CN102353621A - 一种光散射颗粒测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光散射颗粒测量装置及方法，装置依次设置发散光束模块、测量区、接收透镜、多元光电探测器、透射光探测器、信号处理电路和模数转换器，测量区中的颗粒被发散光束照射，散射光与透射光同时被接收透镜收集，散射光投射到多元光电探测器的各个探测单元，得到散射光分布信号，入射光中未被散射的部分光被透射光探测器接收，得到透射光信号，信号处理电路和模数转换器对散射光分布信号和透射光信号进行放大、采集和转换，根据散射光分布信号和透射光信号计算得到颗粒粒径分布和浓度信息。本发明的有益效果是，解决了测量区与探测器过近引起的信号干扰问题，降低颗粒测量下限，可用于颗粒测量的多个领域。

Description

一种光散射颗粒测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种颗粒测量方法和装置，特别涉及一种光散射颗粒测量装置及方法。可用于科学研究、生物医药、化工能源、环境保护等涉及颗粒测量的多个领域。

背景技术

在光散射颗粒测量技术中，前向散射颗粒测量技术是发展最早、发展最成熟的一种测量技术，以衍射理论或者经典的米氏散射理论为理论基础。其测量装置一般包含了激光器(或者其他单色光源)1、由第一透镜2、小孔光阑3和第二透镜4组成的准直器、测量区5、接收透镜6、多元光电探测器7、透射光探测器8、信号处理电路和模数转换器9，如图1所示。多元光电探测器各探测单元为同心环状或圆弧状结构，其中心设置一个小孔，在小孔后安置一个光电探测器用于透射光探测。其特征是，采用平行光照射位于测量区中的颗粒，多元光电探测器位于接收透镜后方的焦平面上，颗粒的散射光由接收透镜收集并投射到多元光电探测器上，探测器上的散射光信号分布与入射光波长、颗粒粒径大小、颗粒折射率和接收透镜的焦距有关，这种测量系统被称为传统的傅立叶变换系统。其优点是，在接收透镜的口径足够大的情况下，测量区在系统中的位置(即测量区离开接收透镜的距离)与所得到的散射光分布信号无关。其缺点是，由于工艺上的限制，接收透镜的焦距                                                

不可能很小，因此，难以对约1微米以下小粒径颗粒实施测量。

20世纪后期，为了满足日益增加的测量小颗粒的需求，提出了一种新的前向散射颗粒测量技术。其方法是，将测量区安置在会聚的同心光束中，并在会聚光束的光束中心(或者称作焦点)所在平面设置多元光电探测器，如图2所示。激光器1发出的激光束经第一透镜2、小孔光阑3和第二透镜4后形成会聚光束，位于测量区5中的颗粒被会聚光束照射并产生散射和吸收，散射光被多元光电探测器7的各个探测单元接收，得到散射光分布信号，透射光穿过多元光电探测器的中心小孔并被安装在小孔后面的透射光探测器8接收，得到透射光信号。这种探测系统被称为逆向傅立叶变换系统，该技术的提出者德国Fritsch公司称之为Reverse Fourier Optics，并被写入标准ISO 13320-1中。其特征是，测量区与光电探测器之间的距离构成了探测系统的等效焦距

，散射光分布信号与探测系统的等效焦距有关。因此，改变测量区与光电探测器之间的距离可以得到不同的散射光分布信号。其优点是，可以改变测量区在光束中的位置，得到各个不同的等效焦距，从而对不同粒径范围的颗粒实施测量；尤其是可以得到比较小的等效焦距，从而可测量比较小的颗粒，克服了传统傅立叶变换系统的缺点。其缺点是，当测量区与光电探测器之间的距离很近时，散射光信号在探测器和测量区表面之间发生多次反射，对散射光分布信号的测量产生干扰，导致测量结果出现较大的误差。

