CN103954536B - 激光粒度仪测量颗粒材料体分形维数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测量颗粒材料体分形维数的激光粒度仪及其方法，所要解决的问题是：目前颗粒材料体分维测量都是通过激光粒度仪测量相关的粒径数据，并经过繁琐的数学计算得到，不仅浪费人力物力，而且计算结果并不准确；本发明的技术要点是：至少一个激光器与一个由若干透镜组成的汇聚镜头分布在样品池一侧，汇聚镜头的焦平面上固定有光电探测器，光电探测器与数据处理系统连接；以及配合激光粒度仪使用的方法；本发明的积极效果是：提出一种测量颗粒体分形维数的新方法，并改进的现有激光粒度仪的结构配合上述方法使用，使激光粒度仪对颗粒体分型维数的测量能够直接读取结果。本发明还具有结构简单、操作简便、降低成本、可靠性高、示数准确等特点。

Description

激光粒度仪测量颗粒材料体分形维数的方法

技术领域

本发明涉及颗粒材料体分形维数检测技术领域，具体说是一种测量颗粒材料体分形维数的激光粒度仪及其方法。

背景技术

分形是部分与整体以某种方式相似的形体。分形维数（又称分数维）在表征不规则形状和传统方法难以表征的材料性质（如颗粒的团聚、针状材料和片状材料）方面正在发挥越来越重要的作用。

目前，颗粒体分型维数的测定都是通过激光粒度仪测量相关的粒径数据后，根据分布函数测定颗粒材料（特别是粉体材料）分形维数的数学模型均是通过Rosin-Rammler函数（简称R-R分布函数）得到的，其数学模型建立过程中采用了泰勒公式，使用条件为，分布模数与分形维数的关系为，可通过测量粒径和累积百分率回归分析得到，此公式在实际应用过程中，时而会出现负值，且对相近材料测量的分形维数值波动大。

由于繁琐的人工计算过程和公式使用要求较苛刻的适用条件，如：X远远小于X_e，特别是无法直接测量体分形维数，使体分形维数应有的功能与效用大大降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量颗粒材料体分形维数的激光粒度仪。

本发明的技术方案是：至少五个激光器组成的无影灯光源与一个由若干透镜组成的汇聚镜头分布在样品池一侧，汇聚镜头的焦平面上固定有光电探测器，光电探测器与数据处理系统连接；

所述数据处理系统包括体分形维数计算模块；所述体分形维数计算模块包括：

粒度曲线接收单元，用于接收激光粒度仪所测出的粒度曲线；

粒度曲线判断单元，用于进行粒度曲线的分析和降噪处理，并对所测量颗粒粒径和累计百分率的数据进行筛选；

体分形维数计算单元，根据筛选后的颗粒材料粒径和累计百分率用最小二乘法回归分析计算体分形维数；

体分形维数储存和/或发送单元，用于储存和/或发送体分形维数值。

测量颗粒材料体分形维数的方法，采用下列步骤：

1）、将颗粒材料粒度曲线分析和降噪处理以及体分形维数计算程序导入数据处理系统的程序储存器中；

2）、启动该计算机系统，CPU对光电探测器测量的颗粒材料粒径和累计百分率测量结果进行读取，并选择指令、执行操作；

在选择分析指令时，执行粒度曲线分析程序和降噪处理程序；

在选择储存指令时，对经过粒度曲线分析和降噪处理的数据进行储存。

3）、使用经过粒度曲线分析和降噪处理的数据进行建模：建模计算公式如下：

建立颗粒材料R-R分布分形理论模型，并得到体分形维数与粒径和累计百分率的关系为：，其中；是颗粒粒度负累积百分率，是颗粒粒度，是特征粒度，是颗粒材料的体分形维数；为分布模数；

根据筛选后的颗粒材料粒径和累计百分率，在公式中，令，等式两边取对数后乘以负1，令，再取对数，得；

采用最小二乘法回归分析计算分布模数，即双对数坐标曲线的斜率；

4）、将分布模数导入根据R-R分布分形理论模型得出的分布模数与体分形维数关系公式，即：，计算颗粒材料的体分形维数。

本发明的有益效果是：提出一种测量颗粒体分形维数的新方法，并将此方法运用到实际当中。通过改进现有激光粒度仪的结构配合上述方法使用，使激光粒度仪对颗粒体分形维数的测量能够直接读取结果。本发明还具有结构简单、操作简便、降低成本、可靠性高、示数准确等特点。

附图说明

图1是本发明模块结构示意图；

图2是颗粒材料粒径和累积量测量曲线图；

图3是测量粒度分布曲线和拟合曲线对比图；

图4是本发明测量步骤示意图。

下面将通过实例对本发明作进一步详细说明，但下述的实例仅仅是本发明其中的例子而已，并不代表本发明所限定的权利保护范围。

具体实施方式

参见图1，五个激光器1组成的无影灯和与其相配合的汇聚镜头2分布在样品池3一侧，汇聚镜头由两个透镜组成，在其焦平面上固定有光电探测器4，光电探测器与数据处理系统5连接；

