CN106596359A - 一种激光粒度仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光粒度仪，包括：用于发射激光光束的激光光源；用于盛放待测样品的样品放置装置；用于接收所述激光光束穿过所述待测样品后产生的散射光，并将其转换为散射光能量分布图的光电探测器，所述光电探测器为由多个多边形发光二极管组成的同心圆阵列光电探测器；用于根据所述散射光能量分布图计算所述待测样品的粒度分布的计算器。而本发明提供的由多个多边形发光二极管组成的同心圆阵列光电探测器，同时存在于两个相邻的圆环内的像素点较少，使得像素点利用率更高，增加了用于激光粒度仪探测的感光面积。

Description

一种激光粒度仪

技术领域

本发明涉及仪器仪表技术领域，特别涉及一种激光粒度仪。

背景技术

激光粒度仪是根据颗粒能使激光产生衍射或散射得到散射谱测试粒度分布以及颗粒大小的仪器。其具体工作原理如下：由于激光具有很好的单色性和极强的方向性，所以一束平行的激光在没有阻碍的无限空间中将会照射到无限远的地方，并且在传播过程中很少有发散的现象；当光束遇到颗粒阻挡时，一部分光将发生散射现象，散射光的传播方向将与主光束的传播方向形成一个夹角θ。散射理论和实验结果都告诉我们，散射角θ的大小与颗粒的大小有关，颗粒越大，产生的散射光的θ角就越小；颗粒越小，产生的散射光的θ角就越大。与此同时，散射光的强度代表该粒径颗粒的数量。在不同的角度上测量散射光的强度，就可以得到样品的粒度分布了。

激光粒度仪作为一种新型的粒度测试仪器，已经在建材、化工、冶金、能源、食品、电子、地质、军工、航空航天、机械、高校、实验室，研究机构等加工、应用与研究领域得到广泛的应用。特点是测试速度快、测试范围宽、重复性和真实性好、操作简便等等。

目前，市场上销售的大部分的激光粒度仪产品多以可见光激光器作为照明光源、呈圆环或扇形排列的硅光电二极管阵列作为接收光束的光电探测器(又称为硅光电池)。硅光电池受光面积大，光能利用率高，工作性能稳定，但它输出的是模拟信号，信号不稳定。与之相比，电荷耦合元件(英文名称为Charge-coupled Device，简称CCD)，CCD探测器的像素已经从起初的几十万拓展到了现今的几千万，增加了百倍之多。CCD探测器像素数的增加虽然可以提高图像的解像力，但是CCD探测器单个像素的尺寸却越来越小，因而导致感光度下降、噪音上升、动态范围缩小。而要在确保感光度、动态范围和信噪比的前提下，增加像素数是极其困难的，与此同时，传统的CCD探测器均采样正方形的发光二极管，像素以纵横规则排列，根据激光粒度仪的Mie式散射原理，准直后的激光束在通过样品循环系统中时，被同一颗粒直径的粒子散射的光束呈圆形排列。如图1所示，在圆环边缘处，有若个像素同时存在与两个相邻的圆环内，这类像素在后续数据处理时需要被舍弃。这就使得CCD探测器的像素利用率有所下降，减少了用于激光粒度仪探测的感光面。

因此，如何提高电荷耦合元件CCD探测器的像素利用率，增加于激光粒度仪探测的感光面是本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光粒度仪，提高电荷耦合元件CCD探测器的像素利用率，增加于激光粒度仪探测的感光面。

