使用光学传感器检测颗粒

光学传感技术是许多精密仪器和监视器的基础，因为它们是非破坏性和非侵入性的。随着用于光电容积描记图（PPG）的集成光学传感器和模拟前端设备的普及，这些光学传感器也可以变得更加紧凑，组件更少，功耗更低。

光学传感非常通用。光从光发射器穿过感兴趣的区域。光沿其光路与目标分析物相互作用，产生的辐射被光电探测器捕获。发射光和接收到的光之间的差异提供了有关检测区域中分析物的信息。

透射系统将接收器直接放置在发射光的路径中，而反射系统则依赖于反射光或反向散射光（图 1）。在实际实现中，容纳光发射器和光电传感器的外壳材料也可以反射光，因此通常将光电探测器放置在与发射光成一定角度的位置，以减轻直接反射的干扰。大多数光在发射后沿着其路径传播，似乎不受影响，但一小部分光被散射到各个方向，尽管在每个方向上的强度不同。无论发射器和传感器配置如何，这种类型的光学传感中使用的原理都依赖于这种散射效应。

图1.如图所示，在光学传感中，发射光和接收到的光之间的差异提供了有关检测区域中分析物的数据。

说散射发生在光“反弹”其路径中的粒子时是不准确的。光是一种电磁波，它与某些分子中天然存在的电荷不平衡相互作用。这些电荷被吸收入射的电磁辐射激发，然后重新发射。相互作用的结果取决于粒子的大小和光的颜色（波长）。

瑞利散射方程在讨论光束与沿其路径的粒子相互作用时的影响时经常被引用。瑞利方程如下：

 

其中
Isca是粒子在角度θ处的散射光强度，
Io是发射的光强度，
r是散射粒子主直径的一半，
n是光的折射（真空中的光速除以材料中的光速之比），
R是粒子与光发射器之间的距离，并且
λ是发射光的波长。

为了简化讨论，我们可以只关注反向散射配置。在这种情况下，cos2θ = 1，背向散射光强度是粒径r和光波长λ的函数。设计人员可能会得出这样的结论：可以通过用两种不同波长的光询问相同的粒子并捕获背散射光强度来求解r的值。

虽然说明这个概念很有用，但情况要复杂得多。最重要的是，瑞利方程只有在以下情况下才是一个很好的估计

 

λ是发射光的波长，并且m或是周围介质的折射率，通常是空气。

红外LED光的常见波长约为880 nm，而许多灰尘或烟雾颗粒的尺寸为几微米。Mie散射提出了一个更完整的模型，它适用于球形粒子的光吸收或散射，适用于不同的粒径。不幸的是，Mie散射的数学方程要复杂得多。

考虑固定角度的差异散射光强度。对散射材料的折射率m有显着的依赖性，它以以下复数给出：

 

散射的相对大小取决于折射率，而折射率又取决于构成散射粒子的材料。然而，一般来说，我们可以确认，当粒子尺寸小于光的波长时，散射幅度很低，而当它们大于波长时，当我们保持所有其他因素不变时，散射幅度很大。

任何真实场景的复杂性使得对结果进行建模是不切实际的。例如

Mie理论仅限于球形粒子，而真实粒子形状不规则

颗粒不会由均匀的材料或均匀的尺寸组成

为了克服这些复杂性，工程师们凭经验解决了一些粒子传感问题。通过用不同波长的光询问相同的粒子悬浮液，可以通过研究每个波长的散射光大小的差异来获得有关粒子的信息，同时保持其他一切不变。Mie建议工程师必须仔细选择询问波长，因为折射率的差异会混淆差分散射幅度。成功实施的唯一方法是获取大量经验数据，并确保它们涵盖反映真实世界用例的反射粒子的所有合理一致性和构成。

审核编辑：郭婷