CN103069265B - 粒径测量装置与粒径测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于，将检测器设置在光源照射出的光的光轴上，由其检测出粒子群中所含有的粒子形成的前向散射光，从而对粒子的粒径进行测量。本发明的目的在于，尽量使光源发出的光被粒子散射，减少直接入射到检测器中的光的光量，能够准确地测量出粒子的粒径。本发明的基本方案为：利用激光聚光光束所产生的辐射压将粒子群中含有的粒子导向光束的聚光位置，尽量减少不被粒子散射而发生直接透射光，从而测量最大前向散射强度，能够测量出粒子的粒径。即，本发明的粒径检测装置与粒径检测方法利用入射光形成的光辐射压强制性地使粒子移动到聚光位置，并检测出前向散射光。

Description

粒径测量装置与粒径测量方法

技术领域

本发明涉及一种利用前向散射(forward scattering)法测量流路内的粒子的粒径的装置以及方法，特别是指一种利用激光束汇聚时产生的辐射压(radiation pressure)来测量粒子的粒径的粒径测量装置与粒径测量方法。

背景技术

现有技术中，存在对排放的烟雾中含有的化合物粒子与自然环境中所产生的粒子的飞散状况进行监测的技术。

然而，这种对粒径进行监测的技术实时性较差。并且，现有技术中还没有出现能够对微米级或纳米级的的化学物质进行实时监测的技术。特别是，人们希望出现一种使用的装置较小且成本低的测量技术。

另外，例如，在日本发明专利公开公报特开2000-146812号(专利文献1)中公开有这样一种粒径测量装置：使激光对粒子分散的粒子群进行照射，此时，激光的照射会产生反射光/散射光，对该反射光/散射光进行检测，根据所检测出的反射光/散射光的强度信号来测量粒子群中的粒径分布。采用这样的现有的粒径测量装置，在将光强度检测器设置在光源的光轴上时，没有粒子群被分散而直接入射到光强度检测器中的光的强度很强，因而不能正确地测量粒径。因而，采用现有的粒径测量装置，仅能够检测出散射光在特定角度方向的成分。

然而，由于现有的粒径检测装置，仅能检测出散射光在特定角度方向的成分，因而根据米氏散射理论(Mie scattering)计算粒径时，原本仅与粒径相关的散射强度分布变会受到检测角度的影响，这是粒径测量不正确的一个要因。图5是根据米氏散射理论计算得到的散射强度分布，由图5可知，散射强度分布随着检测角度的不同而变化。即，采用现有技术的粒径测量装置，难以准确测量出粒径。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本发明专利公开公报特开2000-146812号

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于，将检测器设置在光源照射出的光的光轴上，由其检测出粒子群中所含有的粒子形成的前向散射光，从而对粒子的粒径进行测量。本发明的目的在于，尽量使光源发出的光被粒子散射，减少直接入射到检测器中的光的光量，能够准确地测量出粒子的粒径。

本发明的作出基本上是基于以下认识：利用激光聚光光束产生的辐射压使粒子群中含有的粒子被导向光束聚光位置，能够大大地减少不被粒子散射而直接透过的透射光的量，前向散射光的强度为最大，对该前向散射光的强度即前向散射强度进行检测，从而能够准确地测量出粒子的粒径。即，在本发明的粒径检测装置与粒径检测方法中，利用入射光形成的光辐射压使粒子强制性地向聚光位置移动，并检测前向散射光。

本发明的第1方面涉及粒径检测装置，其具有光源10、流路20、粒径引导机构30、检测器40以及计算机构50。

光源10的照射光照射至流路20。

作为粒径检测对象的粒子群流动在流路20内。

粒子引导机构30是用于将流路20内的粒子引导至光的聚光位置的机构。作为该粒子引导机构30可以采用透镜，该透镜设置在光源10与流路20之间，使光源10发出的照射光汇聚(聚光)在流路20内。即，透镜利用光的辐射压将流路20内的粒子引导至光的聚光位置。

