CN102288523A - 基于线阵ccd的颗粒粒径分布测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于线阵CCD的颗粒粒径分布测量装置，包括激光光源模块、样品池、4-f透镜组滤波模块、汇聚透镜、区域强度衰减模块、线阵CCD、信号采集和处理模块。4-f透镜组滤波模块能够消除未被颗粒散射的入射激光引起的探测信号饱和，区域强度衰减模块能够区域衰减信号，增强线阵CCD的动态范围，有效提高前向散射光测量信号的信噪比，具有体积小、成本低、测量精度高、速度快、工作稳定的优点，可实现便携化，适合在线测量和野外作业。

Description

基于线阵CCD的颗粒粒径分布测量装置

技术领域

本发明涉及一种粒径测量技术，尤其涉及一种基于线阵CCD的颗粒粒径分布测量装置。

背景技术

颗粒粒径分布测量技术在许多工程与科学领域有许多重要应用。基于颗粒前向光散射特性的激光粒径测量技术具有无接触、稳定性好等优点。散射光信号的有效测量是一个重要研究方向。相比于传统二极管探测器，线阵CCD的单元像素小，数目多，适合高精度和便携式测量，而且线阵CCD产品化程度比较高，可以有效降低产品成本。

现有技术中，由于线阵CCD的动态范围比扇形或环形探测器阵列要低很多，所以信噪比比较差，而且中心未被散射的入射光线容易引起线阵CCD的饱和，这些都限制了线阵CCD在前向散射光探测上的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种体积小、成本低、测量精度高、速度快、工作稳定的基于线阵CCD的颗粒粒径分布测量装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的基于线阵CCD的颗粒粒径分布测量装置，包括激光光源模块、样品池、4-f透镜组滤波模块、汇聚透镜、区域强度衰减模块、线阵CCD、信号采集和处理模块，所述样品池用于放置待测颗粒群；

所述激光光源模块射出的光线透过所述样品池后，散射光线和未被散射的入射光线均进入所述4-f透镜组滤波模块，经所述4-f透镜组滤波模块过滤后的散射光线经所述汇聚透镜聚焦后进入所述区域强度衰减模块，经所述区域强度衰减模块进行局部衰减后的散射光线进入所述线阵CCD，所述线阵CCD将接收到的散射光线转换为电信号后进入所述信号采集和处理模块，所述信号采集和处理模块实现试验数据的采集、处理、显示。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明提供的基于线阵CCD的颗粒粒径分布测量装置，由于激光光源模块射出的光线透过样品池后，散射光线和未被散射的入射光线均进入4-f透镜组滤波模块，经4-f透镜组滤波模块过滤后的散射光线经汇聚透镜聚焦后进入区域强度衰减模块，经区域强度衰减模块进行局部衰减后的散射光线进入线阵CCD，线阵CCD将接收到的散射光线转换为电信号后进入信号采集和处理模块。能够消除未被颗粒散射的入射激光引起的探测信号饱和，能够区域衰减信号，增强线阵CCD的动态范围，有效提高前向散射光测量信号的信噪比，具有体积小、成本低、测量精度高、速度快、工作稳定的优点，可实现便携化，适合在线测量和野外作业。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于线阵CCD的颗粒粒径分布测量装置的结构示意图；

图2为本发明中反射镜的结构示意图；

图3为本发明中的区域强度衰减模块的结构示意图；

图4为本发明中信号采集和处理模块的示意框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的基于线阵CCD的颗粒粒径分布测量装置，其较佳的具体实施方式如图1所示：

包括激光光源模块、样品池、4-f透镜组滤波模块、汇聚透镜、区域强度衰减模块、线阵CCD、信号采集和处理模块，所述样品池用于放置待测颗粒群；

所述激光光源模块射出的光线透过所述样品池后，散射光线和未被散射的入射光线均进入所述4-f透镜组滤波模块，经所述4-f透镜组滤波模块过滤后的散射光线经所述汇聚透镜聚焦后进入所述区域强度衰减模块，经所述区域强度衰减模块进行局部衰减后的散射光线进入所述线阵CCD，所述线阵CCD将接收到的散射光线转换为电信号后进入所述信号采集和处理模块，所述信号采集和处理模块实现试验数据的采集、处理、显示。

