CN101082562A - 基于图像监测微颗粒形状与散射的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图像监测微颗粒形状与散射的装置。在内表面经过粗糙化和发黑处理的散射腔体上，顶部与底部分别设置微颗粒流进样管与出气管，在散射腔体的水平方向的径向面上每间隔90°安装半导体激光器和三个可调节显微镜，散射腔有规律的分布有40个指向腔心的方位角与极角光纤插孔，光纤插孔内安装有采样光纤，从40个方位角全面检测微颗粒散射信号，利用显微镜放大CCD摄像技术筛选出通过光束的单颗微粒，对颗粒形状进行快速统计分类，总结已有散射理论的适用条件，并使反演理论得到修正。

Description

基于图像监测微颗粒形状与散射的装置

技术领域

本发明涉及光学领域，具体是基于图像监测微颗粒形状与散射的装置。

背景技术

作为影响和表征微颗粒物理特性的重要参数，粒形研究受到越来越多的重视。相对于已经比较成熟的粒度测量技术来说，粒形测量的发展要滞后地多，目前国内尚未见诸报道。通过测量粒形的数据可以为过程动力学研究提供更为丰富的信息；在生产过程中考虑到粒形参数的影响能够监控产品品质、降低生产成本，如制药、造纸、水泥等行业；颗粒形状还可以从一定程度上反应来源从而有效控制污染；吸入性颗粒的沉淀位置和粒形密切相关，对于粒形的详细监测可以使吸入性颗粒和疾病之间的关系更为明了；被认为是天气和气候研究中一大难题的卷云，其冰晶粒子不规则形状的探讨具有重要作用；因此粒形研究具有极为广阔的前景。对于粒形分析来说，过去很难发展一种快速和常规的方法来达到。由于颗粒的散射光是粒形等多个因素的函数，因此是经常被尝试的技术，然而要得到精确的反演形状，运算量是比较大的；传统上，显微镜也常用来进行该工作，并作为唯一可以观察单独颗粒并分析其大小和形状的仪器，由于其绝对性，显微技术常用来确认其他技术的结果，然而要得到统计学上有意义的结果，需要花费大量的时间进行样品制备、人工观察。本专利试图从两者结合的角度，简化颗粒形状的监测，并利用图像辅助测量任意形状颗粒的散射信号，一方面可以总结已有散射理论的适用条件，另一方面详细的散射信号反演所得到的粒形信息也可以和显微图像比对，使反演理论得到修正。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于图像监测微颗粒形状与散射的装置，本发明通过显微镜放大CCD摄像设备拍出微颗粒的三视图，同时极角和方位角圆面上的光纤在中心对称的四十个角度收集颗粒的全部或部分散射信号，快速测量通过散射腔腔心的1～20um尺度内的任意颗粒并对其形状做出分类。

本发明的技术方案

基于图像监测微颗粒形状与散射的装置，其特征在于包括有球形的散射腔体，其内表面经过粗糙化和发黑处理，散射腔体的顶部与底部分别有位于径线上的进样管与出气管，从进样管入射的微颗粒流经过腔心再进入出气管，所述的进样管的侧壁上联通有鞘流管，在与进样管、出气管中心轴线垂直的散射腔体径向面上，有均匀排布的四个安装孔，各安装孔均指向散射腔体腔心，其中一个安装孔中安装有半导体激光器，其余三孔中安装有显微镜放大CCD摄像装置，半导体激光器的激光出射到飞过腔心的微颗粒上；位于散射腔体前、后方有两个相互平行且与激光出射方向垂直的方位角光纤插孔圆面，其圆面上各均匀分布有10个指向腔心的方位角光纤插孔，其中方位角光纤插孔圆面和沿着激光出射方向的散射腔体垂直径向面之交点处，均有方位角光纤插孔，各方位角光纤插孔和腔心之间的连线与激光出射线成45°夹角；散射腔体上有相互垂直且相交于激光出射方向的45°极角光纤插孔圆面和135°极角光纤插孔圆面，45°极角光纤插孔圆面和135°极角光纤插孔圆面与所述的散射腔体的水平的径向面分别呈45°夹角、135°夹角，45°极角光纤插孔圆面和135°极角光纤插孔圆面与垂直于激光出射方向的散射腔体径向面之交点处均有极角光纤插孔，在45°极角光纤插孔圆面和135°极角光纤插孔圆面上每个交点处之极角光纤插孔两侧各有二个极角光纤插孔，两两间隔27°，由此45°极角光纤插孔圆面和135°极角光纤插孔圆面上各有10个极角光纤插孔且均指向腔心；所述的方位角、极角光纤插孔中均安装有采样光纤。