发明内容

本发明的目的是解决逆向傅立叶变换系统中测量区与探测器表面之间散射光多次反射引起的干扰问题，实现对小粒径颗粒的粒径分布和浓度的同时测量。

本发明的技术方案是，一种光散射颗粒测量装置，其特征在于，该装置依次设置发散光束模块、测量区、接收透镜、多元光电探测器、透射光探测器、信号处理电路和模数转换器，所述的测量区位于由发散光束模块产生的作为入射光束的发散光束中，位于测量区中的颗粒被发散光束照射，颗粒对入射光散射和吸收，发出散射光并导致入射光穿过测量区时光强减弱，入射光中未被散射和吸收的部分称作透射光，散射光与透射光同时被接收透镜收集，散射光投射到多元光电探测器的各个探测单元，得到散射光分布信号，入射光束中未被散射的部分光即透射光穿过多元光电探测器的中心小孔并被安装在小孔后面的透射光探测器接收，得到透射光信号，信号处理电路和模数转换器对散射光分布信号和透射光信号进行放大、采集和转换，根据散射光分布信号和透射光信号计算得到颗粒粒径分布和浓度信息。

一种光散射颗粒测量方法，其特征在于，具体步骤为：

1）根据权利要求1所述光散射颗粒测量装置的等效焦距

为

                                                                                     (1)

式中：

为发散光束的中心与接收透镜之间的距离；为接收透镜的焦距；

为测量区与接收透镜之间的距离；

2）根据等效焦距

，求得光散射颗粒测量装置中多元光电探测器的各个探测单元所对应的散射角范围：

用于接收散射光信号的多元光电探测器为同心的环状或者圆弧状结构，以半圆环状多元光电探测器为例，设探测器有M个探测单元，其中第i

个单元的外半径和内半径分别为

和

，则该探测单元所对应的散射角

范围为：

                                    （2）

3）计算多元光电探测器第i单元上的散射光信号和颗粒粒径分布：

一般情况下，待测颗粒系统中包含各种不同粒径的颗粒，设颗粒粒径分布满足

，其中

表示某个颗粒粒径，对应的体积分布量为

，则多元光电探测器第i单元上的散射光信号可由下式计算：

                                                (3)

其中，

是一个常数，

是粒径为

的颗粒的散射光强度函数，可由米氏散射理论或衍射近似理论计算得到，公式(3)可以写成

                                                                                (4)

                                                        (5)

公式(4)是一个线性方程组，其中

可以根据测量装置的参数由米氏散射理论或衍射近似理论计算得到，

由多元光电探测器各单元测量得到。因此，通过求解线性方程组(4)，可以得到颗粒粒径分布

；

     4）求得颗粒的体积浓度

：

通过设置在多元光电探测器中心小孔后面的透射光探测器，测量入射光和透射光强度可得透过率T，再由以下公式计算得到颗粒的体积浓度：

                                             (6)

其中L为测量区厚度、

为消光系数由米氏理论计算。

根据公式(1)，等效焦距由发散光束的中心与透镜之间的距离、透镜焦距

和测量区与透镜之间距离

确定。当测量区与透镜之间距离很小时，等效焦距

较大，逐渐接近透镜焦距

；当测量区与透镜之间距离很大且接近时，等效焦距

较小。根据公式(2)，所探测散射光信号的散射角范围由多元光电探测器的各探测单元的尺寸和等效焦距决定。因此，改变测量区在探测系统中的位置，可以灵活改变探测系统的等效焦距，即改变了探测信号的散射角范围，从而改变了颗粒粒径的测量范围。特别是，当测量区靠近发散光束的光束中心时，等效焦距很小，所对应的散射角范围很大，因此，可实现对小粒径颗粒的测量。采用可见光光波段的入射光、多元光电探测器最外侧探测单元的尺寸为数十毫米时，可测量的粒径范围从约0.2微米至数千微米。本发明的有益效果是，解决了现有方法中测量区与探测器过近引起的信号干扰问题，从而可有效地降低颗粒测量下限。可用于科学研究、生物医药、化工能源、环境保护等涉及颗粒测量的多个领域。

