CN104266945B - 动态光散射颗粒检测装置的检测方法 - Google Patents

Abstract

动态光散射颗粒检测装置的检测方法，属于动态光散射纳米颗粒测量装置技术领域。其特征在于：所述的光纤探头包括发射光纤和接收光纤；光纤探头外壳体（5）一端为封闭端，另一端为开口端，在开口端紧密安装固定圆盘（7），通过固定圆盘（7）内置的通孔固定安装自聚焦透镜，自聚焦透镜包括发射透镜和接收透镜，发射透镜和接收透镜内端部分别对应连接发射光纤和接收光纤。本发明改变传统动态光散射装置的光路，将光纤引入到动态光散射技术中，利用光纤将发射光路和接收光路集成在一起，能够测量高浓度的样品，并且能够实现工业生产的在线检测。

Description

动态光散射颗粒检测装置的检测方法

技术领域

动态光散射颗粒检测装置的检测方法，属于动态光散射纳米颗粒检测装置技术领域。

背景技术

亚微米与纳米颗粒的粒度及分布是表征其性能的主要参数，因此对这些参数的测量具有重要意义。动态光散射技术是进行亚微米及纳米颗粒粒度测量的有效方法。

在动态光散射颗粒测量技术中，广泛采用的是光子相关光谱法，该方法在某一固定的空间位置，使用光电倍增管接收散射光。由于散射光极其微弱，光电倍增管只能接收到离散的光子脉冲，同时在输出端输出相应的电脉冲，并将脉冲信号送入光子相关器。光子相关器对脉冲信号做自相关运算后，获得光强自相关函数，并送入计算机进行处理，来获取颗粒的平均粒径及其粒度分布。光子相关光谱技术由于具有测量速度快、重复性好、对样品无损伤等优点而被广泛采用，成为纳米颗粒表征的标准手段，目前该技术已经深入到了物理、化学、医学和生物学等各个领域。

但传统的动态光散射装置的光路，通常由透镜、针孔等一系列放置在样品池外部的光学器件组成，导致整个测量装置体积较大；且由于散射光在空气中传输，容易受灰尘、外界光线以及振动的干扰，导致系统的信噪比较低，光子相关器输出的相关函数品质下降，从而得不到可信的测量结果，致使传统的动态光散射装置仅适用于实验室，不能用于工业在线测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种利用光纤将发射光路和接收光路集成在一起，检测装置体积小型化，散射光不受外界干扰的动态光散射颗粒测量一体式光纤探头及其检测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该动态光散射颗粒测量一体式光纤探头，包括外壳体和光纤，光纤一端安装在外壳体的内腔中，另一端穿出外壳体外部，其特征在于：所述的光纤包括发射光纤和接收光纤；外壳体一端为封闭端，另一端为开口端，在开口端紧密安装固定圆盘，通过固定圆盘内置的通孔固定安装自聚焦透镜，自聚焦透镜包括发射透镜和接收透镜，发射透镜和接收透镜内端部分别对应连接发射光纤和接收光纤。

光纤分成两路发射光纤和接收光纤，且两路光纤集成在外壳体的内腔中，发射光纤穿出外壳体与外置的激光器连接，接收光纤穿出外壳体与外置的光电倍增管连接；这种结构改变了传统动态光散射装置的光路，使测量装置小型化，克服了传统动态光散射实验装置体积大的缺点；利用光纤传输散射光信号，散射光不易受灰尘和外界杂散光的干扰，从而可以有效地提高信噪比，并且光路可以任意弯曲，因此测量装置比较灵活，更重要的是光纤探头可以直接插入样品溶液中，并且能够测量高浓度样品，可以实现工业生产的在线监测。

进一步的，发射透镜和接收透镜倾斜地安装在固定圆盘内，且发射透镜和接收透镜以外壳体轴线为中心线对称安装。

优选的，发射透镜和接收透镜均设有两组，发射光纤和接收光纤对应设有两组，一组发射透镜和接收透镜水平排布，另一组竖直排布，两组发射透镜和接收透镜之间的间距相等。

进一步的，外壳体安装有固定圆盘的一端设有可转动的旋转遮光盘，旋转遮光盘上设有两个透光孔，透光孔的直径与固定圆盘内置通孔的直径相等，两个透光孔之间的距离等于发射透镜和接收透镜之间的间距。