所述的采样光纤端部安装有凸透镜，方位角、极角光纤插孔前端有一环形内沿，所述的凸透镜安置在环形内沿的内侧。

所述的散射腔用硬铝制作，由两个内外径分别为20mm和30mm的发黑半球腔组成。定义可调节半导体激光器和其对面的显微镜放大CCD摄像装置轴心线为I，进样管和出气管轴心线为II，另二个显微镜放大CCD摄像装置轴心线为III，I、II、III交于同一点即散射腔的腔心。I和II组成侧视基准面，I和III组成上视基准面，II和III组成前视基准面(见图3)。以前视基准面和垂直于激光出射方向的散射腔径向面的交点处的极角光纤插孔为基准，在基准插孔两侧对称每隔27°设置极角光纤插孔，形成两个各含10个光纤插孔的测量极角散射光的圆面，测量极角散射光圆面与散射腔体的水平的径向面相交所成角度分别为45°和135°；在与激光光束成45°和135°的锥面上，以侧视基准面和散射腔的交点处光纤插孔为基准，两侧每隔36°设置光纤插孔，形成两个各含10个光纤插孔的测量方位角散射光的圆面。四个圆面共含40个光纤插孔，且所有光纤插孔均指向中空散射腔的腔心，每一个光纤插孔均有一个以腔心为中心对称的光纤插孔。为便于光纤定位，散射腔上的光纤插孔接近内表面处为直径3mm的光纤接头留出厚1mm直径2.5mm的环形内沿。

1、散射腔的加工

本发明用来测量微颗粒的形状及其散射信号，因此散射腔内壁对入射光的反射须尽量小，应对其内壁进行粗糙化处理和发黑处理，目的是使每个角度的测量更加接近真实值。其他零部件与散射腔内表面的结合处以及伸进腔内的部分也应做类似处理。考虑到装置的自身重量，散射腔体材料选用硬铝。光纤插孔均指向腔心，并注意光纤插孔之间的对称关系。

2、可调装置的处理

半导体激光器和显微镜放大CCD摄像装置的显微镜头位置均可以调节。半导体激光器的顶部螺丝用来微调激光器的垂直位置，以便使出射激光正对腔心。出光孔做成水平方向长而垂直方向短的矩形或椭圆形。显微镜头外部攻丝，以微调显微镜头和飞过散射腔腔心的微颗粒的距离。需要注意的是，与光束正对的显微镜头前要加装光增透和防反射的装置。

3、光纤灵敏度的提高

为提高散射信号的探测灵敏度，在采样光纤端头安装了φ2.5mm的凸透镜，令其散射光接收面扩大到原接收面的17倍。

4、组装与校准

为避免外界干扰，组装过程中应密封散射腔体本身以及所有附属零件与散射腔体的结合处，用进气量等于出气量的标准来检验以散射腔为主体的仪器密封程度。用纯净的干燥空气吹扫散射腔体内部，直到没有对实验结果带来影响的颗粒存在为止。由于机械加工或光纤安装中的轻微误差，可能导致标准球形颗粒同方位角的前向或后向散射信号不同，通过校准，使同一方位角接收散射光的能力相同。