在光源10的照射光的光轴上配置着一个检测器40。流路20内存在的粒子群中包含粒子对光产生散射而形成前向散射光，该检测器40检测出该前向散射光的强度。

计算机构50根据检测器40所检测出的前向散射光的强度求得粒子的粒径。

本发明中，由于透镜30使光向流路20内汇聚，因而能够利用光辐射压(即，斜向力、散射作用力)将流路内的粒子引导至光束聚光位置。如此，本发明中，由于能够将粒子引导至光束的聚光位置，因而能够大大减少光不被散射而直接入射的光量。因而，能够将检测前向散射光的强度的检测器40配置在光源10照射出的照射光的光轴上。

如此，本发明中，利用光的辐射压将流量20内的粒子引导至形成最大散射强度的最佳位置(即，光束聚光位置)。因而不必像现有技术那样，为了使粒子通过聚光位置，采用物理性的结构来限定流路，或者使流路内产生气流，因而能够简化装置的结构。

另外，本发明中，由于能够将检测器40配置在光源10照射出的光的光轴上，因而能够获得现有技术所不具有的多种效果。例如，在流路20内不存在粒子时，从光源10照射出的光会全部入射到检测器40中，因而可以预先设定检测器40的动态范围(dynamicrange)。另外，在流路20内有粒子流动，会产生光散射，此时，光在整个空间中被散射，直接入射到检测器40中的光是前向散射光，可以根据前向散射强度相对于散射光的总量的下降程度来计算测量出粒子的粒径。

本发明第1方面涉及的粒径测量装置可以还具有聚光系统60，其配置在流路20与检测器40之间，使流路20内的粒子群中包含的粒子造成的前向散射光汇聚在所述检测器40中。

本发明第1方面涉及的粒径测量装置可以还具有光径变更机构，其配置在所述光源10与所述透镜30之间，用于使所述光源10的照射光的光径变大或变小。

作为具体的结构例，在本发明第1方面涉及的粒径测量装置中，可以在光源10与透镜30之间设置开口径(大小)可变的开口板。其开口部的形状为圆形。如此，通过改变开口径的大小从而能够改变来自于光源10的光的光径。如此，能够控制流路20内形成的聚光点的大小。因此，可以改变本粒径测量装置能够测量的粒子的粒径范围。

另外，本发明优选，计算机构50一并计算出粒子的粒径与粒子的质量。处于激光束内的不同位置处的粒子对光的散射是不同的，受到的光的作用力(散射作用力)也不同，造成光束内的粒子的速度也不同，考虑到这一情况，可以根据所求得的粒子的粒径计算出粒子受到的散射作用力，并且计算出粒子的质量。

另外，本发明优选，计算机构50可以一并计算出粒子的粒径、粒子的质量以及粒子的密度。在假定粒子为球形时，根据粒子的粒径求得粒子的体积，根据体积与质量求得粒子的密度。

本发明的第2方面涉及粒径测量方法，该方法包括如下工序：由透镜30使来自于光源10的照射光聚光，在粒子群所通过的流路20内形成聚光点，以将所述流路20内的粒子引导至光源发出的照射光的聚光位置；由配置在所述光源10的照射光的光轴上的检测器40检测出，由所述流路20内的粒子群中所含有的粒子对光进行散射而产生的前向散射光的强度；由计算机构50根据所述检测器40所检测出的前向散射光的强度计算出所述粒子群中含有的粒子的粒径。

本发明的第2方面涉及的粒径计算方法中，在检测出由所述流路(20)内的粒子群中含有的粒子所形成的反射光或者前向散射光的强度之前，还可以包括如下工序：在所述流路20内不存在所述粒子群的情况下，由所述检测器40检测出来自于所述光源10的入射光透过流路20后的透射光的强度。并且，由所述计算机构50根据所述检测器40检测出的透射光的强度计算出所述前向散射光的强度与所述透射光的强度的强度比。

在一般的散射测量方法(与装置)中，测量光的透过强度与散射强度的强度之比，将理论值与实测值相比较而确定粒径。例如，在介质为溶液时，依溶剂的种类不同，会存在光的吸收，此时，需要考虑光被吸收的问题。而在本发明中，预先检测出不存在粒子的介质所透过的透射光的强度，根据所检测出的透射光的强度求得其与入射光的强度之比。从而，无论是什么样的介质都能够检测出入射光的强度。因而，仅使用一个光源与一个检测器就能够测量出该强度比。

