CN102818759A - 一种基于光散射的湿性颗粒形状参数在线测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光散射的湿性颗粒形状参数在线测量系统，用于实时测量流经测量管道的流体中的湿性颗粒的形状参数，包括：激光器，其产生用于对湿性颗粒进行照射的连续激光；抛物面反射镜，其具有呈抛物面的反射面，其焦点位于测量管道的中心轴线上，连续激光经该反射面反射后汇聚于焦点处，使得在该焦点处的湿性颗粒产生散射光；ICCD探测器，散射光经所述抛物面反射镜反射后平行入射到其上，该ICCD探测器获取湿性颗粒的散射图案，输入到计算机处理得到该湿性颗粒的三维体散射函数，通过基于模板库匹配的反演算法，可获得湿性颗粒的形状参数。本发明还公开了一种湿性颗粒形状参数在线测量方法。本发明弥补现有光散射式粒度测量法的不足，测量精度高，可以实现在线测量。

Description

一种基于光散射的湿性颗粒形状参数在线测量系统及方法

技术领域

本发明属于光学测量领域，具体涉及一种湿性颗粒的形状参数的在线测量装置及应用该装置的测量方法。

背景技术

颗粒的形状参数（包括粒径）是颗粒几何特性中最为重要的参数，在海洋微生物探测、环境监测、医药、化工等众多领域有广泛的应用。

传统的测量颗粒形状参数的方法有直接观察法、沉降法、筛分法等。随着激光技术、光电探测技术和计算机技术的发展，基于光散射原理的颗粒粒度测量方法得到了极大发展。用激光散射法测量颗粒粒度，具有可测粒径范围宽、操作方便、响应速度快等优势，已被广泛应用于海洋微生物探测、环境监测、医药、化工等众多领域。

目前介于微米和亚微米的光散射式粒度测量方法主要有动态光散射法和静态光散射法。

动态光散射法通过测量颗粒在某一角度下的散射光强度随时间的变化，由面阵数字相机或摄像机连续记录颗粒的动态光散射信号；或是控制相机的快门速度，拍摄颗粒布朗运动造成的散射光点的运动轨迹线，并送入计算机，根据颗粒的布朗运动理论和Stocks-Einstein公式进行处理，得到颗粒的粒度分布。该方法的测量下限可达纳米级，上限3～5微米，测量范围不够宽，仅能得到颗粒的流体力学半径，不能得到颗粒形状等参数。

静态光散射法通过测量颗粒的静态散射光强分布，根据Mie理论进行处理，得到颗粒的粒度分布，测量范围在亚微米到数百微米。已有的大角度散射光强分布测量装置有两大类型：一种是在不同方位放置多个光电接收器，探测各个角度的散射光强，缺点在于结构复杂，用到多个光电接收器的一致性差，影响测量精度；另一种是利用一个或多个探测器，通过使接收系统旋转或沿导轨滑动等方法，逐点探测各个散射角上的光强，缺点是测量过程中有机械运动，测量速度慢，不适于实时在线测量。

另外，现有的静态光散射反演算法是基于Mie散射理论，它是以经典的波动光学理论为基础，在适当的边界条件下，求解迈克斯韦方程组，得到均匀球形颗粒的散射场分布。然而在实际应用中，很多被测颗粒为非球形。如果用球形颗粒模型近似，测量误差较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光散射的湿性颗粒形状参数在线测量系统，可适用于非球形颗粒的测量，测量速度快，精度高。

实现本发明目的所采用的具体技术方案如下。

一种基于光散射的湿性颗粒形状参数在线测量系统，用于实时测量位于测量管道流体中的湿性颗粒的形状参数，其特征在于，该测量系统包括：

激光器，其产生用于对湿性颗粒进行照射的连续激光；

抛物面反射镜，其具有呈抛物面的反射面，该反射面的焦点位于测量管道的中心轴线上，所述连续激光经该反射面反射后汇聚于焦点处，位于该焦点处的湿性颗粒产生散射光；

ICCD探测器，所述散射光经所述抛物面反射镜反射后平行入射到其上，该ICCD探测器获取该湿性颗粒的散射图案，经处理得到该湿性颗粒的三维体散射函数，即可获得所述湿性颗粒的形状参数。

