專利名稱：一種基于光散射的濕性顆粒形狀參數(shù)在線測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于光學(xué)測量領(lǐng)域，具體涉及一種濕性顆粒的形狀參數(shù)的在線測量裝置。
背景技術(shù)：
顆粒的形狀參數(shù)(包括粒徑)是顆粒幾何特性中最為重要的參數(shù)，在海洋微生物探測、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)藥、化工等眾多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的測量顆粒形狀參數(shù)的方法有直接觀察法、沉降法、篩分法等。隨著激光技術(shù)、光電探測技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于光散射原理的顆粒粒度測量方法得到了極大發(fā)展。用激光散射法測量顆粒粒度，具有可測粒徑范圍寬、操作方便、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢，已·被廣泛應(yīng)用于海洋微生物探測、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)藥、化工等眾多領(lǐng)域。目前介于微米和亞微米的光散射式粒度測量方法主要有動態(tài)光散射法和靜態(tài)光散射法。動態(tài)光散射法通過測量顆粒在某一角度下的散射光強(qiáng)度隨時(shí)間的變化，由面陣數(shù)字相機(jī)或攝像機(jī)連續(xù)記錄顆粒的動態(tài)光散射信號；或是控制相機(jī)的快門速度，拍攝顆粒布朗運(yùn)動造成的散射光點(diǎn)的運(yùn)動軌跡線，并送入計(jì)算機(jī)，根據(jù)顆粒的布朗運(yùn)動理論和Stocks-Einstein公式進(jìn)行處理,得到顆粒的粒度分布。該方法的測量下限可達(dá)納米級，上限3 5微米，測量范圍不夠?qū)?，僅能得到顆粒的流體力學(xué)半徑，不能得到顆粒形狀等參數(shù)。靜態(tài)光散射法通過測量顆粒的靜態(tài)散射光強(qiáng)分布，根據(jù)Mie理論進(jìn)行處理，得到顆粒的粒度分布，測量范圍在亞微米到數(shù)百微米。已有的大角度散射光強(qiáng)分布測量裝置有兩大類型一種是在不同方位放置多個(gè)光電接收器，探測各個(gè)角度的散射光強(qiáng)，缺點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用到多個(gè)光電接收器的一致性差，影響測量精度；另一種是利用一個(gè)或多個(gè)探測器，通過使接收系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)或沿導(dǎo)軌滑動等方法，逐點(diǎn)探測各個(gè)散射角上的光強(qiáng)，缺點(diǎn)是測量過程中有機(jī)械運(yùn)動，測量速度慢，不適于實(shí)時(shí)在線測量。另外，現(xiàn)有的靜態(tài)光散射反演算法是基于Mie散射理論，它是以經(jīng)典的波動光學(xué)理論為基礎(chǔ)，在適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件下，求解邁克斯韋方程組，得到均勻球形顆粒的散射場分布。然而在實(shí)際應(yīng)用中，很多被測顆粒為非球形。如果用球形顆粒模型近似，測量誤差較大。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種基于光散射的濕性顆粒形狀參數(shù)在線測量系統(tǒng)，可適用于非球形顆粒的測量，測量速度快，精度高。實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的所采用的具體技術(shù)方案如下。