本发明优点：

1.利用显微镜放大CCD摄像技术筛选出通过光束的单颗微粒。

2.40个方位角全面检测微颗粒散射信号。

3.对颗粒形状进行快速统计分类。

4.总结已有散射理论的适用条件，并使反演理论得到修正。

附图说明

图1为本发明外形结构示意图；

图2散射腔体上各圆面分布结构示意图；

图3散射腔体上部件组装示意图；

图4微颗粒形状与散射测量流程图；

图5实验拍摄的10um棉絮的三视图；

图6实验测得的极角光纤圆面的散射信号。

具体实施方式

参见附图。

基于图像监测微颗粒形状与散射的装置，其特征在于包括有球形的散射腔体1，其内表面经过粗糙化和发黑处理，散射腔体1的顶部与底部分别有位于径线上的进样管2与出气管3，从进样管2入射的微颗粒流经过腔心再进入出气管3，所述的进样管2的侧壁上联通有鞘流管4，在与进样管2、出气管3中心轴线垂直的散射腔体1径向面上，有均匀排布的四个安装孔5，各安装孔5均指向散射腔体1腔心，其中一个安装孔5中安装有半导体激光器6，其余三孔中安装有显微镜放大CCD摄像装置7，半导体激光器6的激光出射到飞过腔心的微颗粒上；位于散射腔体1前、后方有两个相互平行且与激光出射方向垂直的方位角光纤插孔圆面，其圆面上各均匀分布有10个指向腔心的方位角光纤插孔8，其中方位角光纤插孔圆面和沿着激光出射方向的散射腔体垂直径向面之交点处，均有方位角光纤插孔8，各方位角光纤插孔和腔心之间的连线与激光出射线成45°夹角；散射腔体1上有相互垂直且相交于激光出射方向的45°极角光纤插孔圆面和135°极角光纤插孔圆面，45°极角光纤插孔圆面和135°极角光纤插孔圆面与所述的散射腔体1的水平的径向面分别呈45°夹角、135°夹角，45°极角光纤插孔圆面和135°极角光纤插孔圆面与垂直于激光出射方向的散射腔体径向面之交点处均有极角光纤插孔9，在45°极角光纤插孔圆面和135°极角光纤插孔圆面上每个交点处之极角光纤插孔9两侧各有二个极角光纤插孔9，两两间隔27°，由此45°极角光纤插孔圆面和135°极角光纤插孔圆面上各有10个极角光纤插孔9且均指向腔心；所述的方位角、极角光纤插孔中均安装有采样光纤10。

所述的采样光纤端部安装有凸透镜，方位角、极角光纤插孔前端有一环形内沿，所述的凸透镜安置在环形内沿的内侧。

一.密封散射腔以及散射腔与附属零件的结合处，使其不受外界大气的影响，密封的散射腔及其结合处同时光封以消除外界光的影响。用纯净空气吹扫散射腔内部，直到没有对实验带来影响的颗粒为止。调节散射腔顶部的进样管气流量，配合鞘流，使两者的比例达到1∶6左右(参考粒子计数器的比例)，产生沿进样器轴心线直线飞行的单颗粒微粒子流。

二.定义可调节半导体激光器和其对面的显微镜放大CCD摄像装置轴心线为I，进样管和出气管轴心线为II，另二个显微镜放大CCD摄像装置轴心线为III，I、II、III交于同一点即散射腔的腔心。I和II组成侧视基准面，I和III组成上视基准面，II和III组成前视基准面(见图3)。可以重新组合半导体激光器和显微镜头的安装位置，例如可以将显微镜头和半导体激光器调换，重新定义基准面，多角度观察颗粒的形状和散射信号。半导体激光器的输出光束为长2mm、宽0.5mm的矩形，原因在于：①单颗粒飞行的微粒子流宏观上间距是很小的，为保证收集到尽可能多的单颗粒图像和散射信号，激光束的高度在满足测量要求的前提下应尽量小；②单颗粒飞行的微颗粒流尽管有鞘流的限制，仍会有偏离轴心线的误差。半导体激光器支架的顶部螺丝用来调节激光器的微小位移，以使其发出的激光正对腔心。

三.散射腔体的内部是一个标准的圆球空腔，在散射腔体的表面打有40个光纤插孔，所有的光纤插孔均指向散射腔体内部圆球空腔的腔心，且每一个光纤插孔均有且仅有一个和它正对的在同一直径的光纤插孔。方位角光纤插孔有两组，每组含10个。以前视基准面形成面对称，定义侧视基准面和散射腔交点处的插孔为基准插孔，则光纤插孔成等角间隔均布在与激光光束成45°和135°的圆锥角上。极角光纤插孔形成两个相互垂直的圆面，每个圆面含有10个插孔且与上视基准面和侧视基准面均成45°面夹角，定义前视基准面与散射腔的交点处插孔为基准插孔，插孔两侧以前视基准面为对称每隔27°夹角设置光纤插孔。为便于光纤定位，散射腔上的所有光纤插孔接近内表面处为直径3mm的光纤接头留出1mm直径2.5mm的台阶。

