牙刷+醋+替代电池修好Y09-301型激光尘埃粒子计数器

sc360xp

2012/12/27
实验室建设

私聊

气体检测

一台洁净区用的激光尘埃粒子计数器出现故障，拆机进行检修，并对原理结构、电子元件进行分析，供感兴趣的朋友参考。

仪器基本情况：

Y09-301型激光尘埃粒子计数器用于测量洁净环境中单位体积空气内的尘埃粒子大小及数目，可直接检测洁净度等级为三十万级至十级的洁净环境。

该仪器采用半导体激光光源，液晶屏显示，体积小、重量轻、检测精度高、功能操作简单明了，电脑控制，可存储、打印采样结果，测试洁净环境十分便利。广泛用于电子、光学、化学、食品、化妆品、医用卫生、生物制品、航空航天等部门。

故障现象：液晶显示屏蓝屏，字符无规律乱码。

一、基础知识（专家飘过）
由于是专用仪器，使用面比较窄，先科普一些知识：
空气尘埃粒子计数器是用来测量空气中微粒的数量及大小及多少的仪器，为空气洁净度的评定提供依据。常见的尘埃粒子计数器是光散射式（DAPC）的，测量粒径范围0.1-10μm（即PM0.1- PM10），此外还有凝聚核式的尘埃粒子计数器（CNC），可测量尺寸更小的尘埃粒子。
以自动监测PM2.5为例，有三种国际认可的方法：振荡天平法，β射线法，光谱法（光散射法）。
光散射式尘埃粒子计数器仪器工作原理（见下图）：
空气中的微粒在光的照射下会发生散射，这种现象叫丁达尔现象（Tyndall Effect）。光散射和微粒大小、光波波长、微粒折射率及微粒对光的吸收特性等因素有关。但是就散射光强度和微粒大小而言，有一个基本规律，就是微粒散射光的强度随微粒的表面积增加而增大。这样只要测定散射光的强度就可推知微粒的大小。
来自光源的光线被透镜组1聚焦于测量腔内，当空气中的每一个粒子快速地通过测量腔时，便把入射光散射一次，形成一个光脉冲信号。这一光信号经过透镜组2被送到光检测器，正比地转换成电脉冲信号，再经过电子线路的放大、甄别，拣出需要的信号，通过计数系统显示出来。
光散射式尘埃粒子计数器结构示意图：

二、仪器外貌

本次拆机维修的型号是Y09-301，属于激光光散射式，能同时测六个粒径通道的尘埃粒子数（PM0.3--PM10)。由于激光的单色性好，光能量集中稳定，采用激光光源的尘埃粒子计数器其传感器有较高的信噪比，广泛适用于各行业的精加工、精密试验所需的洁净室（区）的检测需要（注：环保部门的PM2.5尘埃粒子监测器往往采用专用型）。

仪器装在铝合金手提箱中：

随机附件有三脚架、16V直流电源适配器、通讯线、取样管、空气导管：

仪器前面：

仪器后部，2007年10月出厂，苏净公司生产；外接16V直流电源，功耗10W；有RS232接口，可接计算机或控制用：

仪器上贴有年检签，为了保证准确性，每年要到有资质的机构校核：

二、拆机过程及电子元件功能解析
卸下仪器上面四颗螺丝，打开机器：

首先将锂电池组附近的电源插接头断开（即对主板断电！）：

主机结构为：电源板、锂电池组、主电路板、液晶显示板、自净过滤器、空气泵、测量腔组件、空气自净过滤器。

下面是电源板；锂电池组18650（2600mAH）×8只，充满电后，可工作8小时：

由于仪器采用外接16V直流输入，电源板电路相对简单。用了两只LM317T构成双稳压电源，W2、W3微调电位器分别用于空气泵流量、激光管功率调整；测量腔组件所需的光电倍增管阳极负高压电路在PCB背面：

主电路板
微处理器（MCU）采用了飞利浦的P89V51RD2FA，带64KB程序Flash和1024B数据RAM的80C51单片机；6个尘埃粒径通道有6只精密微调电位器(天蓝色)供调整参数：

MAXIM（美国美信）公司IC:MAX232CPE 5V供电多通道RS232驱动器/接收器；
HD74LS00P四2输入与非门；
TI（美国德州仪器）公司IC ：SN74HC377N八边沿D型触发器；
主电路板所有的电阻均采用5环电阻，保证有足够的精度：