所述测量系统还包括具有PIN管的光电探测及信号发生电路，所述湿性颗粒产生的散射光一部分入射到该PIN管上产生电信号，该光电探测及信号发生电路根据电信号产生数字触发信号用于控制所述ICCD探测器的启闭。

作为本发明的改进，所述PIN管前设置有斜置聚光透镜，湿性颗粒产生的散射光一部分通过其会聚后入射到所述PIN管上。

作为本发明的改进，所述抛物面反射镜和ICCD探测器之间设置有望远镜物镜组，所述抛物面反射镜反射后的平行光经该望远镜镜组进行光束束宽压缩，再入射到ICCD探测器上。

作为本发明的改进，所述望远镜镜组的共焦平面上还设置有空间滤波器，用于滤去杂散光。

作为本发明的改进，所述抛物面镜和望远镜物镜之间还设置有第一平面反射镜，用于将所述抛物面反射镜反射后的平行光中的一部分导向离开ICCD探测器，使其不被探测器接收，以避免该ICCD探测器饱和。

作为本发明的改进，所述测量系统还包括第二平面反射镜，所述连续激光经该第二平面反射镜反射后入射到抛物面反射镜的反射面上。

作为本发明的改进，所述激光器之前设置有准直透镜和非线性衰减片，激光器产生的连续激光先经该准直透镜和非线性衰减片进行整形和功率调节后再入射到抛物面反射镜。

作为本发明的改进，所述抛物面反射镜镜腔中充满折射率与测量管道管壁折射率相等的折射率匹配溶液，用于减弱管壁产生的杂散光。

作为本发明的改进，所述抛物面反射镜侧壁上有两个通孔与抛物面焦点共线，测量管道从侧壁通孔中穿过，被测流体经测量管道进入测量区域。

本发明的测量管道的中心部分位于抛物面反射镜镜腔的焦点处，此处为颗粒的测量区域。激光器发出的激光经整形和功率调节后，被平面镜和抛物面镜反射，会聚于抛物面镜镜腔的焦点位置。当被测流体中有颗粒进入测量区域时，PIN管探测到前向小角度散射光，通过电路触发ICCD探测器。散射光入射到抛物面反射镜，反射后变为平行光束，束宽压缩后由ICCD探测器接收。ICCD接收的三维散射信息传递至计算机进行处理，得到颗粒的三维体散射函数，并可反演出颗粒的粒径、形状参数。

本发明的抛物面反射镜内腔为开口竖直向上的旋转抛物面，材料为反射率很高的金属材料。侧壁上有两个通孔与抛物面焦点共线，测量管道从侧壁水平穿过，且中心部分位于抛物面焦点处。

本发明的连续激光器，可连续输出功率稳定的单模激光，是测量系统的入射光源。入射光经平面镜反射后，竖直向下入射到抛物面镜上，再经抛物面镜反射，沿水平方向入射到抛物面镜镜腔的焦点位置。若在入射光路中加入起偏器，可以测量颗粒的偏振光散射特性。

本发明的斜置聚光透镜，在有颗粒散射光时，收集并会聚某一前向小角度区域的散射光，被PIN管接收。

本发明的光电探测器ICCD，作为散射信号接收装置，带有像增强功能，适合探测弱光信号，并具有电控快门，可由光电探测及信号发生电路触发。

本发明还公开了一种基于光散射的湿性的形状参数在线测量方法，具体步骤如下：

（1）开启激光器，预热激光器至输出功率稳定。使被测流体从管道中流过，抛物面反射镜镜腔中加入折射率匹配溶液（折射率与管道壁折射率相等），使管道浸没在折射率匹配溶液中。

（2）关闭实验环境中其它光源，人工触发ICCD探测器，获取无被测颗粒时的水体散射图案（即背景图案）。

（3）开启包含PIN管的光电探测电路，当有颗粒进入测量区域时，系统自动触发ICCD探测器，获取被测颗粒的散射图案。

（4）通过计算机处理，用背景图案对测得的散射图案进行修正，根据ICCD像素与抛物面反射镜面积元的几何对应关系，得到颗粒的三维体散射函数。

（5）采用模板匹配的方法进行计算机反演，得到颗粒的粒径、形状参数。

本发明使用一个ICCD探测器测量一次性获取大角度散射光强分布，避免了使用多个探测器时存在的探测偏差问题，测量精度高，速度快，操作简单，实现了在线测量，并可用于非球形颗粒的粒径、形状反演。