四.如果测量的是标准球形颗粒的话，同一侧方位角光纤插孔处的光纤所测信号应该全部相同，否则便不是球形颗粒。用此方法可以快速监测微颗粒中球形粒子的含量百分比。

五.为节省采集卡的数据存储负荷，本发明从硬件和软件两个方面入手。硬件：可调节半导体激光器是脉冲式的，脉冲频率和占空比通过信号发生器调整。脉冲低电平时，激光器关闭，由于采集阈值的限制，采集卡默认数据无效；脉冲高电平到来时，激光射入散射腔，采集卡采集光纤数据。软件：可调节半导体激光器可以是常开的，微颗粒图像和散射信号的采集是通过程序软件控制的，调试程序软件，使信号采集达到最佳效果。

六.微颗粒的信号采集过程如下：调节进样量和鞘流的大小，使部分微颗粒在鞘流限制下沿直线单粒飞过散射腔的腔心。调节激光器的光强和光束大小，使其工作状态稳定且处于最佳。激光和飞过腔心的微颗粒相交，黑背景的CCD亮纹中出现微颗粒带有散射的显微镜放大图像；与此同时，极角光纤圆面和方位角光纤圆面的40根光纤根据设置采集微颗粒的散射光信号，经光电倍增管和放大器放大，散射光电信号和图像信号进入数据处理软件，快速得到微颗粒的形状分类和对应的散射光序列。如果激光射入或软件设置采集时，恰好无微颗粒飞过或CCD拍摄到的非单颗粒，则该次信号采集无效。

七.图5照片是用本发明装置拍摄的10um棉絮的三视图，45°光纤圆面散射信号和135°光纤圆面散射信号是用该发明装置测得的上述10um棉絮的散射信号(见图6)。

八.几何光线追踪法或T-Matrix等理论在其适用范围内可以计算对称情况下的微颗粒散射信号，通过对比理论结果和CCD拍摄到的颗粒所处状态的散射信号，可能总结出散射理论的适用范围；同时详细的散射信号反演所得到的粒形信息也可以和显微图像比对，使反演理论得到修正(见图4)。

Claims (2)

1、于图像监测微颗粒形状与散射的装置，其特征在于包括有球形的散射腔体，其内表面经过粗糙化和发黑处理，散射腔体的顶部与底部分别有位于径线上的进样管与出气管，从进样管入射的微颗粒流经过腔心再进入出气管，所述的进样管的侧壁上联通有鞘流管，在与进样管、出气管中心轴线垂直的散射腔体径向面上，有均匀排布的四个安装孔，各安装孔均指向散射腔体腔心，其中一个安装孔中安装有半导体激光器，其余三孔中安装有显微镜放大CCD摄像装置，半导体激光器的激光出射到飞过腔心的微颗粒上；位于散射腔体前、后方有两个相互平行且与激光出射方向垂直的方位角光纤插孔圆面，其圆面上各均匀分布有10个指向腔心的方位角光纤插孔，其中方位角光纤插孔圆面和沿着激光出射方向的散射腔体垂直径向面之交点处，均有方位角光纤插孔，各方位角光纤插孔和腔心之间的连线与激光出射线成45°夹角；散射腔体上有相互垂直且相交于激光出射方向的45°极角光纤插孔圆面和135°极角光纤插孔圆面，45°极角光纤插孔圆面和135°极角光纤插孔圆面与所述的散射腔体的水平的径向面分别呈45°夹角、135°夹角，45°极角光纤插孔圆面和135°极角光纤插孔圆面与垂直于激光出射方向的散射腔体径向面之交点处均有极角光纤插孔，在45°极角光纤插孔圆面和135°极角光纤插孔圆面上每个交点处之极角光纤插孔两侧各有二个极角光纤插孔，两两间隔27°，由此45°极角光纤插孔圆面和135°极角光纤插孔圆面上各有10个极角光纤插孔且均指向腔心；所述的方位角、极角光纤插孔中均安装有采样光纤。

2、根据权利要求1所述的基于图像监测微颗粒形状与散射的装置，其特征在于所述的采样光纤端部安装有凸透镜，方位角、极角光纤插孔前端有一环形内沿，所述的凸透镜安置在环形内沿的内侧。

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