CN102053050B - 用ccd或cmos为光电探测器件的粒度对中测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用CCD或CMOS为光电探测器的粒度对中测量方法，方法步骤为：1、采用面阵CCD或CMOS作为多元光电探测器，用可调功率激光器，在颗粒粒度测量前，先调低激光器功率，使该低功率激光束聚焦到CCD或CMOS上时不发生饱和，记录该激光光斑落在CCD或CMOS上的像素位置，以测得光斑的这些像素作为颗粒测量时的散射中心位置；2、调整激光器功率到以信号最强的像素不发生饱和为限的功率，开始测量，记录下颗粒散射光能的分布；3、再以初始确定的散射中心位置为基础，由光散射理论计算得到颗粒的粒度分布。本发明克服了现有激光粒度仪对中复杂和采用CCD或CMOS作为光电探测器时像素易饱和或损坏的缺点，取消了硬件的对中装置，不需要调整同心，能进行颗粒粒度测量。

Description

用CCD或CMOS为光电探测器件的粒度对中测量方法

技术领域

    本发明涉及一种激光粒度仪颗粒粒度测量方法，特别涉及一种激光粒度仪对中测量方法。

背景技术

激光粒度仪已广泛应用在许多领域，它的基本原理是当一束激光入射到被测颗粒样品时，由于散射作用，入射光会偏离原入射方向，向各个方向散射。光散射的空间分布与颗粒的大小有关。颗粒较小时，前向散射光相对较弱，在颗粒较大时前向散射光相对较强。激光粒度仪就是利用该原理测量散射光在不同方向角是分布，然后根据光散射理论和反演算法得到被测颗粒的粒度分布。图1 是经典的激光粒度仪原理示意图。

在该光路结构中，由激光器发出的测量光束通过测量区或样品池后，散射光被接收透镜接收，然后聚焦到多元光电探测器件，光电探测器的信号通过信号通道选通电路后经信号放大电路放大被数据采集卡（AD卡）转换成数字量由计算机进行数据处理，得到被测颗粒的粒度分布。为得到准确的测量结果，激光器及光学系统，接收透镜、多元光电探测器件必须同心。即激光器经光学系统发出的测量光束必须通过接收透镜的中心，聚焦在多元光电探测器件的中心，即同心。这是因为在激光粒度仪中的散射理论计算是以多元光电探测器的中心为基础进行计算的。如不同心，则实际测得的散射光能分布与理论计算的散射光能分布不吻合，会对测量结果产生误差。该误差的大小与不同心程度有关。一般在多元光电探测器件中心有个小孔或光陷，当激光器及光学系统、接收透镜和多元光电探测器件同心时，聚焦的激光束可以通过该小孔或入射到该光陷中。此时可以保证得到准确的测量结果。图2 是常用的多元光电探测器的示意图。多元光电探测器可以是半圆形的，如图2，也可以是扇形的，或2者结合的。近来有研究采用线阵CCD或面阵CCD或CMOS作为光电探测器件的。

而在激光粒度仪实际使用中由于各种原因，这3者很可能会不同心。为此，激光粒度仪都设置了手动或自动同心调整系统，以保证在测量时激光束正好入射到光电探测器的中心。这增加了仪器的复杂性和成本。

在采用CCD或CMOS作为光电探测器件时，因聚焦的激光强度很高，为防止高强度激光损坏CCD或CMOS，并防止高强度激光汇聚点落在CCD或CMOS表面时发生强烈反射，其杂散光对其他像素产生干扰（如饱和等）影响，一般使激光汇聚点落在CCD或CMOS光敏区以外。此时，也需要调整CCD或CMOS的位置，保证汇聚的激光落在设定的位置上。这同样会增加仪器的复杂性和成本，所以在商用激光粒度仪中鲜有采用面阵CCD或CMOS作为光电探测器件的。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有激光粒度仪中激光器及光学系统，接收透镜、多元光电探测器件调整同心时的困难，提出一种采用CCD或CMOS为光电探测器件时不需调整同心的颗粒粒度测量方法。

本发明的技术方案是：一种用CCD或CMOS为光电探测器的粒度对中测量方法，由激光器发出的测量光束通过测量区或样品池后，散射光被接收透镜接收，然后聚焦到多元光电探测器，多元光电探测器的信号通过信号通道选通电路后经信号放大电路放大被数据采集卡转换成数字量由计算机进行数据处理，得到被测颗粒的粒度分布，其特征在于，方法步骤为：

1、采用面阵CCD或CMOS作为多元光电探测器，激光器用可调功率激光器，在颗粒粒度测量前，先调低激光器功率，使该低功率激光束聚焦到CCD或CMOS上时CCD或CMOS不发生饱和，记录该激光光斑落在CCD或CMOS上的像素位置，以测得光斑的这些像素作为颗粒测量时的散射中心位置；

2、调整激光器功率到以信号最强的像素不发生饱和为限的功率，开始测量，记录下颗粒散射光能的分布；

3、再以初始确定的散射中心位置为基础，进行理论计算（需补充如何进行计算的说明），得到颗粒的粒度分布。根据光散射理论，当入射激光照射到被测颗粒时，其散射光能的分布Isca可以由下式描述：

