CN102890051A - 基于光纤式动态光散射互相关技术的颗粒测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤式动态光散射互相关技术的颗粒测量方法及装置。激光器与样品池内的第一光纤探针构成入射光路，在样品池内的第二光纤探针与第一光纤探针构成散射光路，散射光经耦合器、第一、第二光探测器后、再经数字相关器和微机构成动态散射光信号探测与处理单元。激光通过第一光纤探针照射到颗粒样品池中，颗粒将激光进行散射，散射光经第二光纤探针接收，通过耦合器分光后进入到两个光探测器中转换成脉冲信号读入微机求出粒径。省去了传统的光学元件,使得系统体积大大减小，更重要的是光纤探针可以直接插入样品溶液中,又可对高浓度样品进行直接测量,实现了工业生产的在线监测和远距离测控。

Description

基于光纤式动态光散射互相关技术的颗粒测量方法及装置

技术领域

本发明涉及以采用光学方法为特征的计量方法及装置，尤其是涉及一种基于光纤式动态光散射互相关技术的颗粒测量方法及装置。

背景技术

颗粒是处于分割状态下的微小固体、液体或气体。多数情况下，颗粒一词泛指固体颗粒，而液体颗粒和气体颗粒则相应地称为液滴和气泡。

在现代工业生产、国防建设和高科技领域中，颗粒材料广泛应用于医药、化工、冶金、电子、机械、轻工、食品、建筑及环保等行业。颗粒材料的许多重要特性是由颗粒的平均粒度及粒度分布参数所决定，随着科学技术的发展，颗粒粒度测量技术受到人们的普遍重视，已经逐渐发展成为现代测量学中的一个重要分支。在习惯上，为了用一维参数表示颗粒的大小，通常的颗粒粒度测量方法都引入了等效球径的概念，即将测量模型建立在被测颗粒与理想球形颗粒等效的基础之上。颗粒测量法有筛选法、显微镜法、沉降法、电感应法及光散射法等多种方法，这些方法各具特点，但受工作原理的限制，除显微镜法和光散射法中的光子相关光谱法外，其它方法一般不适于对微米以下的颗粒测量，显微镜方法和光子相关光谱法可以进行微米以下的颗粒测量，但不适于在线应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光纤式动态光散射互相关技术的颗粒测量方法及装置，进行纳米颗粒的粒径测量。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一、一种基于光纤式动态光散射互相关技术的颗粒测量方法，该方法的步骤如下：

（1）以激光器作为光源，激光由光纤传输经第一光纤探针照射到盛有颗粒的样品池内；

（2）散射光由第二光纤探针接收散射光信号；

（3）通过耦合器分光，采用光电倍增管作为光探测器，将测得的散射光信号转换成脉冲信号，该脉冲信号的频率变化反映散射光的光强波动；

（4）数字相关器根据脉冲信号计算出互相关函数，对于单分散颗粒体系，其互相关函数G₁₂(τ)的表达式为：

G₁₂（τ）＝1+β₁₂exp（-2Dq²τ）    （1）

对于多分散颗粒体系，其互相关函数G₁₂(τ)的表达式为：

$G_{12}\left(\mathrm{\τ}\right)=1+{\mathrm{\β}}_{12}{\∫}_{D\left(\min \right)}^{D\left(\max \right)}P\left(D\right)\exp (-2{D_q}^2\mathrm{\τ})\mathrm{dD}---\left(2\right)$

式中：

$D=\frac{k_{B}T}{3\mathrm{\π\ηd}}---\left(3\right)$

β₁₂为约束信噪比常数，D为颗粒布朗运动强度的平移扩散系数，P(D)为颗粒的扩散系数分布，k_B为Boltzman常数，T为绝对温度，η为溶液粘度，d为颗粒直径，q为散射矢量，τ为延迟时间，D(max)、D(max)分别代表可能的最大和最小粒子；

（5）根据互相关函数曲线确定颗粒粒径，并由微机计算出粒径大小。

二、一种基于光纤式动态光散射互相关技术的颗粒测量装置：

本发明包括激光器、样品池、第一光纤探针、第二光纤探针、耦合器、第一光探测器、第二光探测器、数字相关器和微机；激光器与样品池内的第一光纤探针构成入射光路，在样品池内的第二光纤探针与第一光纤探针构成45°散射角的散射光路，散射光经耦合器、第一光探测器和第二光探测器后、再经数字相关器和微机构成动态散射光信号探测与处理单元。

所述的第一光探测器和第二光探测器均为光电倍增管。

本发明具有的有益效果是：

与传统的系统不同,光纤式动态光散射系统是利用光纤将入射光传输到散射区,再用光纤接收颗粒产生的散射光;这样就省去了透镜、光阑等传统的光学元件,使得系统体积大大减小。更为重要的是光纤探针可以直接插入样品溶液中,对高浓度样品直接测量,实现工业生产的在线监测和远距离测控。