本发明的效果

如上所述，采用本发明，能够将检测器配置在光源照射出的光的光轴上，检测出粒子所造成的前向散射光，从而测量粒径。

附图说明

图1为本发明的粒径测量装置的结构示意框图；

图2表示的是粒径测量方法的实验系统的示意结构；

图3表示的是方法理论值与实验值的比较图表；

图4表示的是，激光聚光束使粒子移动的形态以及粒子对光形成散射的形态；

图5表示的是根据米氏散射理论进行计算的散射强度模型。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的具体实施方式进行说明。然而，本发明并不限于下述实施方式，本领域的技术人员可以在显而易见的范围内进行变更。

图1是本发明的粒径测量装置的结构示意框图。如图1所示，光源10(激光器)射出的光(激光束)照射到粒子引导机构30(透镜)。另外，透镜30使光汇聚从而在流路20内形成光的焦点F。聚光系统60使通过了透镜30的光照射至检测器40。检测器40检测出粒子群中的粒子对光造成的散射而形成的前向散射光的强度。计算机构50根据所检测出的前向散射光的强度计算出粒子的粒径。

检测器40配置在光源10的照射光的光轴L上。另外，透镜30、流路20以及聚光系统60也配置在光源10的照射光的光轴L上。

光源10为激光光源。例如，可以使用市场上买到的半导体激光器。在光源10发出的光的前进方向上设有上述流路20。流路20为供作为测量对象的粒子群通过的透明容器。另外，透镜30为设置在光源10与流路20之间的聚光透镜。图1中用一个透镜来表示透镜30，然而，也可以是由多个凸透镜与凹透镜组合而成的光学系统。透镜30使光源10发出的光适当地收敛(汇聚)，从而在流路20内形成聚光点F。

在聚光点F形成在流路20内时，流路20内的粒子在光的辐射压的作用下被向光轴L上引导，从而向激光束汇聚位置移动。形成聚光点F的位置最好是流路20的中心，然而，只要是位于流路20内就能够使粒子被向着激光束汇聚位置引导，因而使聚光点F形成在流路20内即可。处于激光束汇聚位置处的粒子以最大的散射强度对激光束的光进行散射。光束腰(beam waist，激光束最细的部分)的尺寸可以为，例如，1μm～100μm，5μm～80μm，10～70μm。

另外，可以在光源10与透镜30之间设置光径变更机构，该光径变更机构使从光源10照射光的光径变大或变小。光径变更机构可以是开口孔径(尺寸)可变的开口板。开口板的开口部的形状可以是圆形。光径变更机构可以使用铝、铜、黄铜这样的金属制作。光径变更机构的开口孔径可以为，例如，1mm～50mm，1mm～10mm，10mm～30mm。如此，通过改变开口孔径从而能够使从光源10照射光的光径变大或变小。从而能够控制形成在流路20内的聚光点的大小。因而，可以改变本粒径测量装置能够测量的粒子的粒径范围。

聚光系统60为设置在流路20与检测器40之间的聚光透镜。聚光系统可以是一个透镜，也可以是由多个凸透镜与凹透镜组合而成的光学系统。聚光系统60使被流路20内的粒子散射的光适当地收敛(汇聚)，并照射至检测器40。

检测器40配置在从光源10的照射光的光轴L上。在流路20中不存在粒子群时，从光源10发出的光直接入射到检测器40中，在流路20中存在粒子群时，光被粒子散射后入射到检测器40中。光检测器40具体可以包含光电变换原件，光电变换原件将由聚光系统60汇聚的光变换为电信号，并传送给计算机构。流路20内存在的粒子所散射出的光的前向散射强度对应于光的散射量，光电变换原件能够检测出该散射强度的变化。该前向散射强度随粒子的粒径的不同而产生变化，因而，能够根据光电变换原件的输出信号来测量粒子的粒径。作为光电变换原件，可以使用一个光电二极管。