为解决上述技术问题，本发明提供一种激光粒度仪，包括：

用于发射激光光束的激光光源；

用于盛放待测样品的样品循环装置；

用于接收所述激光光束穿过所述待测样品后产生的散射光，并将其转换为散射光能量分布图的光电探测器，所述光电探测器为由多个多边形发光二极管组成的同心圆阵列光电探测器；

用于根据所述散射光能量分布图计算所述待测样品的粒度分布的计算器。

优选的，在上述激光粒度仪中，所述多边形发光二极管为正八边形发光二极管。

优选的，在上述激光粒度仪中，所述光电探测器的半径范围为3cm-5cm。

优选的，在上述激光粒度仪中，还包括设置于所述激光光源与所述样品循环装置之间的准直扩束装置。

优选的，在上述激光粒度仪中，所述准直扩束装置为开普勒式激光扩束装置，包括会聚透镜和准直透镜。

优选的，在上述激光粒度仪中，还包括位于所述会聚透镜的焦点处的空间滤波器。

优选的，在上述激光粒度仪中，还包括设置于所述样品循环装置与所述光电探测器之间的傅里叶透镜，所述傅里叶透镜的焦点与所述光电探测器的中心重合。

优选的，在上述激光粒度仪中，所述样品循环装置包括：进料部件、出料部件、样品池以及传送带，所述传送带用于将所述待测样品从进料部件传送至所述样品池中或者将所述待测样品从所述样品池传送至所述出料部件。

本发明所提供的一种激光粒度仪，包括：用于发射激光光束的激光光源；用于盛放待测样品的样品循环装置；用于接收所述激光光束穿过所述待测样品后产生的散射光，并将其转换为散射光能量分布图的光电探测器，所述光电探测器为由多个多边形发光二极管组成的同心圆阵列光电探测器；用于根据所述散射光能量分布图计算所述待测样品的粒度分布的计算器。

根据Mie式散射理论，激光光束在通过样品循环装置中时，被粒子散射的光束呈多个同心圆环光斑，那么在圆环光斑边缘处，如果有若干个由发光二极管构成的像素点同时存在于两个相邻的圆环内，这类像素点在后续数据处理时就要舍弃，而现有技术中的CCD探测器发光二极管按照横竖阵列排列，导致较传统CCD探测器中同时存在于两个相邻的圆环内的像素点较多，舍弃的值更多，导致像素点利用率低。而本发明提供的由多个多边形发光二极管组成的同心圆阵列光电探测器，同时存在于两个相邻的圆环内的像素点较少，使得像素点利用率更高，增加了用于激光粒度仪探测的感光面积。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的激光粒度仪的结构示意图；

图2为现有技术中光电探测器示意图；

图3为本发明实施例所提供的同心圆阵列光电探测器示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1和3，图1为本发明实施例所提供的激光粒度仪的结构示意图；图3为本发明实施例所提供的同心圆阵列光电探测器示意图。

在一种具体实施方式中，提供了一种激光粒度仪，包括：

用于发射激光光束的激光光源1；

用于盛放待测样品的样品循环装置3；

用于接收所述激光光束穿过所述待测样品后产生的散射光，并将其转换为散射光能量分布图的光电探测器5，所述光电探测器5为由多个多边形发光二极管组成的同心圆阵列光电探测器5；

用于根据所述散射光能量分布图计算所述待测样品的粒度分布的计算器6。

具体的，激光光源1发出激光光束至样品循环装置3，经过样品循环装置3中的颗粒散射，多个多边形发光二极管组成的同心圆阵列光电探测器5接收散射光，并将其转换为散射光能量分布图，光电探测器5将散射光能量分布图发送至计算器6进行计算，得到待测样品的粒度分布。

本实施例提供的激光粒度仪，用电荷耦合CCD探测器替代硅光电二极管组成的探测器，可以实现被测粒径范围内全数据的采集，不再受光刻技术、加工工艺等的局限，具有更加广泛地应用。由多个多边形发光二极管组成的同心圆阵列光电探测器5不仅提高了分辨率，而且还扩大了动态范围即被摄物体明亮度范围，提高了信噪比即对阴影部位的噪声有影响的信噪比，还改进了感光度等性能。同时，由多个多边形发光二极管组成的同心圆阵列光电探测器5与传统CCD探测器生产成本相当，可以实现超小型、省电力设计。

根据Mie式散射理论，激光光束在通过样品循环装置3中时，被粒子散射的光束呈多个同心圆环光斑，那么在圆环光斑边缘处，如果有若干个由发光二极管构成的像素点同时存在于两个相邻的圆环内，这类像素点在后续数据处理时就要舍弃。如图2所示，而现有技术中的CCD探测器均采样正方形的发光二极管，发光二极管按照纵横规则排列，导致较传统CCD探测器中同时存在于两个相邻的圆环内的像素点较多，舍弃的值更多，导致像素点利用率低。而本发明提供的由多个多边形发光二极管组成的同心圆阵列光电探测器5，同时存在于两个相邻的圆环内的像素点较少，使得像素点利用率更高，增加了用于激光粒度仪探测的感光面积。