附图说明

图1是本发明的体散射函数测量系统的结构示意图。

图2是本发明的抛物面反射镜结构示意图。

图3是本发明的测量系统俯视图。

图4是体散射函数坐标系示意图。

图中：1.连续激光器 2.准直透镜 3.非线性衰减片 4.抛物面反射镜 5.平面反射镜 6.测量管道 7.斜置聚光透镜 8.包含PIN管的光电探测及信号发生电路 9.望远物镜组 10.空间滤波器 11.望远目镜组 12.滤光片 13.ICCD探测器 14.计算机 15.平面反射镜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明不仅限于该实施例。

本实施例中的一种湿性颗粒形状参数在线测量系统，包括连续激光器1、抛物面反射镜4、测量管道6、ICCD探测器13、斜置聚光透镜7、包含PIN管的光电探测及信号发生电路8和计算机14。

如图1所示，测量管道6的中心部分位于抛物面反射镜4镜腔的焦点处，此处为颗粒的测量区域。激光器1发出的激光经整形和功率调节后，被平面镜5和抛物面镜4反射，会聚于抛物面镜4镜腔的焦点位置。当被测流体中有颗粒进入测量区域时，PIN管8探测到前向小角度散射光，通过电路触发ICCD探测器13。散射光入射到抛物面反射镜4，反射后变为平行光束，束宽压缩后由ICCD探测器13接收。ICCD13接收的三维散射信息传递至计算机14进行处理，得到颗粒的三维体散射函数，并可反演出颗粒的粒径、形状参数。

抛物面反射镜4内腔为开口竖直向上的旋转抛物面，材料为反射率很高的金属材料。侧壁上有两个通孔与抛物面焦点共线，测量管道从侧壁水平穿过，且中心部分位于抛物面焦点处。

连续激光器1，可连续输出功率稳定的单模激光，是测量系统的入射光源。入射光经平面镜5反射后，竖直向下入射到抛物面镜4上，再经抛物面镜4反射，沿水平方向入射到抛物面镜4镜腔的焦点位置。若在入射光路中加入起偏器，可以测量颗粒的偏振光散射特性。

斜置聚光透镜7，在有颗粒散射光时，收集并会聚某一前向小角度区域的散射光，被PIN管8接收。

光电探测器ICCD13，作为散射信号接收装置，带有像增强功能，适合探测弱光信号，并具有电控快门，可由光电探测及信号发生电路8触发。

在本发明的测量系统中，由于探测器的动态范围固定，在入射光路中加入了非线性衰减片3调整入射光的强度，使探测器可工作在线性区，避免饱和。

在抛物面镜4和望远镜物镜9之间加入平面镜15，使未被散射的入射光不被探测器13接收，避免探测器饱和。

由于探测器13的接收面积远小于上述平行散射光束的横截面积，因此在探测器13与抛物面反射镜4之间加入望远镜镜组9、11，压缩光束束宽至能被探测器13完全接收。同时，在镜组的共焦平面上加入空间滤波器10，滤去杂散光。

本发明在调整光路完成后，湿性颗粒形状参数在线测量的具体步骤为：

（1）开启激光器1，预热激光器1至输出功率稳定。使被测流体从管道6中流过，抛物面反射镜4镜腔中加入折射率匹配溶液（折射率与管道壁折射率相等），使管道6浸没在折射率匹配溶液中。

（2）关闭实验环境中其它光源，人工触发ICCD探测器13，获取无被测颗粒时的水体散射图案（即背景图案）。

（3）开启包含PIN管的光电探测电路8，当有颗粒进入测量区域时，系统自动触发ICCD探测器13，获取被测颗粒的散射图案。

（4）通过计算机处理，用背景图案对测得的散射图案进行修正，根据ICCD像素与抛物面反射镜面积元的几何对应关系，得到颗粒的三维体散射函数。

体散射函数描述不同方向上的散射光强。三维体散射函数可表示为β(θ，φ，r)，其中θ为散射角，φ为方位角，r为探测点与颗粒之间的距离。如图4所示，以颗粒所在位置为原点建立右手坐标系，入射光为沿Z轴正方向的平行光，X轴竖直向上，XOZ平面为入射面。散射光与入射光的夹角即与Z轴夹角θ为散射角；散射光与入射光所在的平面与入射面的夹角φ为方位角。本测量装置中，各探测点到被测颗粒的光程相同，故可忽略r的影响。用散射光与入射光强度的比值表示体散射函数，则体散射函数可写为I(θ，φ)。