一種基于光散射的濕性顆粒形狀參數(shù)在線測量系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)測量位于測量管道流體中的濕性顆粒的形狀參數(shù)，其特征在于，該測量系統(tǒng)包括激光器，其產(chǎn)生用于對濕性顆粒進(jìn)行照射的連續(xù)激光；拋物面反射鏡，其具有呈拋物面的反射面，該反射面的焦點(diǎn)位于測量管道的中心軸線上，所述連續(xù)激光經(jīng)該反射面反射后匯聚于焦點(diǎn)處，位于該焦點(diǎn)處的濕性顆粒產(chǎn)生散射光；ICXD探測器，所述散射光經(jīng)所述拋物面反射鏡反射后平行入射到其上，該ICXD探測器獲取該濕性顆粒的散射圖案 ，經(jīng)處理得到該濕性顆粒的三維體散射函數(shù)，即可獲得所述濕性顆粒的形狀參數(shù)。 所述測量系統(tǒng)還包括具有PIN管的光電探測及信號發(fā)生電路，所述濕性顆粒產(chǎn)生的散射光一部分入射到該P(yáng)IN管上產(chǎn)生電信號，該光電探測及信號發(fā)生電路根據(jù)電信號產(chǎn)生數(shù)字觸發(fā)信號用于控制所述ICCD探測器的啟閉。作為本實(shí)用新型的改進(jìn)，所述PIN管前設(shè)置有斜置聚光透鏡，濕性顆粒產(chǎn)生的散射光一部分通過其會聚后入射到所述PIN管上。作為本實(shí)用新型的改進(jìn)，所述拋物面反射鏡和ICCD探測器之間設(shè)置有望遠(yuǎn)鏡物鏡組，所述拋物面反射鏡反射后的平行光經(jīng)該望遠(yuǎn)鏡鏡組進(jìn)行光束束寬壓縮，再入射到ICXD探測器上。作為本實(shí)用新型的改進(jìn)，所述望遠(yuǎn)鏡鏡組的共焦平面上還設(shè)置有空間濾波器，用于濾去雜散光。作為本實(shí)用新型的改進(jìn)，所述拋物面鏡和望遠(yuǎn)鏡物鏡之間還設(shè)置有第一平面反射鏡，用于將所述拋物面反射鏡反射后的平行光中的一部分導(dǎo)向離開ICCD探測器，使其不被探測器接收，以避免該ICCD探測器飽和。作為本實(shí)用新型的改進(jìn)，所述測量系統(tǒng)還包括第二平面反射鏡，所述連續(xù)激光經(jīng)該第二平面反射鏡反射后入射到拋物面反射鏡的反射面上。作為本實(shí)用新型的改進(jìn)，所述激光器之前設(shè)置有準(zhǔn)直透鏡和非線性衰減片，激光器產(chǎn)生的連續(xù)激光先經(jīng)該準(zhǔn)直透鏡和非線性衰減片進(jìn)行整形和功率調(diào)節(jié)后再入射到拋物面反射鏡。作為本實(shí)用新型的改進(jìn)，所述拋物面反射鏡鏡腔中充滿折射率與測量管道管壁折射率相等的折射率匹配溶液，用于減弱管壁產(chǎn)生的雜散光。作為本實(shí)用新型的改進(jìn)，所述拋物面反射鏡側(cè)壁上有兩個(gè)通孔與拋物面焦點(diǎn)共線，測量管道從側(cè)壁通孔中穿過，被測流體經(jīng)測量管道進(jìn)入測量區(qū)域。本實(shí)用新型的測量管道的中心部分位于拋物面反射鏡鏡腔的焦點(diǎn)處，此處為顆粒的測量區(qū)域。激光器發(fā)出的激光經(jīng)整形和功率調(diào)節(jié)后，被平面鏡和拋物面鏡反射，會聚于拋物面鏡鏡腔的焦點(diǎn)位置。當(dāng)被測流體中有顆粒進(jìn)入測量區(qū)域時(shí)，PIN管探測到前向小角度散射光，通過電路觸發(fā)ICCD探測器。散射光入射到拋物面反射鏡，反射后變?yōu)槠叫泄馐?，束寬壓縮后由ICCD探測器接收。ICCD接收的三維散射信息傳遞至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，得到顆粒的三維體散射函數(shù)，并可反演出顆粒的粒徑、形狀參數(shù)。本實(shí)用新型的拋物面反射鏡內(nèi)腔為開口豎直向上的旋轉(zhuǎn)拋物面，材料為反射率很高的金屬材料。