使用光學(xué)傳感器檢測粒子

光學(xué)傳感技術(shù)是許多精密儀器和監(jiān)視器的基礎(chǔ)，因為它們是非破壞性和非侵入性的。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器捕獲。發(fā)射光和接收光之間的差異提供了關(guān)于檢測區(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)則依賴于反射或反向散射的光（圖 1）。在實際應(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，但一小部分會向各個方向散射，盡管各個方向的強(qiáng)度不同。無論發(fā)射器和傳感器配置如何，在這種類型的光學(xué)傳感中使用的原理都依賴于這種散射效應(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)于檢測區(qū)域中分析物的數(shù)據(jù)。

說當(dāng)光在其路徑中“反彈”粒子時發(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）。

在討論光束與沿其路徑的粒子相互作用時的影響時，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。

為了簡化討論，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 λ 的函數(shù)。設(shè)計者可能傾向于得出結(jié)論，可以通過用兩種不同波長的光詢問相同的粒子并捕獲反向散射光強(qiáng)度來求解r的值。

雖然說明這個概念很有用，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， m o是周圍介質(zhì)的折射率，通常是空氣。

紅外 LED 光的常見波長約為 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 顯著依賴于以下復(fù)數(shù)：

散射的相對幅度取決于折射率，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，我們可以確認(rèn)，當(dāng)粒子尺寸小于光的波長時，散射幅度較小，而當(dāng)粒子尺寸大于波長時，散射幅度較大。

任何現(xiàn)實世界場景的復(fù)雜性使得建模結(jié)果先驗不切實際。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)驗解決了一些粒子傳感問題。通過用不同波長的光詢問相同的粒子懸浮液，可以通過研究每個波長的散射光大小的差異來獲取有關(guān)粒子的信息，同時保持其他一切不變。Mie 建議工程師必須仔細(xì)選擇詢問波長，因為折射率的差異會混淆差分散射幅度。成功實施的唯一方法是獲取大量經(jīng)驗數(shù)據(jù)，并確保它們涵蓋反映真實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