进一步的，外壳体的封闭端面上插入套管，发射光纤和接收光纤穿过套管，通过套管伸出外壳体外部，套管伸出外壳体的部分连接热缩管。

再进一步的，热缩管分成两路，一路套装发射光纤，一路套装接收光纤。

一种利用上述的动态光散射颗粒测量一体式光纤探头组成的检测装置，其特征在于：包括动态光散射颗粒测量一体式光纤探头、光纤耦合器、激光器和光电倍增管，动态光散射颗粒测量一体式光纤探头的发射光纤连接激光器，接收光纤连接光电倍增管。

优选的，发射光纤通过第一光纤耦合器连接激光器，接收光纤通过第二光纤耦合器连接光电倍增管。

进一步的，光电倍增管连接光子相关器，光子相关器连接计算机。

上述的动态光散射颗粒检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、首先，将发射光纤的外端部连接激光源，接收光纤的外端部连接光电倍增管；

b、将动态光散射颗粒测量一体式光纤探头安装有自聚焦透镜的开口端，插入颗粒溶液中或靠在样品池的容器壁上；

c、激光源提供的垂直偏振光耦合进入发射光纤，激光通过发射光纤到达发射透镜，激光再经过发射透镜准直后射入被测溶液；

d、被测溶液发出的散射光通过接收透镜进入接收光纤，并沿接收光纤进入光电倍增管；

e、光电倍增管将接收到的散射光信号转换为电脉冲，输出给相关器，由相关器计算出光强自相关函数曲线，并传输给计算机，进而使用累积分析法对光强自相关函数进行反演，得到所测溶液中颗粒的平均粒径。

有现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

1、改变传统动态光散射装置的光路，将光纤引入到动态光散射技术中，利用光纤将发射光路和接收光路集成在一起，形成一体式的光纤探头，使动态光散射颗粒测量装置的体积小型化，克服了传统动态光散射实验装置体积大的缺点。

2、利用光纤传输散射光信号，散射光不易受灰尘和外界杂散光的干扰，从而可以有效地提高信噪比，并且光路可以任意弯曲，测量装置的设置比较灵活，更重要的是动态光散射颗粒测量一体式光纤探头的检测端可以直接插入样品溶液中，并且能够测量高浓度的样品，能够实现工业生产的在线监测。

附图说明

图1为动态光散射颗粒测量一体式光纤探头右视图示意图。

图2为图1的A-A剖视示意图。

图3为动态光散射颗粒测量一体式光纤探头左视图示意图。

图4为图3的B-B剖视示意图。

图5为动态光散射颗粒测量一体式光纤探头插入溶液中时工作原理示意图。

图6为动态光散射颗粒测量一体式光纤探头靠在容器壁上时工作原理示意图。

图7为动态光散射颗粒测量一体式光纤探头组成的动态光散射颗粒测量装置示意图。

图8为平面相干角(Δθ)_coh随散射角θ变化的曲线示意图。

图9为Z和ΔZ随α角变化的曲线示意图。

图10为光强自相关函数关系图。

图11为累积分析法对数据的拟合关系图。

图12为图6的局部放大示意图。

其中：1、激光器 2、第一光纤耦合器 3、热缩管 4、套管 5、外壳体 6、第一发射光纤 7、固定圆盘 8、第一发射透镜 9、第一接收透镜 10、第一接收光纤 11、第二发射光纤12、第二接收光纤 13、第二发射透镜 14、第二接收透镜 15、旋转遮光盘 16、第二光纤耦合器 17、光电倍增管 18、光子相关器 19、计算机 20、颗粒溶液 21、玻璃容器壁。

具体实施方式

图1～12是本发明的最佳实施例，下面结合附图1～12对本发明做进一步说明。

参照附图1：动态光散射颗粒测量一体式光纤探头，包括外壳体5和光纤，外壳体5可采用不锈钢壳体，内部中空，光纤可采用单模保偏光纤，光纤一端安装在外壳体5的内腔中，光纤另一端穿出外壳体5外部，光纤包括发射光纤和接收光纤；外壳体5一端为封闭端，另一端为开口端，在开口端紧密安装固定圆盘7，通过固定圆盘7内置的通孔固定安装自聚焦透镜，自聚焦透镜的节距为0.25，自聚焦透镜包括发射透镜和接收透镜，发射透镜和接收透镜内端部分别对应连接发射光纤和接收光纤。发射光纤穿出外壳体5与外置的激光器1连接，接收光纤穿出外壳体5与外置的光电倍增管17连接。

