本發(fā)明屬于顆粒球形度測量技術(shù)領(lǐng)域，具體地講涉及一種顆粒球形度同軸數(shù)字全息檢測裝置及檢測方法。

背景技術(shù)：

顆粒球形度是指不規(guī)則顆粒與球形顆粒之間的接近程度，它是顆粒的基本參數(shù)之一。球形度對顆粒粉體的物理性能、化學(xué)性能、輸運性能和工藝性能有很大的影響，因此，進行顆粒球形度的測量具有重大應(yīng)用和科學(xué)意義。顆粒球形度傳統(tǒng)檢測方法如沉降法和激光衍射法只能獲得粒子的等效直徑，即粒度信息，無法獲得確切的形狀信息；而傳統(tǒng)檢測方法如顯微成像法存在采樣時間長、操作繁瑣等缺點，用于實時測量時，只能對物鏡像面位置處的粒子進行分析，而且屬于二維檢測，很難區(qū)分圓片狀粒子和球狀粒子有何差別。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的之一是提供了一種顆粒球形度同軸數(shù)字全息檢測裝置，本裝置采用光學(xué)全息技術(shù)構(gòu)造出顆粒的多個二維截面投影，并對多個二維截面投影進行橢圓擬合，即可實現(xiàn)對顆粒的顆粒球形度的檢測，同時實現(xiàn)了顆粒球形度檢測裝置的結(jié)構(gòu)簡單化以及檢測快速化。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種顆粒球形度同軸數(shù)字全息檢測裝置，包括沿著光照方向依次順序布置的激光光源、濾光片、準直擴束器、顆粒樣品池、顯微鏡、陣列式檢測器；所述顆粒樣品池置于旋轉(zhuǎn)臺上；所述陣列式檢測器連接計算機。

優(yōu)選的，所述激光光源、濾光片、準直擴束器、顆粒樣品池、顯微鏡、陣列式檢測器的中心點均處于一條直線上；所述旋轉(zhuǎn)臺為電控旋轉(zhuǎn)臺，此電控旋轉(zhuǎn)臺與計算機電連接；所述顆粒樣品池可隨所述旋轉(zhuǎn)臺繞旋轉(zhuǎn)臺的中心軸旋轉(zhuǎn)。

優(yōu)選的，所述激光光源為單色性的相干光源；所述濾光片使用帶通濾光片；所述準直擴束器用于將激光光源發(fā)出的光束進行擴束和準直，使得光束的照射面積略大于所述陣列式檢測器的面積。

優(yōu)選的，所述旋轉(zhuǎn)臺帶動所述顆粒樣品池轉(zhuǎn)動，改變所述顆粒樣品池中的顆粒相對于光束投射方向的位置，從而產(chǎn)生同一顆粒相對于不同角度光束投射方向下的干涉條紋；所述顯微鏡用于放大所述干涉條紋，提高分辨率；所述陣列式檢測器檢測干涉條紋的光強信號，記錄同一顆粒對應(yīng)于不同角度光束投射方向下的全息圖數(shù)據(jù)，并將所述全息圖數(shù)據(jù)傳送到所述計算機；所述計算機根據(jù)同一顆粒對應(yīng)于不同角度光束投射方向的全息圖數(shù)據(jù)，利用計算機模擬光學(xué)衍射過程，構(gòu)造出此顆粒對應(yīng)于不同角度光束投射方向的二維截面投影，對每一個二維截面投影均進行橢圓擬合并計算橢圓系數(shù)，所述橢圓系數(shù)即為擬合得到的橢圓的短軸與長軸之比，然后取多個二維截面投影的橢圓系數(shù)的平均值，即可實現(xiàn)對此顆粒的顆粒球形度的檢測。

所述旋轉(zhuǎn)臺采用步進的控制方式，旋轉(zhuǎn)臺每轉(zhuǎn)動一個角度，所述陣列式檢測器便可獲取該角度下的顆粒的全息圖數(shù)據(jù)；且所述旋轉(zhuǎn)臺和所述陣列式檢測器通過信號同步控制器實現(xiàn)同步。