光纤式动态光散射，与传统的系统不同,光纤式动态光散射系统是利用光纤将入射光传输到散射区,再用光纤接收颗粒产生的散射光;这样就省去了透镜、光阑等传统的光学元件,使得系统体积大大减小。更为重要的是光纤探针可以直接插入样品溶液中,对高浓度样品直接测量,实现工业生产的在线监测和远距离测控。

附图说明

附图是基于光纤式动态光散射互相关技术的颗粒测量装置图。

图中：1、激光器，2、样品池，3、第一光纤探针，4、第二光纤探针，5、耦合器，6、第一光探测器，7、第二光探测器，8、数字相关器，9、微机。

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描述。

如附图所示，本发明包括激光器1、样品池2、第一光纤探针3、第二光纤探针4、耦合器5、第一光探测器6、第二光探测器7、数字相关器8和微机9；激光器1与样品池2内的第一光纤探针3构成入射光路，在样品池内的第二光纤探针4与第一光纤探针3构成散射光路，散射光经耦合器5、第一光探测器6和第二光探测器7后、再经数字相关器8和微机9构成动态散射光信号探测与处理单元。

所述的第一光探测器6和第二光探测器7均为Thorlabs公司的光电倍增管，数字相关器为brookheven的TurboCorr。

基于光纤式动态光散射互相关技术的颗粒测量方法如下：

（1）采用颗粒大小为102±3nm的聚乙烯溶液作为测试样品；

（2）以532nm激光器作为光源，激光由光纤传输经第一光纤探针照射到盛有颗粒溶液的样品池内；

（3）散射光由第二光纤探针接收，以45°的散射角接收散射光信号；

（4）通过耦合器分光后，光探测器将测得的散射光信号转换成脉冲信号，该脉冲信号的频率变化反映散射光的光强波动；

（5）数字相关器根据脉冲信号计算出互相关函数，互相关函数G₁₂(τ)的表达式为：

$G_{12}\left(\mathrm{\τ}\right)=1+{\mathrm{\β}}_{12}{\∫}_{D\left(\min \right)}^{D\left(\max \right)}P\left(D\right)\exp (-2{D_q}^2\mathrm{\τ})\mathrm{dD}---\left(1\right)$

式中：

$D=\frac{k_{B}T}{3\mathrm{\π\ηd}}$

β₁₂为约束信噪比常数，D为颗粒布朗运动强度的平移扩散系数，k_B为Boltzman常数，T为绝对温度，η为溶液粘度，d为颗粒直径，q为散射矢量，τ为延迟时间；

（6）根据互相关函数曲线确定颗粒粒径，并由微机计算出粒径大小。

Claims (3)

1.一种基于光纤式动态光散射互相关技术的颗粒测量方法，其特征在于该方法的步骤如下：

（1）以激光器作为光源，激光由光纤传输经第一光纤探针照射到盛有颗粒的样品池内；

（2）散射光由第二光纤探针接收散射光信号；

（3）通过耦合器分光，采用光电倍增管作为光探测器，将测得的散射光信号转换成脉冲信号，该脉冲信号的频率变化反映散射光的光强波动；

（4）数字相关器根据脉冲信号计算出互相关函数，对于单分散颗粒体系，其互相关函数G₁₂(τ)的表达式为：

G₁₂（τ）＝1+β₁₂exp（-2Dq²τ）    （1）

对于多分散颗粒体系，其互相关函数G₁₂(τ)的表达式为：

$G_{12}\left(\mathrm{\τ}\right)=1+{\mathrm{\β}}_{12}{\∫}_{D\left(\min \right)}^{D\left(\max \right)}P\left(D\right)\exp (-2{D_q}^2\mathrm{\τ})\mathrm{dD}$

式中：

$D=\frac{k_{B}T}{3\mathrm{\π\ηd}}$

β₁₂为约束信噪比常数，D为颗粒布朗运动强度的平移扩散系数，P(D)为颗粒的扩散系数分布，k_B为Boltzman常数，T为绝对温度，η为溶液粘度，d为颗粒直径，q为散射矢量，τ为延迟时间，D(max)、D(max)分别代表可能的最大和最小粒子；

（5）根据互相关函数曲线确定颗粒粒径，并由微机计算出粒径大小。

2.根据权利要求1所述方法的一种基于光纤式动态光散射互相关技术的颗粒测量，其特征在于：包括激光器（1）、样品池（2）、第一光纤探针（3）、第二光纤探针（4）、耦合器（5）、第一光探测器（6）、第二光探测器（7）、数字相关器（8）和微机（9）；激光器（1）与样品池（2）内的第一光纤探针（3）构成入射光路，在样品池内的第二光纤探针（4）与第一光纤探针（3）构成散射角的散射光路，散射光经耦合器（5）、第一光探测器（6）和第二光探测器（7）后、再经数字相关器（8）和微机（9）构成动态散射光信号探测与处理单元。

3.根据权利要求2所述的一种基于光纤式动态光散射互相关技术的颗粒测量，其特征在于：所述的第一光探测器（6）和第二光探测器（7）均为光电倍增管。

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