側(cè)壁上有兩個(gè)通孔與拋物面焦點(diǎn)共線，測量管道從側(cè)壁水平穿過，且中心部分位于拋物面焦點(diǎn)處。本實(shí)用新型的連續(xù)激光器，可連續(xù)輸出功率穩(wěn)定的單模激光，是測量系統(tǒng)的入射光源。入射光經(jīng)平面鏡反射后，豎直向下入射到拋物面鏡上，再經(jīng)拋物面鏡反射，沿水平方向入射到拋物面鏡鏡腔的焦點(diǎn)位置。若在入射光路中加入起偏器，可以測量顆粒的偏振光散射特性。本實(shí)用新型的斜置聚光透鏡，在有顆粒散射光時(shí)，收集并會聚某一前向小角度區(qū)域的散射光，被PIN管接收。本實(shí)用新型的光電探測器ICXD，作為散射信號接收裝置，帶有像增強(qiáng)功能，適合探測弱光信號，并具有電控快門，可由光電探測及信號發(fā)生電路觸發(fā)。本實(shí)用新型使用一個(gè)ICCD探測器測量一次性獲取大角度散射光強(qiáng)分布，避免了使用多個(gè)探測器時(shí)存在的探測偏差問題，測量精度高，速度快，操作簡單，實(shí)現(xiàn)了在線測量，并可用于非球形顆粒的粒徑、形狀反演。

圖I是本實(shí)用新型的體散射函數(shù)測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本實(shí)用新型的拋物面反射鏡結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本實(shí)用新型的測量系統(tǒng)俯視圖。圖4是體散射函數(shù)坐標(biāo)系示意圖。圖中1.連續(xù)激光器2.準(zhǔn)直透鏡3.非線性衰減片4.拋物面反射鏡5.平面反射鏡6.測量管道7.斜置聚光透鏡8.包含PIN管的光電探測及信號發(fā)生電路9.望遠(yuǎn)物鏡組10.空間濾波器11.望遠(yuǎn)目鏡組12.濾光片13. ICXD探測器14.計(jì)算機(jī)15.平面反射鏡。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明，但本實(shí)用新型不僅限于該實(shí)施例。本實(shí)施例中的一種濕性顆粒形狀參數(shù)在線測量系統(tǒng)，包括連續(xù)激光器I、拋物面反射鏡4、測量管道6、I(XD探測器13、斜置聚光透鏡7、包含PIN管的光電探測及信號發(fā)生電路8和計(jì)算機(jī)14。如圖I所示，測量管道6的中心部分位于拋物面反射鏡4鏡腔的焦點(diǎn)處，此處為顆粒的測量區(qū)域。激光器I發(fā)出的激光經(jīng)整形和功率調(diào)節(jié)后，被平面鏡5和拋物面鏡4反射，會聚于拋物面鏡4鏡腔的焦點(diǎn)位置。當(dāng)被測流體中有顆粒進(jìn)入測量區(qū)域時(shí)，PIN管8探測到前向小角度散射光，通過電路觸發(fā)ICCD探測器13。散射光入射到拋物面反射鏡4，反射后變?yōu)槠叫泄馐?，束寬壓縮后由ICCD探測器13接收。ICCD13接收的三維散射信息傳遞至計(jì)算機(jī)14進(jìn)行處理，得到顆粒的三維體散射函數(shù)，并可反演出顆粒的粒徑、形狀參數(shù)。拋物面反射鏡4內(nèi)腔為開口豎直向上的旋轉(zhuǎn)拋物面，材料為反射率很高的金屬材料。側(cè)壁上有兩個(gè)通孔與拋物面焦點(diǎn)共線，測量管道從側(cè)壁水平穿過，且中心部分位于拋物面焦點(diǎn)處。連續(xù)激光器1，可連續(xù)輸出功率穩(wěn)定的單模激光，是測量系統(tǒng)的入射光源。入射光經(jīng)平面鏡5反射后，豎直向下入射到拋物面鏡4上，再經(jīng)拋物面鏡4反射，沿水平方向入射到拋物面鏡4鏡腔的焦點(diǎn)位置。若在入射光路中加入起偏器，可以測量顆粒的偏振光散射特性。斜置聚光透鏡7，在有顆粒散射光時(shí)，收集并會聚某一前向小角度區(qū)域的散射光，被PIN管8接收。