優(yōu)選的，所述顆粒樣品池內(nèi)添加使顆粒充分分散的酒精。

優(yōu)選的，所述顆粒樣品池內(nèi)的顆粒密度控制在1個/mm³。

本發(fā)明還提供了一種采用前述顆粒球形度同軸數(shù)字全息檢測裝置的檢測方法,包括如下步驟：

S1，采用單色性的相干光源對顆粒樣品池內(nèi)的顆粒進行照射，獲得顆粒的干涉條紋，根據(jù)所得干涉條紋得到并記錄顆粒樣品池內(nèi)所有顆粒的全息圖數(shù)據(jù)，然后根據(jù)全息圖數(shù)據(jù)構(gòu)造出每一個顆粒的二維截面投影，并對所得二維截面投影進行橢圓擬合，然后計算得到每一個顆粒對應(yīng)的橢圓的橢圓系數(shù)，所述橢圓系數(shù)即為擬合得到的橢圓的短軸與長軸之比；

S2，轉(zhuǎn)動顆粒樣品池，此時顆粒樣品池中的顆粒跟隨顆粒樣品池轉(zhuǎn)到另一個位置，獲得所有顆粒在轉(zhuǎn)動后位置的干涉條紋，根據(jù)所得干涉條紋得到并記錄所有顆粒在轉(zhuǎn)動后的全息圖數(shù)據(jù)，然后根據(jù)全息圖數(shù)據(jù)構(gòu)造出每一個顆粒在轉(zhuǎn)動后位置的二維截面投影，對所得二維截面投影進行橢圓擬合，然后計算得到每一個顆粒對應(yīng)的橢圓的橢圓系數(shù)，所述橢圓系數(shù)即為擬合得到的橢圓的短軸與長軸之比；然后繼續(xù)轉(zhuǎn)動顆粒樣品池，直至獲得所有顆粒的在不同位置時的多個二維截面投影的橢圓系數(shù)；

S3，對每一個顆粒通過前述操作獲得的多個二維截面投影的橢圓系數(shù)取平均值，即可實現(xiàn)對每一個顆粒的顆粒球形度的檢測。

優(yōu)選的，在整個檢測過程中，所述顆粒樣品池共旋轉(zhuǎn)360度，且所述顆粒樣品池每次旋轉(zhuǎn)的角度均相同。

優(yōu)選的，在所述顆粒樣品池中，當(dāng)某一顆粒由前一位置旋轉(zhuǎn)到下一位置時，確認此顆粒在下一位置的方法如下：

以所述顆粒樣品池的旋轉(zhuǎn)中心建立空間直角坐標系，設(shè)X軸、Z軸所組成的X-Z平面為水平面，Y軸為垂直于水平面的軸，設(shè)某一顆粒的前一位置的坐標為(x,z,y)，且此顆粒與Y-Z平面的角度為β，旋轉(zhuǎn)方向已知，且此顆粒的旋轉(zhuǎn)角度為α,則旋轉(zhuǎn)后此顆粒的坐標為(x',z',y')，x',z',y'的值由以下公式計算得到：

β＝arctan(x/z)

y’＝y(tǒng)

由此可以提前算出此顆粒的下一位置，也即此顆粒在旋轉(zhuǎn)后的所述顆粒樣品池中的位置，然后采用單色性的相干光源對顆粒樣品池內(nèi)的計算所得下一位置處的顆粒進行照射，則可以獲得同一個顆粒的在轉(zhuǎn)動后的干涉條紋。

本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果在于：

1)本發(fā)明由激光光源、濾光片、準直擴束器、顆粒樣品池、旋轉(zhuǎn)臺、顯微鏡、陣列式檢測器、計算機組成，本裝置采用光學(xué)同軸數(shù)字全息技術(shù)構(gòu)造出顆粒的多個二維截面投影，并對多個二維截面投影進行橢圓擬合，即可實現(xiàn)對顆粒的顆粒球形度的檢測。由于本發(fā)明利用了同軸數(shù)字全息技術(shù)的特點，同時配合顆粒樣品池的旋轉(zhuǎn)，可實現(xiàn)大量顆粒球形度的快速檢測，從而在實現(xiàn)了顆粒球形度檢測裝置的結(jié)構(gòu)簡單化的同時實現(xiàn)了顆粒球形度檢測的快速化。