按上述步骤，由计算机对ICCD获取的图案进行处理。设步骤（2）获取的背景图案为A，步骤（3）获取的散射图案为B，用背景图案A修正散射图案B，得到修正后的散射图案C。散射图案C上单个像素对应ICCD的一个像素，该像素接收到的是抛物面反射镜上某个微面元S上的散射光。近似认为对应微面元上光强均匀分布，采用与体散射函数I(θ，φ)定义中相同的坐标系，微面元中心位于(θ_ave,φ_ave)处，散射光光强为I(θ_ave,φ_ave)，则ICCD单个像素采集光强为

$I\left(S\right)\≈\underset{S}{\∫\∫}I({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ave}},{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ave}})\mathrm{dS}=I({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ave}},{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ave}})\underset{S}{\∫\∫}\mathrm{dS}$

式中，是抛物面反射镜上对应微面元的面积，可根据抛物球面的曲面方程计算得出。

由此可以得到体散射函数

$I({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ave}},{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ave}})=\frac{I\left(S\right)}{\underset{S}{\∫\∫}\mathrm{dS}}$

本实施例中为了减弱管壁6杂散光对测量结果的影响，选择折射率匹配溶液作为缓冲介质填满抛物面反射镜。可以通过数字图像处理的方式进一步减小杂散光影响。

此外，本实施例采用非线性衰减片调节衰减系数法压缩动态范围，相应的，必须将衰减系数引入体散射函数复原算法中。

（5）采用模板匹配的方法进行计算机反演，得到颗粒的形状参数。

预先建立颗粒体散射函数样本数据库。在被测颗粒粒径和形状变化范围内，设定合适的增量步长，计算不同颗粒在测量系统所用入射光照射下的体散射函数。球形颗粒的体散射函数可以用Mie理论计算，非球形颗粒的体散射函数可以用T-Matrix或离散偶极子近似法计算。对每个颗粒计算N个不同方向上的散射光强I(θ₁,φ₁)、I(θ₂,φ₂)、……、I(θ_N,φ_N)，并存入数据库，其中N为正整数，表示方向的个数。将测量得到的体散射函数I_measured(θ_n,φ_n)与数据库中每个颗粒的体散射函数I_simulated(θ_n,φ_n)进行比较，具体通过如下公式进行比较：

$A=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[I_{\mathrm{measured}}({\mathrm{\θ}}_n,{\mathrm{\φ}}_n)-I_{\mathrm{simulated}}({\mathrm{\θ}}_n,{\mathrm{\φ}}_n)]}^2}{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left[I_{\mathrm{simulated}}({\mathrm{\θ}}_n,{\mathrm{\φ}}_n)\right]}^2}$

将互相关度最大的一组体散射函数值对应的颗粒粒径、形状作为被测颗粒的形状参数。式中，N为散射光方向的个数。

Claims (10)

1.一种基于光散射的湿性颗粒形状参数在线测量系统，用于实时测量流经测量管道（6）的流体中的湿性颗粒的形状参数，其特征在于，该测量系统包括：

激光器（1），其产生用于对所述湿性颗粒进行照射的连续激光；

抛物面反射镜（4），其具有呈抛物面的反射面，该反射面的焦点位于所述测量管道（6）的中心轴线上，所述连续激光经该反射面反射后汇聚于焦点处，使得在该焦点处的湿性颗粒产生散射光；

ICCD探测器（13），所述散射光经所述抛物面反射镜（4）反射后平行入射到其上，该ICCD探测器（13）获取该湿性颗粒的散射图案，经处理可得到该湿性颗粒的三维体散射函数，从而即可获得所述湿性颗粒的形状参数。

