明了本文研究内容可以作为提升粒子计数传感器灵敏度的可靠依据。
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