2)傳統(tǒng)的測量技術(shù)是通過顯微鏡測量微型顆粒的顆粒球形度，因為顯微鏡的景深很淺，一次測量時只能測處于單個平面內(nèi)的顆粒；而光學(xué)同軸數(shù)字全息技術(shù)再現(xiàn)的是處于不同空間位置的任何顆粒在光路方向上的二維截面投影，因此本發(fā)明中的測量裝置可以同時測量處于立體空間中的多個平面范圍的所有顆粒的顆粒球形度，從而極大的提高了測量效率。

3)本發(fā)明以旋轉(zhuǎn)中心為基準建立三位坐標系，通過旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)顆粒樣品池可以獲得不同轉(zhuǎn)動角度下的多幅全息圖，每幅全息圖均可以獲得處于顆粒樣品池內(nèi)的所有不同平面的顆粒的一個二維截面投影的形貌，再通過坐標計算即可同一顆粒在轉(zhuǎn)動前的位置和轉(zhuǎn)動后的位置，也即通過坐標算法可得到任一顆粒與不同轉(zhuǎn)動角度對應(yīng)的空間位置的分布狀況；當(dāng)顆粒樣品池旋轉(zhuǎn)一周后，即可得到不同景深的任一顆粒的多個二維截面投影，對某一顆粒的每一個二維截面投影進行橢圓擬合并計算橢圓系數(shù)，所述橢圓系數(shù)即所得擬合橢圓的短軸比長軸的值(即r/R，r為擬合橢圓短軸，R為擬合橢圓長軸)，取每個二維截面的橢圓系數(shù)的值，將橢圓系數(shù)值求和再平均，所得平均值即可作為此某一顆粒的顆粒球形度衡量標準，平均值越接近1則顆粒的形狀越接近球體。

4)光學(xué)同軸數(shù)字全息技術(shù)的測量粒徑范圍是10um左右，因此本發(fā)明能夠有效地測量微小顆粒的顆粒球形度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為顆粒樣品池中某一顆粒從A點旋轉(zhuǎn)到B點的示意圖。

圖3為圖2的俯視圖。

附圖標記：

10-激光光源 20-濾光片 30-準直擴束器 40-顆粒樣品池

50-電控旋轉(zhuǎn)臺 60-顯微鏡 70-陣列式檢測器 80-計算機。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

如圖1所示，一種顆粒球形度同軸數(shù)字全息檢測裝置，包括沿著激光光源10的發(fā)射方向依次順序布置的激光光源10、濾光片20、準直擴束器30、顆粒樣品池40、顯微鏡60、陣列式檢測器70；所述顆粒樣品池40置于電控的旋轉(zhuǎn)臺50上；所述電控旋轉(zhuǎn)臺50和陣列式檢測器70均通過信號線連接計算機80；所述激光光源10、濾光片20、準直擴束器30、顆粒樣品池40、顯微鏡60、陣列式檢測器70的中心點均處于一條直線上；所述顆粒樣品池40可隨所述旋轉(zhuǎn)臺50繞旋轉(zhuǎn)臺50的中心軸旋轉(zhuǎn)。

所述激光光源10用于產(chǎn)生單色性好、光強較大的激光光束，本實施例中選用美國Thorlabs生產(chǎn)的型號HNL100L、中心波長632.8nm的He-Ne激光器。

所述濾光片20使用帶通濾光片，限制允許通過的照明光束的波長范圍，抑制環(huán)境光的干擾，本實施例中選用北京大恒光電公司生產(chǎn)的GCC-203005帶通濾光片。

所述準直擴束器30用于將激光光束進行準直和擴束，使得出射的激光光束要略大于陣列式檢測器70的面積，本實施例中選用北京大恒光電公司生產(chǎn)的GCO-2503連續(xù)變倍擴束鏡頭，擴束比5到10倍。

對顆粒測試采用濕法檢測較為適宜，并且在顆粒分散過程中要添加分散劑來讓粉末充分完全分散，本實施例中選用酒精作為分散劑。顆粒樣品池40采用光學(xué)玻璃制成，從而激光光束能夠直接透射玻璃表面照射到顆粒樣品池40中的顆粒。

電控的旋轉(zhuǎn)臺50采用步進電機控制，以實現(xiàn)高精度360°旋轉(zhuǎn)，本實施例中選用北京大恒光電公司生產(chǎn)的GCD-011060M電控旋轉(zhuǎn)臺。