固定圆盘7内置的通孔相对于轴线倾斜开设，发射透镜和接收透镜通过固定圆盘7内置的通孔倾斜地安装在固定圆盘7内，且发射透镜和接收透镜以外壳体5轴线为中心线对称安装。

参照附图2～4：发射透镜和接收透镜均可设有两组，一组为第一发射透镜8和第一接收透镜9，另一组为第二发射透镜13和第二接收透镜14，第一发射透镜8和第一接收透镜9的倾斜角为α₁，第二发射透镜13和第二接收透镜14的倾斜角为α₂，且α₁<α₂。

发射光纤和接收光纤也对应设有两组，一组为第一发射光纤6和第一接收光纤10，另一组为第二发射光纤11和第二接收光纤12，一组发射透镜和接收透镜水平排布，另一组竖直排布，两组的发射透镜和接收透镜之间的间距相等。第一发射光纤6与第一发射透镜8相连接，第一接收光纤10与第一接收透镜9相连接，第二发射光纤11与第二发射透镜13相连接，第二接收光纤12与第二接收透镜14相连接。

外壳体5一端面为密封，安装固定圆盘7的一端部设有可转动的旋转遮光盘15，旋转遮光盘15上设有两个透光孔，透光孔的直径与固定圆盘7内置的通孔的直径相等，两个透光孔之间的距离等于发射透镜和接收透镜之间的间距。

可通过转动旋转遮光盘15来选择需要使用的一组发射透镜和接收透镜，转到第一组位置的时候，两个透光孔与第一发射透镜8和第一接收透镜9的位置重合，允许其发射激光和接收散射光，同时阻挡了另外一组光纤的发射和接收。当转动旋转遮光盘15旋转到第二组位置的时候，两个透光孔与第二发射透镜13和第二接收透镜14的位置重合，允许其发射激光和接收散射光，同时阻挡了第一发射透镜8和第一接收透镜9的发射和接收。

参照附图7：一种利用上述的动态光散射颗粒测量一体式光纤探头组成的检测装置，包括动态光散射颗粒测量一体式光纤探头、光纤耦合器、激光器1和光电倍增管。发射光纤穿出外壳体5与外置的激光器1连接，接收光纤穿出外壳体5与外置的光电倍增管连接。在外壳体5的封闭端面上可插入套管4，发射光纤和接收光纤外端部穿过套管4，通过套管4伸出外壳体5外部，套管4伸出外壳体5外部的外端部连接热缩管3，热缩管3分成两路，一路套装发射光纤，一路套装接收光纤。

动态光散射颗粒测量一体式光纤探头的发射光纤连接激光器1，接收光纤连接光电倍增管。发射光纤通过第一光纤耦合器2连接激光器1，接收光纤通过第二光纤耦合器16连接光电倍增管17。光电倍增管17连接光子相关器18，光子相关器18连接计算机19。

动态光散射颗粒检测装置的检测方法，包括以下步骤：

a、首先，将第一发射光纤6和/或第二发射光纤11的外端部穿过套管4和热缩管3后连接激光源，并在激光器1的发射端口上设有第一光纤耦合器2，将第一接收光纤10和/或第二接收光纤12外端部穿过套管4和热缩管3后连接光电倍增管17，在光电倍增管17的接受入口处设有第二光纤耦合器16；

b、将动态光散射颗粒测量一体式光纤探头的安装有自聚焦透镜的一端插入颗粒溶液中或靠在样品池的容器壁上。

如图5所示，动态光散射颗粒测量一体式光纤探头直接插入颗粒溶液中检测时，先调整旋转遮光盘15，两个透光孔与第一发射透镜8和第一接收透镜9的位置重合，并遮挡住第二发射透镜13和第二接收透镜14的位置，然后将动态光散射颗粒测量一体式光纤探头直接插入颗粒溶液中，第一发射透镜8和第一接收透镜9顶部中心点到光纤探头中心线的垂直距离为h，第一发射透镜8和第一接收透镜9倾斜角为α₁，探测孔径为D_A，发散角为(Δθ)_f。若第一发射光纤6和/或第二发射光纤11的内径D_f＝3.5μm，数值孔径(NA)_f＝0.12，使用SLW2型GRIN透镜，当激光波长为632.8nm时，第一发射透镜8和第一接收透镜9的轴向折射率N₀＝1.6073，梯度系数常数√A＝0.304(mm^-1)，则第一发射透镜8的探测孔径为：

$D_A=\frac{2{\left(NA\right)}_f}{N_0\sqrt{A}}=\frac{2\&times;0.12}{1.6073\&times;0.304}=0.49mm$