附图说明

图1为传统的傅立叶变换系统，平行光照射下的颗粒散射测量装置原理示意图；

图2为逆向傅立叶变换系统，会聚光照射下的颗粒散射测量装置原理示意图；

图3 为本发明光散射颗粒测量装置原理示意图；

图4 发散光束模块实施例1；

图5 发散光束模块实施例2。

具体实施方式

一种光散射颗粒测量装置，由图3所示，其特征在于，该装置依次设置发散光束模块10、测量区5、接收透镜6、多元光电探测器7、透射光探测器8、信号处理电路和模数转换器9，所述的发散光束模块10发出作为入射光束的发散光束，测量区5位于光束中心A和接收透镜6之间，位于测量区5中的颗粒被发散光束照射，颗粒对入射光散射和吸收，发出散射光并导致入射光穿过测量区时光强减弱，入射光中未被散射和吸收的部分称作透射光，散射光与透射光同时被接收透镜6收集，散射光投射到多元光电探测器7的各探测单元，由此得到散射光分布信号，入射光束中未被散射的部分光穿过多元光电探测器7的中心小孔，并被安装在小孔后面的透射光探测器8接收，得到透射光信号，信号处理电路和模数转换器9将散射光分布信号和透射光信号放大处理后转换成数字信号，根据散射光分布信号和透射光信号计算得到颗粒粒径分布和浓度信息。

一种光散射颗粒测量方法，其特征在于，具体步骤为：

1）根据权利要求1所述光散射颗粒测量装置的等效焦距为

                                                                                     (1)

由图3所示，式中：

为发散光束的中心A与接收透镜6之间的距离；

为接收透镜6的焦距；

为测量区5与接收透镜6之间的距离；

2）根据等效焦距

，求得光散射颗粒测量装置中多元光电探测器7的各个探测单元所对应的散射角范围：

用于接收散射光信号的多元光电探测器7为同心的环状或者圆弧状结构，以半圆环状多元光电探测器为例，设探测器有M个探测单元，其中第i

个单元的外半径和内半径分别为和

，则该探测单元所对应的散射角

范围为：

                                    （2）

3）计算多元光电探测器7第i单元上的散射光信号和颗粒粒径分布：

一般情况下，待测颗粒系统中包含各种不同粒径的颗粒，设颗粒粒径分布满足

，其中

表示某个颗粒粒径，对应的体积分布量为

，则多元光电探测器7第i单元上的散射光信号可由下式计算：

                                                (3)

其中，

是一个常数，

是粒径为

的颗粒的散射光强度函数，可由米氏散射理论或衍射近似理论计算得到，公式(3)可以写成

                                                                                (4)

                                                        (5)

公式(4)是一个线性方程组，其中

可以根据测量装置的参数由米氏散射理论或衍射近似理论计算得到，

由多元光电探测器7各单元测量得到。因此，通过求解线性方程组(4)，可以得到颗粒粒径分布

；

     4）求得颗粒的体积浓度

：

通过设置在多元光电探测器7中心小孔后面的透射光探测器8，测量入射光和透射光强度可得透过率T，再由以下公式计算得到颗粒的体积浓度

：

                                             (6)

其中L为测量区厚度、

为消光系数由米氏理论计算。

 

本发明的发散光束模块实施例1：

如图4所示，所述的发散光束模块10包括激光器1、第一透镜2、小孔光阑3和第二透镜4，激光器1输出的激光束依次经第一透镜2、小孔光阑3和第二透镜4被扩束并形成一束会聚的高斯光束，会聚的高斯光束经过束腰即光束中心A后为发散光。

选择第一透镜2和第二透镜4二个透镜的焦距并调整它们的位置可形成不同张角的发散光束，小孔光阑3起空间滤波作用，用以去除杂散光。

本发明的发散光束模块实施例2：

如图5所示，所述的发散光束模块10包括单色点光源11、反射抛物面12和单色点光源后依次设置的限束光阑13和小孔滤波光阑14，单色光源11位于反射抛物面12的一个焦点上，单色点光源11发出的光经反射抛物面12反射后会聚于抛物面的另一个焦点上，然后形成发散光束，该焦点就是发散光束的光束中心A，小孔滤波光阑14设置在发散光束的光束中心上，限束光阑13决定发散光束的张角，小孔滤波光阑14滤除杂散光。