精密旋轉(zhuǎn)臺50采用步進控制方式，每轉(zhuǎn)動一個角度，陣列式檢測器70便可獲取該角度下的全息圖。旋轉(zhuǎn)臺50和陣列式檢測器70通過信號同步控制器來實現(xiàn)同步。旋轉(zhuǎn)臺50的單次步進角度越小，獲得的全息圖越多，檢測越為精確，但檢測速度會變慢。因此步進角度可根據(jù)實際情況進行選擇。本實施例中，設(shè)定每次步進角度為10°，轉(zhuǎn)動一周需要旋轉(zhuǎn)36次，獲得36個角度下的全息圖，旋轉(zhuǎn)臺每轉(zhuǎn)動10°，等待1s進行全息圖記錄，然后再轉(zhuǎn)動，不斷重復(fù)上述動作，轉(zhuǎn)完一周停止。

為提高成像分辨率，本發(fā)明采用顯微全息光路結(jié)構(gòu)。顯微鏡60用于光場預(yù)放大，本實施例選用moritex公司生產(chǎn)的型號MML3-HR65VI-5M鏡頭。顯微鏡頭為遠心鏡頭，放大倍率3×，C接口，視場2/3英寸。

陣列式檢測器70選用北京大恒光電公司生產(chǎn)的型號為MER-502-79U3M/C-LCMOS相機，分辨率2048×2048像素，光敏面尺寸2/3英寸，幀頻為79fps，信號接口為USB3.0。在每一個角度下，相機能夠獲取多幅含有顆粒三維信息的全息圖像，并基于平均疊加法消除再現(xiàn)像中的散斑噪聲。

在本實施例中，顆粒樣品池40的顆粒密度控制在1個/mm³，顆粒球形度檢測區(qū)域是以旋轉(zhuǎn)臺50的轉(zhuǎn)軸為旋轉(zhuǎn)中心、邊長約10mm的立方體內(nèi)(主要取決了陣列探測器70的尺寸)，大約可同時檢測1000個粒子。與傳統(tǒng)的顯微成像法相比，本發(fā)明中的檢測裝置可大幅提高檢測效率。

本發(fā)明實施例對各器件的型號除做特殊說明的以外，其他器件的型號不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

下面結(jié)合具體工作過程和附圖，對本發(fā)明的檢測裝置和檢測方法進行詳細說明：

S1，沿著激光的發(fā)射方向依次順序布置激光光源10、濾光片20、準直擴束器30、顆粒樣品池40、顯微鏡60、陣列式檢測器70；所述顆粒樣品池40置于電控的旋轉(zhuǎn)臺50上；電控的所述旋轉(zhuǎn)臺50和陣列式檢測器70均通過信號線連接計算機80；

S2，激光光源10所發(fā)出的單色性的相干光經(jīng)濾光片20過濾，再經(jīng)準直擴束器30準直和擴束后對顆粒樣品池40內(nèi)的顆粒進行照射，相干光照射在顆粒上，被顆粒散射，散射光束和直接透射光束相干涉形成干涉條紋；所得到的顆粒的干涉條紋經(jīng)顯微鏡60放大后照射到陣列式檢測器70上，所述陣列式檢測器70檢測干涉條紋的光強信號，并記錄顆粒樣品池40內(nèi)所有顆粒的全息圖數(shù)據(jù)，所述陣列式檢測器70將得到的所有顆粒的全息圖數(shù)據(jù)均發(fā)送至計算機80進行處理；所述計算機80根據(jù)全息圖數(shù)據(jù)，利用計算機模擬光學(xué)衍射過程，構(gòu)造出顆粒樣品池40內(nèi)的每一個顆粒的二維截面投影，并對所得二維截面投影進行橢圓擬合，然后計算得到每一個顆粒對應(yīng)的橢圓的橢圓系數(shù)，所述橢圓系數(shù)即為擬合得到的橢圓的短軸與長軸之比；