光電探測器ICXD13，作為散射信號接收裝置，帶有像增強(qiáng)功能，適合探測弱光信號，并具有電控快門，可由光電探測及信號發(fā)生電路8觸發(fā)。在本實(shí)用新型的測量系統(tǒng)中，由于探測器的動態(tài)范圍固定，在入射光路中加入了非線性衰減片3調(diào)整入射光的強(qiáng)度，使探測器可工作在線性區(qū)，避免飽和。在拋物面鏡4和望遠(yuǎn)鏡物鏡9之間加入平面鏡15，使未被散射的入射光不被探測器13接收，避免探測器飽和。由于探測器13的接收面積遠(yuǎn)小于上述平行散射光束的橫截面積，因此在探測器13與拋物面反射鏡4之間加入望遠(yuǎn)鏡鏡組9、11，壓縮光束束寬至能被探測器13完全接收。同時(shí)，在鏡組的共焦平面上加入空間濾波器10，濾去雜散光。本實(shí)用新型在調(diào)整光路完成后，濕性顆粒形狀參數(shù)在線測量的具體步驟為·(I)開啟激光器1，預(yù)熱激光器I至輸出功率穩(wěn)定。使被測流體從管道6中流過，拋物面反射鏡4鏡腔中加入折射率匹配溶液(折射率與管道壁折射率相等)，使管道6浸沒在折射率匹配溶液中。(2)關(guān)閉實(shí)驗(yàn)環(huán)境中其它光源，人工觸發(fā)ICXD探測器13，獲取無被測顆粒時(shí)的水體散射圖案(即背景圖案)。(3)開啟包含PIN管的光電探測電路8，當(dāng)有顆粒進(jìn)入測量區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)自動觸發(fā)ICCD探測器13，獲取被測顆粒的散射圖案。(4)通過計(jì)算機(jī)處理，用背景圖案對測得的散射圖案進(jìn)行修正，根據(jù)ICXD像素與拋物面反射鏡面積元的幾何對應(yīng)關(guān)系，得到顆粒的三維體散射函數(shù)。體散射函數(shù)描述不同方向上的散射光強(qiáng)。三維體散射函數(shù)可表不為β ( θ，Φ，r),其中Θ為散射角，Φ為方位角，r為探測點(diǎn)與顆粒之間的距離。如圖4所示，以顆粒所在位置為原點(diǎn)建立右手坐標(biāo)系，入射光為沿Z軸正方向的平行光，X軸豎直向上，XOZ平面為入射面。散射光與入射光的夾角即與Z軸夾角Θ為散射角；散射光與入射光所在的平面與入射面的夾角Φ為方位角。本測量裝置中，各探測點(diǎn)到被測顆粒的光程相同，故可忽略r的影響。用散射光與入射光強(qiáng)度的比值表示體散射函數(shù)，則體散射函數(shù)可寫為Ι(θ，Φ)。按上述步驟，由計(jì)算機(jī)對ICCD獲取的圖案進(jìn)行處理。設(shè)步驟(2)獲取的背景圖案為Α，步驟(3)獲取的散射圖案為B，用背景圖案A修正散射圖案B，得到修正后的散射圖案C。散射圖案C上單個(gè)像素對應(yīng)ICCD的一個(gè)像素，該像素接收到的是拋物面反射鏡上某個(gè)微面元S上的散射光。近似認(rèn)為對應(yīng)微面元上光強(qiáng)均勻分布，采用與體散射函數(shù)Ι(θ，φ)定義中相同的坐標(biāo)系，微面兀中心位于(9 ave, Φ3ν6)處，散射光光強(qiáng)為i(Qave, <Kve)，則ItXD單個(gè)像素采集光強(qiáng)為
權(quán)利要求1.一種基于光散射的濕性顆粒形狀參數(shù)在線測量系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)測量流經(jīng)測量管道(6)的流體中的濕性顆粒的形狀參數(shù)，其特征在于，該測量系統(tǒng)包括 激光器(I )，其產(chǎn)生用于對所述濕性顆粒進(jìn)行照射的連續(xù)激光； 