角度不确定性为：

平面相干角(Δθ)_coh随散射角θ变化的曲线如下图8所示。发射光束直径D_I与接收光束直径D_A相等，同样为0.49mm，由图8可知，当D_I＝D_A＝0.49mm时，(Δθ)_coh曲线单调上升。

激光在溶液中传播时，波长变为λ₂＝λ/n₂＝632.8/1.33＝475.8nm，其中n₂为水的折射率。当散射角θ＝142°时，y-z平面相干角为：

由此可知，散射角θ在142～180°范围内，满足空间相干性的条件(Δθ)_f<(Δθ)_coh。由图5可知，散射角与透镜倾角的关系为，θ＝180°-2×α₁，因此所允许α₁角的变化范围为0～19°。

透镜顶部到散射体最近边缘的距离为Z，散射体的长度为ΔZ，如图5所示。设计光纤探头时，关键是要优化h和α值，以便得到最佳的Z和ΔZ，其计算式如下：

$Z=(h-\frac{D_A}{2cos\mathrm{\&alpha;}})\&CenterDot;\frac{1}{tan\&lsqb;\mathrm{\&alpha;}+{\left(\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&theta;}\right)}_f\&rsqb;}$

$\mathrm{\&Delta;}Z=(h+\frac{D_A}{2\cos \mathrm{\&alpha;}})\&CenterDot;\frac{1}{tan\&lsqb;\mathrm{\&alpha;}-{\left(\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&theta;}\right)}_f\&rsqb;}-Z$

Z和ΔZ随h和α变化的曲线如图9所示。当透镜的倾角α不变，透镜离中心的位置h越大时，Z越大，意味着散射体离光纤探头越远，由于透镜的发散角小于1mrad，使得探测光束的直径变化很小，因此仅h变化时，散射体的长度ΔZ保持不变。当α变大，散射角θ变小时，Z和ΔZ都相应的变小。光纤探头的设计原则是：为避免激光在颗粒溶液内发生复散射，散射体离探头的距离Z应小于光子的传播平均自由程，因此Z应尽可能短。

当光纤探头直接插入溶液中时，考虑满足空间相干性条件时，α₁的范围为0～19°，由图9则可确定α₁＝19°对应Z最短。若选取h＝1.5mm，则Z＝3.6mm，ΔZ＝1.5mm。此时平面相干角为0.868mrad，满足(Δθ)_f<(Δθ)_coh。

如图6、12所示，动态光散射颗粒测量一体式光纤探头靠在样品池的容器壁上检测时，需要先调整旋转遮光盘15，两个透光孔与第二发射透镜13和第二接收透镜14的位置重合，允许其发射激光和接收散射光，同时阻挡了第一发射透镜8和第一接收透镜9的发射和接收。由于光束在空气-玻璃界面发生一次折射，在玻璃-水溶液界面又发生一次折射，致使光束的倾角α₂″小于透镜的倾角α₂。

当α₂＝19°时，光束在玻璃壁内的折射角为α₂′，在水溶液内的折射角为α₂″，见图6、12，玻璃的折射率n₁＝1.50，水的折射率n₂＝1.33，则

由图,9可知，光束倾角为14°时，散射角为152°，则Z和ΔZ均变长，Z＝5.0mm，ΔZ＝2.0mm。为缩短Z值，使光束倾角α₂″还为19°，则可推算出透镜的倾角α₂应该为25.6°。

c、激光源提供的垂直偏振光耦合进入发射光纤，激光通过发射光纤到达发射透镜，激光再经过发射透镜准直后射入被测溶液；垂直偏振光经过第一光纤耦合器2进入发射光纤，接收光纤接收的散射光经过第二光纤耦合器16进入光电倍增管17。

d、被测溶液发出的散射光通过接收透镜进入接收光纤，并沿接收光纤进入光电倍增管17。

e、接收光纤将散射光传输到光电倍增管17阴极表面。光电倍增管17将光子脉冲信号转换成电脉冲信号，并将电脉冲信号送入光子相关器18，光子相关器18对脉冲信号做自相关运算后，将光强自相关函数G⁽²⁾(τ)送入计算机19进行处理，进而获取颗粒的平均粒径。

使用标准聚苯乙烯球形颗粒的水溶液，来检验测量装置的准确性。光源为632.8nm波长的垂直偏振激光器，激光束从第一发射光纤6末端射入样品池，光束直径0.49mm，发散角0.855mrad，入射光束与接收光束的夹角为19°，因此散射角为142°。使用HamamatsuH8259型光电倍增管17接收散射光，使用Brookhaven TurboCorr的电子相关器18计算光强自相关函数，然后将相关函数送入计算机19进行数据处理。实验温度为21℃。通过实验获得的光强自相关函数曲线如下图10所示：