S3，控制旋轉(zhuǎn)臺50轉(zhuǎn)動設(shè)定角度10°，此時顆粒樣品池40跟隨旋轉(zhuǎn)臺50轉(zhuǎn)動，從而顆粒樣品池40中的顆粒跟隨顆粒樣品池40由步驟S2中的前一位置轉(zhuǎn)到下一位置；同樣，激光光源10所發(fā)出的單色性的相干光繼續(xù)對顆粒樣品池40內(nèi)的顆粒進行照射，從而所述陣列式檢測器70獲得所有顆粒在轉(zhuǎn)動后位置的干涉條紋，陣列式檢測器70根據(jù)所得干涉條紋得到并記錄所有顆粒在轉(zhuǎn)動后的全息圖數(shù)據(jù)，所述陣列式檢測器70將得到的此角度下的所有顆粒的全息圖數(shù)據(jù)均發(fā)送至計算機80進行處理；所述計算機80根據(jù)全息圖數(shù)據(jù)，利用計算機模擬光學(xué)衍射過程，構(gòu)造出顆粒樣品池40內(nèi)的每一個顆粒的二維截面投影，并對所得二維截面投影進行橢圓擬合，然后計算得到每一個顆粒對應(yīng)的橢圓的橢圓系數(shù)，所述橢圓系數(shù)即為擬合得到的橢圓的短軸與長軸之比。

然后繼續(xù)按照設(shè)定角度轉(zhuǎn)動顆粒樣品池40，直至獲得顆粒樣品池40內(nèi)的所有顆粒的在不同位置時的多個二維截面投影的橢圓系數(shù)。

由于顆粒40非常微小，因此如何準確得知某一顆粒在轉(zhuǎn)動設(shè)定角度后的具體位置，從而將因顆粒樣品池40轉(zhuǎn)動而身處不同位置處的同一顆粒的二維截面投影對應(yīng)關(guān)聯(lián)起來，是一個必須要解決的技術(shù)問題。根據(jù)數(shù)字全息原理，一張全息圖即可獲得每個粒子的空間坐標，為此，本發(fā)明采用了如下坐標匹配算法：

在所述顆粒樣品池40中，當(dāng)某一顆粒由前一位置A旋轉(zhuǎn)到下一位置B時，確認此顆粒在下一位置B的坐標的方法如下：

如圖2所示，以所述顆粒樣品池40的旋轉(zhuǎn)中心建立空間直角坐標系，設(shè)X軸、Z軸所組成的X-Z平面為水平面，Y軸為垂直于水平面的軸，設(shè)某一顆粒的前一位置A的坐標為(x,z,y)，此顆粒與Y-Z平面的角度為β，旋轉(zhuǎn)方向已知，且此顆粒的旋轉(zhuǎn)角度為α,則旋轉(zhuǎn)后此顆粒在下一位置B的坐標為(x',z',y')，x',z',y'的值由以下公式計算得到：

β＝arctan(x/z)

y’＝y(tǒng)

由此可以提前算出此顆粒的下一位置B的具體坐標，也即可以獲知此顆粒在旋轉(zhuǎn)后的所述顆粒樣品池40中的準確位置，然后采用單色性的相干光源對顆粒樣品池40內(nèi)的計算所得下一位置B處的顆粒進行照射，則可以獲得同一個顆粒的在轉(zhuǎn)動位置后的干涉條紋。

S4，當(dāng)旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動360°以后，對每一個顆粒，共獲得36個二維截面，對應(yīng)獲得36個橢圓系數(shù)值；取此顆粒所得36個二維截面的橢圓系數(shù)的值，將橢圓系數(shù)值求和再平均，所得平均值即可作為此顆粒的顆粒球形度衡量標準，平均值越接近1則顆粒的形狀越接近球體，即可實現(xiàn)對每一個顆粒的顆粒球形度的檢測。

綜上所述，本發(fā)明針對顆粒球形度檢測難題，引入同軸數(shù)字全息術(shù)的新方法，通過結(jié)構(gòu)簡單的檢測裝置記錄全息圖，通過旋轉(zhuǎn)顆粒樣品池，獲得顆粒在不同角度下的全息圖，并利用計算機模擬光學(xué)衍射過程，解析全息圖，獲取顆粒在多個轉(zhuǎn)動角度下的二維投影截面，實現(xiàn)顆粒球形度的快速檢測，滿足了實際應(yīng)用中的多種需要。