以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡依本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (4)

1.一种光散射颗粒测量装置，其特征在于，该装置依次设置发散光束模块、测量区、接收透镜、多元光电探测器、透射光探测器、信号处理电路和模数转换器，所述的测量区位于由发散光束模块发出作为入射光束的发散光束中，位于测量区中的颗粒被发散光束照射，颗粒对入射光散射和吸收，发出散射光并导致入射光穿过测量区时光强减弱，入射光中未被散射和吸收的部分称作透射光，散射光与透射光同时被接收透镜收集，散射光投射到多元光电探测器的各个探测单元，得到散射光分布信号，入射光束中未被散射的部分光即透射光穿过多元光电探测器的中心小孔并被安装在小孔后面的透射光探测器接收，得到透射光信号，信号处理电路和模数转换器对散射光分布信号和透射光信号进行放大、采集和转换，根据散射光分布信号和透射光信号计算得到颗粒粒径分布和浓度信息。

2.根据权利要求1所述的光散射颗粒测量装置，其特征在于，所述的发散光束模块由激光器、第一透镜、小孔光阑和第二透镜组成，激光器输出的激光束依次经第一透镜、小孔光阑和第二透镜被扩束并形成一束会聚的高斯光束，会聚的高斯光束经过束腰即光束中心后为发散光，通过第一透镜和第二透镜二个透镜的焦距选择并调整二个透镜的位置形成不同张角的发散光束，小孔光阑起空间滤波作用，用以去除杂散光。

3.根据权利要求1所述的光散射颗粒测量装置，其特征在于，所述的发散光束模块包括单色点光源、反射抛物面和单色光源后依次设置的限束光阑和小孔滤波光阑，单色点光源位于反射抛物面的一个焦点上，单色点光源发出的光经反射抛物面反射后会聚于抛物面的另一个焦点上，然后形成发散光束，该焦点就是发散光束的光束中心，小孔滤波光阑设置在发散光束的光束中心上，限束光阑决定发散光束的张角，小孔滤波光阑滤除杂散光。

4.一种光散射颗粒测量方法，其特征在于，具体步骤为：

1）根据权利要求1所述光散射颗粒测量装置的等效焦距                                               

为

                                                                                        (1)

式中：

为发散光束的中心与接收透镜之间的距离；

为接收透镜的焦距；

为测量区与接收透镜之间的距离；

2）根据等效焦距，求得光散射颗粒测量装置中多元光电探测器的各个探测单元所对应的散射角范围：

用于接收散射光信号的多元光电探测器为同心的环状或者圆弧状结构，以半圆环状多元光电探测器为例，设探测器有M个探测单元，其中第i

个单元的外半径和内半径分别为

和

，则该探测单元所对应的散射角

范围为：

                                    （2）

3）计算多元光电探测器第i单元上的散射光信号和颗粒粒径分布：

一般情况下，待测颗粒系统中包含各种不同粒径的颗粒，设颗粒粒径分布满足

，其中

表示某个颗粒粒径，对应的体积分布量为

，则多元光电探测器第i单元上的散射光信号可由下式计算：

                                                (3)

其中，

是一个常数，是粒径为的颗粒的散射光强度函数，可由米氏散射理论或衍射近似理论计算得到，公式(3)可以写成

                                                                                (4)

                                                    (5)

公式(4)是一个线性方程组，其中

可以根据测量装置的参数由米氏散射理论或衍射近似理论计算得到，

由多元光电探测器各单元测量得到，因此，通过求解线性方程组(4)，可以得到颗粒粒径分布

；

     4）求得颗粒的体积浓度

：

通过设置在多元光电探测器中心小孔后面的透射光探测器，测量入射光和透射光强度可得透过率T，再由以下公式计算得到颗粒的体积浓度：

                                             (6)

其中L为测量区厚度、

为消光系数由米氏理论计算。

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