计算机构50是计算机，其根据检查器40检测出的前向散射光的光强计算出流路20内的粒子群中所含有的粒子的粒径。该计算机使用配置在光源10的光轴L上的检测器40检测出的前向散射光的光强信息，来计算出粒子的粒径。

具体而言，计算机构50可以根据常规洛伦兹-米(GLM)理论对光强的信息进行处理。GLM理论表示的是，使单色聚光激光束入射到均匀介质内的一个球体上时所发生的散射场。设在散射平面内散射光轴与入射光轴的夹角即散射角为θ，按照GLM理论，根据下式可分别求得，垂直于散射平面的偏光方向的散射光强度函数i₁(θ)以及平行于散射平面的偏光方向的散射光强度函数i₂(θ)。

$\left\{\begin{array}{c}{i}_1\left(\mathrm{\θ}\right)=\left|\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=-n}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{2n+1}{n(n+1)}\right[{\mathrm{ma}}_n(\mathrm{\α},n_{\mathrm{mf}})g_{n,\mathrm{TM}}^m{\mathrm{\π}}_n^{\left|m\right|}\left(\cos \mathrm{\θ}\right)+{\mathrm{ib}}_n(\mathrm{\α},n_{\inf })g_{n,\mathrm{TE}}^m{\mathrm{\τ}}_n^{\left|m\right|}\left(\cos \mathrm{\θ}\right)]{|}^2\\ i_2\left(\mathrm{\θ}\right)=\left|\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=-n}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{2n+1}{n(n+1)}\right[a_n(\mathrm{\α},n_{\mathrm{mf}})g_{n,\mathrm{TM}}^{,m}{\mathrm{\τ}}_n^{\left|m\right|}\left(\cos \mathrm{\θ}\right)+\mathrm{im}{b}_n(\mathrm{\α},n_{\inf })g_{n,\mathrm{TE}}^m{\mathrm{\π}}_n^{\left|m\right|}\left(\cos \mathrm{\θ}\right)]{|}^2\end{array}\right.$ 式1

其中，α为粒径参数，a_n(α)与b_n(α)为散射系数，与为角特征函数(angular function)，与表示的是激光束形状系数。

如此，计算机构50根据上述GLM理论对散射强度与粒径之间的对应关系进行数值计算(numeric operation)，从而计算出粒子的粒径。

另外，计算机构50还可以根据通过散射强度的计算求得的粒径来求得粒子的质量。即，处于激光束内的不同位置处的粒子对光的散射是不同的，受到的光的作用力(散射作用力)也不同，造成光束内的粒子的速度也不同，考虑到这一情况，可以根据所求得的粒子的粒径计算出粒子受到的散射作用力。考虑到散射作用力与周围介质的粘度，可以根据下面的方程式来求得粒子的质量。

$m\frac{d^{2}x}{{\mathrm{dt}}^2}+\mathrm{\μ}\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{cx}=F\left(t\right)$ 式2

另外，计算机构50还可以根据由上述计算所求得的粒子的粒径以及质量来求得粒子的密度。即，在假定粒子为球形时，可以根据粒径求得粒子的体积，根据体积与质量求得粒子的密度。

另外，计算机构50还可以，根据检测器40所检测出的流路20内不存在粒子群时透过的光(透过光)的强度以及由粒子造成的前向散射光的强度，来计算出入射光与前向散射光的强度比。

实施例1

下面对本发明的粒径测量方法的实施例进行说明。图2表示的是粒径测量方法的实验系统的示意结构。在本实验系统中，光源10采用的是λ＝514.5nm的Ar(氩)离子激光器。由光源10照射的激光通过透镜30a变为平行光，由透镜30b使其汇聚，在流路20内形成聚光点。此时，聚光光束在聚光点的直径为5μm。另外，在透镜30a与透镜30b直径具有偏振光镜80。另外，在本实验系统中，利用聚光光束形成的光辐射压，强制性地使流动在流路20内的粒子向焦点位置移动，并检测出粒子的前向散射光。另外，在本实验系统中，如图2所示，在垂直于激光光束轴的方向上设有照相机70，由该照相机70监测散射体(粒子)在入射光的作用下向焦点位置的移动以及在该位置处的散射形态。