将相关函数截断，然后取对数，再使用累积分析法对数据拟合，如下图11所示，得到颗粒的平均粒径，测量的相对误差小于2％，符合国标的要求，因此使用一体化光纤探头进行动态光散射颗粒测量可以获得准确可靠的纳米颗粒平均直径。

表1实验结果

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.动态光散射颗粒检测装置的检测方法，动态光散射颗粒检测装置包括动态光散射颗粒测量一体式光纤探头、光纤耦合器、激光器(1)和光电倍增管(17)，动态光散射颗粒测量一体式光纤探头的发射光纤连接激光器(1)，接收光纤连接光电倍增管(17)；

动态光散射颗粒测量一体式光纤探头包括外壳体(5)和光纤，光纤一端安装在外壳体(5)的内腔中，另一端穿出外壳体(5)外部，其特征在于：所述的光纤包括发射光纤和接收光纤；外壳体(5)一端为封闭端，另一端为开口端，在开口端紧密安装固定圆盘(7)，通过固定圆盘(7)内置的通孔固定安装自聚焦透镜，自聚焦透镜包括发射透镜和接收透镜，发射透镜和接收透镜内端部分别对应连接发射光纤和接收光纤；

所述的发射透镜和接收透镜倾斜地安装在固定圆盘(7)内，且发射透镜和接收透镜以外壳体(5)轴线为中心线对称安装；所述的发射透镜和接收透镜均设有两组，发射光纤和接收光纤对应设有两组，一组发射透镜和接收透镜水平排布，另一组竖直排布，两组发射透镜和接收透镜之间的间距相等；所述外壳体(5)安装有固定圆盘(7)的一端设有可转动的旋转遮光盘(15)，旋转遮光盘(15)上设有两个透光孔，透光孔的直径与固定圆盘(7)内置通孔的直径相等，两个透光孔之间的距离等于发射透镜和接收透镜之间的间距；

包括以下步骤：

a、首先，将发射光纤的外端部连接激光源，接收光纤的外端部连接光电倍增管；

b、将动态光散射颗粒测量一体式光纤探头安装有自聚焦透镜的开口端，插入颗粒溶液中；

$Z=(h-\frac{D_A}{2cos\mathrm{\&alpha;}})\&CenterDot;\frac{1}{tan\&lsqb;\mathrm{\&alpha;}+{\left(\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&theta;}\right)}_f\&rsqb;}$

$\mathrm{\&Delta;}Z=(h+\frac{D_A}{2\cos \mathrm{\&alpha;}})\&CenterDot;\frac{1}{tan\&lsqb;\mathrm{\&alpha;}-{\left(\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&theta;}\right)}_f\&rsqb;}-Z$

其中：Z为透镜顶部到散射体最近边缘的距离，ΔZ为散射体的长度；α为透镜的倾角，h为第一发射透镜(8)和第一接收透镜(9)顶部中心点到光纤探头中心线的垂直距离，第一发射透镜(8)和第一接收透镜(9)倾斜角为α₁，α_1＝19°，D_A为第一发射透镜(8)和第一接收透镜(9)的探测孔径，(Δθ)_f为第一发射透镜(8)和第一接收透镜(9)的发散角；

c、激光器提供的垂直偏振光耦合进入发射光纤，激光通过发射光纤到达发射透镜，激光再经过发射透镜准直后射入被测溶液；

d、被测溶液发出的散射光通过接收透镜进入接收光纤，并沿接收光纤进入光电倍增管；

e、光电倍增管将接收到的散射光信号转换为电脉冲，输出给相关器，由相关器计算出光强自相关函数曲线，并传输给计算机，进而使用累积分析法对光强自相关函数进行反演，得到所测溶液中颗粒的平均粒径。

2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述的外壳体(5)的封闭端面上插入套管(4)，发射光纤和接收光纤穿过套管(4)，通过套管(4)伸出外壳体(5)外部，套管(4)伸出外壳体(5)的部分连接热缩管(3)。

3.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于：所述的热缩管(3)分成两路，一路套装发射光纤，一路套装接收光纤。

4.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述的发射光纤通过第一光纤耦合器(2)连接激光器(1)，接收光纤通过第二光纤耦合器(16)连接光电倍增管(17)。

5.根据权利要求1或4所述的检测方法，其特征在于：所述的光电倍增管(17)连接光子相关器(18)，光子相关器(18)连接计算机(19)。