拋物面反射鏡(4)，其具有呈拋物面的反射面，該反射面的焦點(diǎn)位于所述測量管道(6)的中心軸線上，所述連續(xù)激光經(jīng)該反射面反射后匯聚于焦點(diǎn)處，使得在該焦點(diǎn)處的濕性顆粒產(chǎn)生散射光； ICXD探測器(13)，所述散射光經(jīng)所述拋物面反射鏡(4)反射后平行入射到其上，該IC⑶探測器(13)獲取該濕性顆粒的散射圖案，經(jīng)處理可得到該濕性顆粒的三維體散射函數(shù)，從而即可獲得所述濕性顆粒的形狀參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于光散射的濕性顆粒形狀參數(shù)在線測量系統(tǒng)，其特征在于，所述測量系統(tǒng)還包括具有PIN管的光電探測及信號發(fā)生電路(8)，所述濕性顆粒產(chǎn)生的散射光一部分入射到該P(yáng)IN管上產(chǎn)生電信號，該光電探測及信號發(fā)生電路(8)根據(jù)該電信號產(chǎn)生數(shù)字觸發(fā)信號，以用于控制所述ICCD探測器(13)的打開和關(guān)閉。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于光散射的濕性顆粒形狀參數(shù)在線測量系統(tǒng)，其特征在于，所述拋物面反射鏡(4)和ICXD探測器(13)之間設(shè)置有望遠(yuǎn)鏡物鏡組(9、11)，所述拋物面反射鏡(4)反射后的平行光經(jīng)該望遠(yuǎn)鏡鏡組(9、11)進(jìn)行光束束寬壓縮后，再入射到所述ICCD探測器(13)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于光散射的濕性顆粒形狀參數(shù)在線測量系統(tǒng)，其特征在于，所述拋物面鏡(4)和望遠(yuǎn)鏡物鏡組(9、11)之間還設(shè)置有第一平面反射鏡(15)，用于將所述拋物面反射鏡(4)反射后的平行光中的一部分導(dǎo)向離開所述ICCD探測器(13)，使其不被該ICXD探測器(13)接收，以避免其飽和。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或4所述的基于光散射的濕性顆粒形狀參數(shù)在線測量系統(tǒng)，其特征在于，所述測量系統(tǒng)還包括第二平面反射鏡(5)，所述連續(xù)激光經(jīng)該第二平面反射鏡(5)反射后再入射到拋物面反射鏡(4)的反射面上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或4所述的基于光散射的濕性顆粒形狀參數(shù)在線測量系統(tǒng)，其特征在于，所述拋物面反射鏡(4)鏡腔中充滿折射率與測量管道(6)管壁折射率相等的折射率匹配溶液，用于減弱管壁產(chǎn)生的雜散光。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于光散射的濕性顆粒形狀參數(shù)在線測量系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)測量流經(jīng)測量管道的流體中的濕性顆粒的形狀參數(shù)，包括激光器，其產(chǎn)生用于對濕性顆粒進(jìn)行照射的連續(xù)激光；拋物面反射鏡，其具有呈拋物面的反射面，其焦點(diǎn)位于測量管道的中心軸線上，連續(xù)激光經(jīng)該反射面反射后匯聚于焦點(diǎn)處，使得在該焦點(diǎn)處的濕性顆粒產(chǎn)生散射光；ICCD探測器，散射光經(jīng)所述拋物面反射鏡反射后平行入射到其上，該ICCD探測器獲取濕性顆粒的散射圖案，輸入到計(jì)算機(jī)處理得到該濕性顆粒的三維體散射函數(shù)，通過基于模板庫匹配的反演算法，可獲得濕性顆粒的形狀參數(shù)。本實(shí)用新型彌補(bǔ)現(xiàn)有光散射式粒度測量法的不足，測量精度高，可以實(shí)現(xiàn)在線測量。
文檔編號G01N15/10GK202693451SQ20122035152
公開日2013年1月23日 申請日期2012年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月19日
發(fā)明者楊克成, 丁馳竹, 李微, 夏珉 申請人:華中科技大學(xué)