使用光學(xué)傳感器檢測(cè)粒子

光學(xué)傳感技術(shù)是許多精密儀器和監(jiān)視器的基礎(chǔ)，因?yàn)樗鼈兪欠瞧茐男院头乔秩胄缘?。隨著集成光學(xué)傳感器和光電容積脈搏波 （PPG） 模擬前端設(shè)備的普及，這些光學(xué)傳感器也可以做得更緊湊，組件更少，功耗更低。

光學(xué)傳感非常通用。光從光電發(fā)射器穿過(guò)感興趣區(qū)域。光沿其光路與目標(biāo)分析物相互作用，產(chǎn)生的輻射被光電探測(cè)器捕獲。發(fā)射光和接收光之間的差異提供了關(guān)于檢測(cè)區(qū)域中分析物的信息。

透射系統(tǒng)將接收器直接放置在發(fā)射光的路徑中，而反射系統(tǒng)則依賴(lài)于反射或反向散射的光（圖 1）。在實(shí)際應(yīng)用中，容納光電發(fā)射器和光電傳感器的外殼材料也可以反射光，因此將光電檢測(cè)器放置在與發(fā)射光成一定角度以減輕直接反射的干擾也是很常見(jiàn)的。大多數(shù)光在發(fā)射后沿其路徑傳播，看似不受影響，但一小部分會(huì)向各個(gè)方向散射，盡管各個(gè)方向的強(qiáng)度不同。無(wú)論發(fā)射器和傳感器配置如何，在這種類(lèi)型的光學(xué)傳感中使用的原理都依賴(lài)于這種散射效應(yīng)。

圖 1. 如圖所示，在光學(xué)傳感中，發(fā)射光和接收光之間的差異提供了關(guān)于檢測(cè)區(qū)域中分析物的數(shù)據(jù)。

說(shuō)當(dāng)光在其路徑中“反彈”粒子時(shí)發(fā)生散射是不準(zhǔn)確的。光是一種電磁波，它與某些分子中天然存在的電荷不平衡相互作用。這些電荷通過(guò)吸收進(jìn)入的電磁輻射而被激發(fā)，然后重新發(fā)射。相互作用的結(jié)果取決于粒子的大小和光的顏色（波長(zhǎng)）。

在討論光束與沿其路徑的粒子相互作用時(shí)的影響時(shí)，經(jīng)常引用瑞利散射方程。瑞利方程如下：

其中

I sca是角度 θ 處粒子處的散射光強(qiáng)度，

I o是發(fā)射光強(qiáng)度，

r是散射粒子主直徑的一半，

n是光的折射（光速在真空除以材料中的光速），

R是粒子與光發(fā)射器之間的距離，

λ是發(fā)射光的波長(zhǎng)。

為了簡(jiǎn)化討論，我們可能只關(guān)注反向散射配置。在這種情況下，cos 2 θ = 1，反向散射光強(qiáng)度是粒徑r和光波長(zhǎng) λ 的函數(shù)。設(shè)計(jì)者可能傾向于得出結(jié)論，可以通過(guò)用兩種不同波長(zhǎng)的光詢(xún)問(wèn)相同的粒子并捕獲反向散射光強(qiáng)度來(lái)求解r的值。

雖然說(shuō)明這個(gè)概念很有用，但情況要復(fù)雜得多。最重要的是，瑞利方程只有在

λ是發(fā)射光的波長(zhǎng)， m o是周?chē)橘|(zhì)的折射率，通常是空氣。

紅外 LED 光的常見(jiàn)波長(zhǎng)約為 880 納米，而許多灰塵或煙霧顆粒只有幾微米。更完整的模型由 Mie 散射提出，適用于球形顆粒對(duì)光的吸收或散射，適用于不同粒徑。不幸的是，米氏散射的數(shù)學(xué)方程要復(fù)雜得多。

考慮固定角度的微分散射光強(qiáng)度。散射材料的折射率 m 顯著依賴(lài)于以下復(fù)數(shù)：

散射的相對(duì)幅度取決于折射率，而折射率又取決于構(gòu)成散射粒子的材料。然而，一般而言，當(dāng)我們保持所有其他因素不變時(shí)，我們可以確認(rèn)，當(dāng)粒子尺寸小于光的波長(zhǎng)時(shí)，散射幅度較小，而當(dāng)粒子尺寸大于波長(zhǎng)時(shí)，散射幅度較大。

任何現(xiàn)實(shí)世界場(chǎng)景的復(fù)雜性使得建模結(jié)果先驗(yàn)不切實(shí)際。例如，

米氏理論僅限于球形顆粒，而真正的顆粒是不規(guī)則形狀的

顆粒不會(huì)由均勻的材料或均勻的尺寸組成

為了克服這些復(fù)雜性，工程師們根據(jù)經(jīng)驗(yàn)解決了一些粒子傳感問(wèn)題。通過(guò)用不同波長(zhǎng)的光詢(xún)問(wèn)相同的粒子懸浮液，可以通過(guò)研究每個(gè)波長(zhǎng)的散射光大小的差異來(lái)獲取有關(guān)粒子的信息，同時(shí)保持其他一切不變。Mie 建議工程師必須仔細(xì)選擇詢(xún)問(wèn)波長(zhǎng)，因?yàn)檎凵渎实牟町悤?huì)混淆差分散射幅度。成功實(shí)施的唯一方法是獲取大量經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并確保它們涵蓋反映真實(shí)世界用例的反射粒子的所有合理一致性和構(gòu)成。

審核編輯：郭婷