图3表示的是5个不同试样的实测值(实际测量值)与根据GLM理论求得的理论值的比较。如图3所示，实测值近似等于理论值，实验值相对于理论值具有非常好的一致性。另外，图3表示，采用光束的焦点径(焦点光束径)为5μm的系统时，对于1μm～4μm范围内的粒子能够准确区分其粒径值。

另外，图4所示为，由照相机70拍摄到的聚光激光束造成的粒子的移动与散射的形态。如图4所示，粒子P移动到激光束L上的焦点位置W的附近，散射出较强的光。如此，采用本发明的粒径测量方法能够使粒子向所限定的区域移动，从而产生最大强度的前向散射光。

Claims (7)

1.一种粒径测量装置，其特征在于，

包括：

光源(10)，其射出光；

流路(20)，其供包含粒子的粒子群通过；

粒子引导机构(30)，其将所述流路(20)内的粒子引导至、所述光源(10)射出的光的聚光位置；

检测器(40)，其配置在所述光源(10)的照射光的光轴上，所述流路(20)内的、被所述粒子引导机构(30)引导至所述光的聚光位置的粒子对光进行散射而产生前向散射光，该检测器(40)检测出该前向散射光的强度；

计算机构(50)，其根据所述检测器(40)检测出的前向散射光的强度来计算出所述粒子群中包含的粒子的粒径，

所述粒子引导机构(30)为透镜(30)，该透镜(30)配置在所述光源(10)与所述流路(20)之间，使所述光源(10)的照射光聚光，聚光点形成在所述流路(20)内，

在检测出由所述流路(20)内的粒子群中含有的粒子所形成的反射光或者前向散射光的强度之前，

在所述流路(20)内不存在所述粒子群的情况下，由所述检测器(40)检测出来自于所述光源(10)的入射光透过流路(20)后的透射光的强度，

由所述计算机构(50)根据所述检测器(40)检测出的透射光的强度计算出所述前向散射光的强度与所述透射光的强度的强度比。

2.根据权利要求1所述的粒径测量装置，其特征在于，还包括聚光系统(60)，其配置在所述流路(20)与所述检测器(40)之间，使所述流路(20)内的粒子群中包含的粒子造成的前向散射光聚光后射向所述检测器(40)。

3.根据权利要求1所述的粒径测量装置，其特征在于，由所述透镜在所述流路(20)内形成的聚光点的大小为1μm以上100μm以下。

4.根据权利要求1所述的粒径检测装置，其特征在于，还包括光径变更机构，其配置在所述光源(10)与所述透镜(30)之间，用于使所述光源(10)的照射光的光径变大或变小。

5.根据权利要求1所述的粒径测量装置，其特征在于，所述计算机构(50)还根据所计算出的粒子的粒径计算出所述粒子的质量。

6.根据权利要求5所述的粒径测量装置，其特征在于，所述计算机构(50)还根据所计算出的粒子的粒径与质量计算出所述粒子的密度。

7.一种粒径测量方法，其特征在于，

包括如下工序：

由透镜(30)使来自于光源(10)的照射光聚光，在粒子群所通过的流路(20)内形成聚光点，以将所述流路(20)内的粒子引导至光源发出的照射光的聚光位置；

将所述流路(20)内的粒子引导至所述光的聚光位置，同时由配置在所述光源(10)的照射光的光轴上的检测器(40)检测出，由被引导至所述光的聚光位置的粒子对光进行散射而产生的前向散射光的强度；

由计算机构(50)根据所述检测器(40)所检测出的前向散射光的强度计算出所述粒子群中含有的粒子的粒径，

在检测出由所述流路(20)内的粒子群中含有的粒子所形成的反射光或者前向散射光的强度之前，还包括如下工序：

在所述流路(20)内不存在所述粒子群的情况下，由所述检测器(40)检测出来自于所述光源(10)的入射光透过流路(20)后的透射光的强度，

由所述计算机构(50)根据所述检测器(40)检测出的透射光的强度计算出所述前向散射光的强度与所述透射光的强度的强度比。