所述激光光源模块包括顺序布置的激光器、光束扩束器、滤波光栏和偏振片，所述激光器为固体激光器、半导体激光器或者气体激光器。

所述待测颗粒可以悬浮在装有溶剂的比色皿中或喷洒并悬浮在空中。

所述4-f透镜组滤波模块包括焦距相同的第一透镜和第二透镜，还包括反射镜，所述第一透镜与第二透镜之间的距离等于两倍焦距，反射镜的中心位于第一个透镜的焦平面位置且反射镜倾角为45°，第一透镜至第二透镜系统光轴转向90°；

如图2所示，所述反射镜的中心区域透光，其它区域反射光线。所述反射镜的中心区域的半径为0.1mm-0.5mm。

如图3所示，所述区域强度衰减模块包括光学玻璃基板和偏振薄膜，所述偏振薄膜贴附在玻璃基板上，并覆盖一半的玻璃基板，所述偏振薄膜的检偏方向与入射激光的偏振方向夹角为70°-80°。

所述偏振薄膜偏振衰减引起的透射率为0.03-0.1。

所述线阵CCD方向垂直或者平行与入射激光偏振方向，并处在所述汇聚透镜的焦平面上，线阵CCD的中心处于系统光轴中心处。

如图4所示，所述信号采集和处理模块包括驱动电路、微处理器、显示屏；

所述驱动电路完成信号放大的功能；

所述微处理器包括用于模数转换和数据采集的数据采集卡，还包括用于控制信号采集和计算粒径分布的软件程序；

所述显示屏用于显示测量数据和粒径分布结果。

本发明克服了现有技术的不足，结构简单、稳定、成本低，适合于在线和便携化测量。与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

能够消除未被颗粒散射的入射激光引起的探测信号饱和；

能够区域衰减信号，增强线阵CCD的动态范围，有效提高前向散射光测量信号的信噪比；

偏振薄膜用于偏振衰减，有效降低了成本；

测量装置具有体积小、成本低、测量精度高、速度快、工作稳定的优点，本装置可实现便携化，适合在线测量和野外作业。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细叙述。

参照图1，该颗粒粒径分布测量装置包括：激光光源模块16、样品池5、4-f透镜组滤波模块17、汇聚透镜12、区域强度衰减模块13、线阵CCD14、信号采集和处理模块15。激光器1发出窄光束，经过光束扩束器2、滤波光栏3和偏振片4后，实现激光扩束和杂散光滤除。经处理的光线通过包含待测颗粒的样品池5，出射光线包括了能够反映粒径分布信息的散射光线6和未被散射的入射光线7。

这两种光线进入由第一透镜9、反射镜10和第二透镜11构成的4-f透镜组滤波模块17，第一透镜9和第二透镜11的焦距相同，间距为两倍焦距，反射镜10中心放在中间位置，即处在第一透镜9的焦平面，同时反射镜10倾斜45°，系统光轴8偏折90°。

如图2所示，示意性给出了反射镜10的镀膜结构，整个表面分为镀膜区18(反射光线的其它区域)和非镀膜区19(透光的中心区域)。未被散射的入射光线7直接通过非镀膜区19，能够反映粒径分布的散射光线6被镀膜区18反射，实现了两种光线的分离。

经过4-f系统滤波的散射光线6被紧贴第二透镜11之后的汇聚透镜12收集，并进行傅里叶变换，同一角度的散射光将聚焦在焦平面上同一位置。区域强度衰减模块13用于解决小角度和大角度的散射光线强度高对比度问题。

如图3所示，示意性地给出了区域强度衰减模块的结构，玻璃基板20的透光性好，偏振薄膜21粘贴在玻璃基板20表面一半的区域。由于在平行或垂直于入射激光偏振方向的散射光场偏振态是相同的，从而保证光轴一侧A区光强透射率t＝0.03-0.1，另外一侧B区的光强不被衰减。