                    （1）

上式中，I0为入射光强，

为散射角，

为无因次尺寸参数，其中D是颗粒粒度，m为颗粒相对于周围介质的折射率，为入射光波长，

为颗粒到CCD或CMOS的距离，而、

是散射强度函数。

当CCD或CMOS测得Isca后，就可以根据上式求解出被测颗粒粒度D。

本发明的优点是克服了现有激光粒度测量装置对中复杂和采用CCD或CMOS作为光电探测器时像素易饱和或损坏的缺点，取消了硬件的对中装置，不需要调整同心，能进行颗粒粒度测量。

附图说明

图1为激光粒度仪原理示意图；

图2为半圆形多元光电探测器的示意图；

图3 为本发明实施例1原理图；

图4 为汇聚激光光斑落在CCD或CMOS左下角示意图；

图中1为 CCD或CMOS， 2为 汇聚激光光斑

图5为本发明实施例2 示意图。

具体实施方式

图1为激光粒度仪原理示意图，激光器发出的平行测量光入射到测量区，穿过测量区后被接收透镜汇聚到光电探测器中心，被颗粒散射的散射光被接收透镜接收后落到光电探测器的表面，光电探测器产生的信号经放大后由数据采集系统采集送入计算机进行数据处理，得到颗粒的粒度分布。

图2为半圆形多元光电探测器的示意图，该光电探测器由若干个同心圆环构成，中心是个很小的小孔。测量时汇聚的激光束即通过该小孔，这表示测量系统处于同心。若汇聚的激光束没有通过该小孔，而是落在小孔附近位置，这表示探测器与光束不同心，将会产生测量误差，尤其是在大颗粒测量时产生的误差较大。

实施例1：

由图3所示，采用面阵CCD或CMOS作为多元光电探测器，激光器用可调功率激光器，激光器供电及功率调整电路和激光器相连接，在颗粒粒度测量前，打开仪器电源后，计算机采集CCD或CMOS的输出信号，根据CCD或CMOS的信号控制激光器供电及功率调整电路来调整激光功率，当CCD或CMOS所有像素中最大输出信号达到略低于饱和时，如达到饱和信号的95%时，停止调整激光器的输出功率，计算机记录CCD或CMOS的输出信号，根据记录的CCD或CMOS各像素输出信号的大小，确定输出信号最大的像素点为汇聚激光点的位置，将此作为颗粒散射光能空间分布的中心点作为后面理论计算的基础，如图4 所示。然后在测量区中加入被测颗粒样品，由于颗粒的散射和吸收作用，透射光强将会减弱，此时，再次调整激光器的输出功率，逐步增大激光功率，并调整CCD或CMOS电子快门的速度来增大CCD或CMOS输出的散射光信号，同时汇聚激光点（散射中心点）的像素信号略低于饱和，如达到饱和的98%，记录此时的散射光信号，就可以由光散射理论得到被测颗粒的粒度分布。

根据光散射理论，当入射激光照射到被测颗粒时，其散射光能的分布Isca可以由下式描述：

                    （2）

上式中，I0为入射光强，

为散射角，

为无因次尺寸参数，其中D是颗粒粒度，m为颗粒相对于周围介质的折射率，

为入射光波长，

为颗粒到CCD或CMOS的距离，而

、

是散射强度函数。

当CCD或CMOS测得Isca后，就可以根据上式求解出被测颗粒粒度D。

为防止在仪器打开电源供电时激光器的功率过大时损坏CCD或CMOS，激光器的功率可以预先设定在最小功率，然后逐渐增大。

图4 中CCD左下角的黑点即表示汇聚激光光斑照射到CCD或CMOS该位置上，在理论计算时就以该点作为散射光能分布的中心进行计算。

实施例2：

由图5所示，与实施例1不同的是激光器功率不是由计算机自动根据CCD或CMOS测得的信号大小来调整，而是操作人员手动调整激光器功率到最合适的大小。采用手动调整激光器功率可以简化仪器的结构，尤其适合需要低成本仪器的场合。

Claims (1)

1.一种用CCD或CMOS为光电探测器的粒度对中测量方法，由激光器发出的测量光束通过测量区或样品池后，散射光被接收透镜接收，然后聚焦到多元光电探测器，多元光电探测器的信号通过信号通道选通电路后经信号放大电路放大被数据采集卡转换成数字量由计算机进行数据处理，得到被测颗粒的粒度分布，其特征在于，方法步骤为：

（1）采用面阵CCD或CMOS作为多元光电探测器，激光器用可调功率激光器，在颗粒粒度测量前，先调低激光器功率，使该低功率激光束聚焦到CCD或CMOS上时CCD或CMOS不发生饱和，记录该激光光斑落在CCD或CMOS上的像素位置，以测得光斑的这些像素作为颗粒测量时的散射中心位置；

（2）调整激光器功率到以信号最强的像素不发生饱和为限的功率，开始测量，记录下颗粒散射光能的分布；

（3）再以初始确定的散射中心位置为基础，由光散射理论进行理论计算；

根据光散射理论，当入射激光照射到被测颗粒时，其散射光能的分布Isca由下式描述：

                    （1）

上式中，I₀为入射光强，为散射角，

为无因次尺寸参数，其中D是颗粒粒度，m为颗粒相对于周围介质的折射率，为入射光波长，

为颗粒到CCD或CMOS的距离，而

、

是散射强度函数；

当CCD或CMOS测得Isca后，就可以根据上式求解出被测颗粒粒度D。

Images