2.根据权利要求1所述的基于光散射的湿性颗粒形状参数在线测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括具有PIN管的光电探测及信号发生电路（8），所述湿性颗粒产生的散射光一部分入射到该PIN管上产生电信号，该光电探测及信号发生电路（8）根据该电信号产生数字触发信号，以用于控制所述ICCD探测器（13）的打开和关闭。

3.根据权利要求1或2所述的基于光散射的湿性颗粒形状参数在线测量系统，其特征在于，所述抛物面反射镜（4）和ICCD探测器（13）之间设置有望远镜物镜组（9、11），所述抛物面反射镜（4）反射后的平行光经该望远镜镜组（9、11）进行光束束宽压缩后，再入射到所述ICCD探测器（13）上。

4.根据权利要求3所述的基于光散射的湿性颗粒形状参数在线测量系统，其特征在于，所述抛物面镜（4）和望远镜物镜组（9、11）之间还设置有第一平面反射镜（15），用于将所述抛物面反射镜（4）反射后的平行光中的一部分导向离开所述ICCD探测器（13），使其不被该ICCD探测器（13）接收，以避免其饱和。

5.根据权利要求1-4之一所述的基于光散射的湿性颗粒形状参数在线测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括第二平面反射镜（5），所述连续激光经该第二平面反射镜（5）反射后再入射到抛物面反射镜（4）的反射面上。

6.根据权利要求1-5之一所述的基于光散射的湿性颗粒形状参数在线测量系统，其特征在于，所述抛物面反射镜（4）镜腔中充满折射率与测量管道（6）管壁折射率相等的折射率匹配溶液，用于减弱管壁产生的杂散光。

7.一种基于光散射的湿性颗粒形状参数在线测量方法，包括如下步骤：

（1）设置抛物面反射镜（4），并在其镜腔中加入折射率与管道壁折射率相等的折射率匹配溶液，测量管道（6）穿过该抛物面反射镜（4）后浸没在折射率匹配溶液中，其中心轴线穿过该抛物面反射镜（4）的焦点，该测量管道（6）用于流过带有湿性颗粒的流体；

（2）获取无被测颗粒时的流体流经所述测量管道（6）的散射图案即背景图案；

（3）利用连续激光对位于抛物面反射镜（4）焦点处的湿性颗粒进行照射，并开启包含PIN管的光电探测电路（8），触发ICCD探测器（13）获取被测颗粒的散射图案；

（4）利用所述背景图案对测得的散射图案进行修正，并根据ICCD探测器（13）的ICCD像素与抛物面反射镜（4）的镜面积元的几何对应关系，获得颗粒的三维体散射函数；

（5）根据该三维体散射函数进行反演，即可得到湿性颗粒的形状参数。

8.根据权利要求7所述的在线测量方法，其特征在于，所述的三维体散射函数为：

$I({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ave}},{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ave}})=\frac{I\left(S\right)}{\underset{S}{\∫\∫}\mathrm{dS}}$

式中，I(S)为ICCD探测器单个像素采集光强，(θ_ave,φ_ave)为抛物面反射镜上对应微面元中心的坐标，

为抛物面反射镜上对应微面元的面积。

9.根据权利要求7或8所述的在线测量方法，其特征在于，所述反演得到湿性颗粒的形状参数的过程为：

对被测颗粒计算其在多个不同方向上的散射光强，进而得到颗粒的体散射函数；

将测量得到的体散射函数与样本数据库中各颗粒的体散射函数进行比较；

将互相关度最大的一组体散射函数对应的颗粒的形状参数作为被测颗粒的形状参数。

10.根据权利要求8或9所述的在线测量方法，其特征在于，所述比较通过如下公式进行：

$\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[I_{\mathrm{measured}}({\mathrm{\θ}}_n,{\mathrm{\φ}}_n)-I_{\mathrm{simulated}}({\mathrm{\θ}}_n,{\mathrm{\φ}}_m)]}^2}{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left[I_{\mathrm{simulated}}({\mathrm{\θ}}_n,{\mathrm{\φ}}_n)\right]}^2}$

式中，I_measured(θ_n,φ_n)为测量得到的体散射函数，I_simulated(θ_n,φ_n)为样本数据库中颗粒的体散射函数。

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