所述数据处理系统包括体分形维数计算模块；所述体分形维数计算模块51包括：

粒度曲线接收单元，用于接收激光粒度仪所测出的粒度曲线；

粒度曲线判断单元，用于进行粒度曲线的分析和降噪处理，并对所测量颗粒粒径和累计百分率的数据进行筛选；

体分形维数计算单元，根据筛选后的颗粒材料粒径和累计百分率用最小二乘法回归分析计算体分形维数；

体分形维数储存和/或发送单元，用于储存和/或发送体分形维数值。

参见图4，测量颗粒材料体分形维数的方法，采用下列步骤：

1）、将颗粒材料粒度曲线分析和降噪处理以及体分形维数计算程序导入数据处理系统的程序储存器中；

参见图2，通过激光粒度仪测量得到的粒度分布曲线，读取颗粒材料粒径和累积量测量结果。

2）、启动该计算机系统，CPU对光电探测器测量的颗粒材料粒径和累计百分率测量结果进行读取，并选择指令、执行操作；

在选择分析指令时，执行粒度曲线分析程序和降噪处理程序；

在选择储存指令时，对经过粒度曲线分析和降噪处理的数据进行储存。

3）、使用经过粒度曲线分析和降噪处理的数据进行建模：建模计算公式如下：

建立颗粒材料R-R分布分形理论模型，并得到体分形维数与粒径和累计百分率的关系为：，其中；是颗粒粒度负累积百分率，是颗粒粒度，是特征粒度，是颗粒材料的体分形维数；为分布模数；

参见图3，将读取的颗粒材料粒径和累积量做降噪处理，处理与不处理对比如图2所示；建立颗粒材料的R-R分布分形理论模型，得到体分形维数与粒径和累积百分率的关系为：；分别对所述模型两边取对数，即；其中分布模数与体分形维数关系为：；

根据筛选后的颗粒材料粒径和累计百分率，以为横坐标，为纵坐标的坐标系中对颗粒粒径和累计百分率，采用最小二乘法进行线性回归，得到斜率和截距。双对数坐标曲线的斜率，即分布模数，与体分形维数关系：，可求得体分形维数；

4）、将分布模数导入根据R-R分布分形理论模型得出的分布模数与体分形维数关系公式，即：，计算颗粒材料的体分形维数。通过上述步骤使用分形理论建立R-R分布数学模型，得到了分布模数与体分形维数之间的非线性关系为：,解决了现有线性关系分形模型在分析实际问题时出现的分形维数，甚至为负值的难题，克服了相近材料分形维数波动大的不足；R-R分布曲线降噪处理有效提高了回归分析的相关系数；本发明适用于满足R-R分布的颗粒材料体分形维数表征，同样也适用于其它领域满足R-R分布对象的体分形维数表征；本发明通过在激光粒度仪测控模块中增加体分形维数计算模块，使同时测量粒度分布和体分形维数成为可能，并能够直接输出体分形维数测量结果。

Claims (1)

1.一种采用激光粒度仪测量颗粒材料体分形维数的方法，所述激光粒度仪包括透镜，其特征是包括以下步骤：1）、至少五个激光器组成的无影灯光源与一个由若干透镜组成的汇聚镜头分布在样品池一侧，汇聚镜头的焦平面上固定有光电探测器，光电探测器与数据处理系统连接，将颗粒材料粒度曲线分析和降噪处理以及体分形维数计算程序导入数据处理系统的程序储存器中；2）、启动数据处理系统，CPU对光电探测器测量的颗粒材料粒径和累计百分率测量结果进行读取，并选择指令、执行操作；

在选择分析指令时，用于进行粒度曲线的分析和降噪处理，并对所测量颗粒粒径和累计百分率的数据进行筛选的粒度曲线判断单元执行粒度曲线分析程序和降噪处理程序；

在选择储存指令时，用于接收激光粒度仪所测出的粒度曲线的粒度曲线接收单元对经过粒度曲线分析和降噪处理的数据进行储存；

3）、使用经过粒度曲线分析和降噪处理的数据进行建模：数据处理系统包括体分形维数计算模块；所述体分形维数计算模块包括：根据筛选后的颗粒材料粒径和累计百分率用最小二乘法回归分析计算体分形维数的体分形维数计算单元；

用于储存和/或发送体分形维数值的体分形维数储存和/或发送单元；

建模计算公式如下：

建立颗粒材料R-R分布分形理论模型，并得到体分形维数与粒径和累计百分率的关系为：，其中；是颗粒粒度累积百分率，是颗粒粒度，是特征粒度，是颗粒材料的体分形维数；分布模数与体分形维数的关系为:；

根据筛选后的颗粒材料粒径和累计百分率，在公式中，令，令，等式两边取对数后乘以负1，再取对数，得；

采用最小二乘法回归分析计算得到分布模数；

4）、将分布模数导入根据R-R分布分形理论模型得出的分布模数与体分形维数关系公式，即：，计算颗粒材料的体分形维数。