TI公司的IC：TLC838CN 5V供电 8输入通道，串行I/O接口8位A/D转换器；
TL431 是有良好热稳定性能的三端可调节精密并联稳压器，为TLC838CN提供高精度稳压电源：

飞利浦公司IC：PCF8563P，是一款工业级内含i2c 总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片；
两只FM24C256-G：256K FRAM是铁电存储器，属于NVRAM，掉电仍保存信息，可靠，速度快。

ST(意法半导体)公司的IC：LM339N低功率四电压比较器；
TI公司的两只LM311p过零电压比较器：

浅绿色包裹的是主板电池，有情况！包皮被涨开，电池附近的IC脚上有铜绿！(稍后将详细检查)：

空气泵采用英国泵业巨头 CHARLES AUSTEN(查尔斯·奥斯汀)公司产品：D5SE型隔膜泵，具有噪音低，震动小，可靠性高，寿命长等特点。

下面是测量腔组件：激光器、透镜、光电倍增管都在一起。
测量腔组件上的标签显示：光电倍增管的工作电压为-596.1V，在对仪器进行调试或校准时应注意安全；采样流量为0.3μm 1.01L/min或0.5μm 2.82L/min。

取下测量腔组件：

旋开顶盖，内部是光电倍增管的前级电路：

由于仪器是间歇使用，不需频繁更换光电倍增管，其管脚是直接焊在PCB上的：

该仪器采用的是端窗式光电倍增管（网图）：

0P07CP是TI公司的低功耗精密运放，作光电倍增管输出信号的前级放大：

拆下激光器，调节螺丝已被热融胶封住，不要动它，以免影响精度、灵敏度：

隐约可见激光器内的激光二极管透镜：

测量腔主体上的激光通道、密封胶圈:

为帮助理解测量腔内传感器工作原理，描绘传感器结构如下图所示：

传感器工作原理：激光二极管发出的激光束经透镜会聚后，形成宽度约3mm的带状激光束，该激光束从空气出口前通过，进入吸光器被吸收。空气出口和光电倍增管窗口分别位于椭圆反射镜的两个焦点上。当空气中没有尘埃时，激光束被吸光器完全吸收，光电倍增管没有光线射入、无输出；当空气中有尘埃时，激光束将在空气出口处照射到尘埃，经尘埃漫反射向四周，经椭圆反射镜聚焦到处于焦点位置的光电倍增管，光电倍增管有信号输出；每一个尘埃通过时，都会产生一个脉冲信号，尘埃越大信号越强，再送入后级电路处理分析、计算出尘埃粒子的大小和数量。

三、故障原因诊断

前面已发现主板电池漏液，要排除故障，必须要将主板卸下。

卸下面板四颗螺丝，拆下主板与显示板：

将主板与显示板分开：

主板上，绿皮包裹的主板电池（三只1.2V镍氢电池串联）裂开、跑碱，污染了附近电路板；电池附近的集成电路SN74HC377N的几只脚被碱液腐蚀起铜绿了：

主板与液晶显示板连接排有几只线柱焊头也被碱液污染了：

四、维修过程及要领
1、准备食醋一小碟，旧牙刷一把：

2、将面盆水龙头开细水流，先小心用牙刷沾水，清洗主板电池跑碱腐蚀部位，再用牙刷沾食醋浸润跑碱腐蚀部位一段时间（目的是用弱酸中和缝隙中的残碱，使清洁彻底干净,这是本人维修实践中的可靠经验），检查没有铜绿后，再用清水刷洗。注意不要使主板其它部位过水。低温烘干主板(或用电吹风低温风吹干)。

3、焊下主板坏电池，换上计算机主板电池座：

主板PCB是双面的，用低倍显微镜观察，电池负极引线的孔内铜箔被腐蚀了，焊接时要注意两面都要贯穿焊到位：

由于主板电池位置狭窄，只好将计算机主板电池座外接，用小塑料袋封好：

这是清理主板前后的对比图片：

4、将仪器装还原，开机自检过了OK！屏显数据是以前的。正式用前还应校验。

维修后记：许多仪器的主板电池是将几个电池用高频点焊组合为一个，特别是早期使用镍镉、镍氢纽扣电池，质量不好，使用几年后，出现问题较多。维护仪器时，注意观察，发现问题及时处理，避免电池“跑碱”造成大故障。可使用旧计算机主板的电池座、锂电池进行更换，会更加可靠稳定。更换时，注意电压匹配，若稍高一些，不会出现问题。

传完了，谢谢观看！