局域衰减的光线被镜焦平面上的CCD14吸收，实现光电转换，光轴在CCD14上，CCD14的中心在光轴附近，线阵CCD方向垂直或者平行入射激光偏振方向。

信号采集和处理模块15实现试验数据的采集、处理、显示。

如图4所示，示意性给出了测量装置嵌入式信号处理模块框图，电信号经过驱动电路的信号放大等处理后，被数据采集卡采集及模数转换。

根据光轴在线阵CCD上的位置计算各点对应的散射光强I₀(θ)，处在A区域内的数据被除以透射率t修正。设定强度阈值为饱和信号的0.9倍，B区域高于阈值的数据被等角度的A区域数据代替，最终获得整个角度范围的强度数据I(θ)。

第i个像素对应的角度为θ_i，对应的散射光强I_i由下式表示

$I_i=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{i,j}{f}_j,(i=\mathrm{1,2},...,M)$

其中f_j(j＝1，2，...，N)是采样颗粒粒径r_j对应的分布密度函数，A_ij是矩阵元，代表采样半径rj颗粒在角度θ_i上的散射光强度，可以根据Mie散射理论计算。对于此矩阵方程，I_i和A_ij分别通过测量和理论计算得到，结合矩阵方程优化求解等数值运算方法可以计算得到分布密度函数f_j(j＝1，2，...，N)。最终测量数据和计算结果在计算机上显示和存储。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于线阵CCD的颗粒粒径分布测量装置，其特征在于，包括激光光源模块、样品池、4-f透镜组滤波模块、汇聚透镜、区域强度衰减模块、线阵CCD、信号采集和处理模块，所述样品池用于放置待测颗粒群；

所述激光光源模块射出的光线透过所述样品池后，散射光线和未被散射的入射光线均进入所述4-f透镜组滤波模块，经所述4-f透镜组滤波模块过滤后的散射光线经所述汇聚透镜聚焦后进入所述区域强度衰减模块，经所述区域强度衰减模块进行局部衰减后的散射光线进入所述线阵CCD，所述线阵CCD将接收到的散射光线转换为电信号后进入所述信号采集和处理模块，所述信号采集和处理模块实现试验数据的采集、处理、显示。

2.根据权利1所述的基于线阵CCD的颗粒粒径分布测量装置，其特征在于，所述激光光源模块包括顺序布置的激光器、光束扩束器、滤波光栏和偏振片，所述激光器为固体激光器、半导体激光器或者气体激光器。

3.根据权利1所述的基于线阵CCD的颗粒粒径分布测量装置，其特征在于，所述待测颗粒悬浮在装有溶剂的比色皿中或喷洒并悬浮在空中。

4.根据权利1所述的基于线阵CCD的颗粒粒径分布测量装置，其特征在于，所述4-f透镜组滤波模块包括焦距相同的第一透镜和第二透镜，还包括反射镜，所述第一透镜与第二透镜之间的距离等于两倍焦距，反射镜的中心位于第一个透镜的焦平面位置且反射镜倾角为45°，第一透镜至第二透镜系统光轴转向90°；

所述反射镜的中心区域透光，其它区域反射光线。

5.根据权利4所述的基于线阵CCD的颗粒粒径分布测量装置，其特征在于，所述反射镜的中心区域的半径为0.1mm-0.5mm。

6.根据权利1所述的基于线阵CCD的颗粒粒径分布测量装置，其特征在于，所述区域强度衰减模块包括光学玻璃基板和偏振薄膜，所述偏振薄膜贴附在玻璃基板上，并覆盖一半的玻璃基板，所述偏振薄膜的检偏方向与入射激光的偏振方向夹角为70°-80°。

7.根据权利6所述的基于线阵CCD的颗粒粒径分布测量装置，其特征在于，所述偏振薄膜偏振衰减引起的透射率为0.03-0.1。

8.根据权利1所述的基于线阵CCD的颗粒粒径分布测量装置，其特征在于，所述线阵CCD方向垂直或者平行于入射激光偏振方向，并处在所述汇聚透镜的焦平面上，线阵CCD的中心处于系统光轴中心处。

9.根据权利1所述的基于线阵CCD的颗粒粒径分布测量装置，其特征在于，所述信号采集和处理模块包括驱动电路、微处理器、显示屏；

所述驱动电路完成信号放大的功能；

所述微处理器包括用于模数转换和数据采集的数据采集卡，还包括用于控制信号采集和计算粒径分布的软件程序；

所述显示屏用于显示测量数据和粒径分布结果。

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