在上述激光粒度仪的基础上，所述多边形发光二极管为正八边形发光二极管。

其中，其采用比正方形更接近圆形的正八边形的发光二极管，像素点以45°倾斜排列，不需光电二极管间的配线部位，每一个像素积蓄电荷量比传统的CCD探测器要高得多，具有感光度高、噪声低、动态范围宽、分辨率高、构造简单、制造容易等特性，可以实现高像素放映、全像素读出、数字变焦高速处理等功能。

需要指出的是，多边形发光二极管包括但不限于正八边形发光二极管，还可以为五边形、六边形、七边形以及大于八边形的发光二极管等，均在保护范围内，当CCD像素点的形状发生改变时，那么与之相应的像素点的排列方式同样会发生变化。

进一步的，在上述激光粒度仪中，所述光电探测器5的半径范围为3cm-5cm。

在上述激光粒度仪的基础上，还包括设置于所述激光光源1与所述样品循环装置3之间的准直扩束装置2。

进一步的，在上述激光粒度仪中，所述准直扩束装置2为开普勒式激光扩束装置，包括会聚透镜7和准直透镜8。

其中，其中，会聚透镜7将激光光束进行汇聚，准直透镜8将汇聚后的激光光束进行准直，成为平行单色光束，便于对样品循环装置3中的激光光束照射颗粒进行散射。

进一步的，在上述激光粒度仪中，还包括位于所述开普勒式激光扩束装置的焦点处的空间滤波器9。

其中，一般的激光准直扩束系统分为两类，开普勒式激光扩束装置和伽利略式激光扩束装置，本实施例优选采用开普勒式激光扩束装置，并在扩束系统的集中焦点处加入了一个空间滤波器9，可以滤掉所有的高阶散射光，通过空间滤波器9的是空间低频的激光束，呈发散光束，再经过准直透镜8后就变成平行单色光束。目的是实现入射到样品循环装置3中的激光束均匀照明，降低杂散光对监测结果的影响，减小系统误差。

在上述激光粒度仪的基础上，还包括设置于所述样品循环装置3与所述光电探测器5之间的傅里叶透镜4，所述傅里叶透镜4与所述光电探测器5的中心的焦点重合。

其中，将光电探测器5放置于傅里叶透镜4的焦点处，原因是一部分平行光束被散射，傅里叶透镜4将散射光会聚在其焦平面上，处于焦平面的傅里叶透镜4接收散射光。

在上述激光粒度仪的基础上，所述样品循环装置3包括：进料部件10、出料部件11、样品池12以及传送带，所述传送带用于将所述待测样品从进料部件10传送至所述样品池12中或者将所述待测样品从所述样品池12传送至所述出料部件11。

其中，样品循环装置3用于放置待测样品，将样品循环装置3设计为循环装置，能够快速更替其中的待测样品，在进料部件10中装入待测样品，利用传送带将待测样品传送至样品池12中进行测试，利用传送带将将测试后的样品传送至出料部件11中即可。

本发明提供的激光粒度仪，整个工作过程为：激光器发出一束单色激光光束，单色激光光束经过准直扩束装置2变成平行单色光束。其中，准直扩束装置2包含一个显微物镜系统，由会聚透镜7、准直透镜8以及空间滤波器9组成，当激光器发出的单色激光经过会聚透镜7后，聚焦成一点，将空间滤波器9放置在此点上，可以滤掉所有的高阶散射光，通过空间滤波器9的是空间低频的激光束，呈发散光束，再经过准直透镜8后就变成平行单色光束。随后，平行光束通过样品循环装置3，如果样品循环装置3里没有散射颗粒，则平行光束会聚在傅里叶透镜4的焦点上，即光电探测器5的中心位置；如果样品循环装置3中存放了样品颗粒，有一部分平行光束被散射，傅里叶透镜4将散射光会聚在其焦平面上，即光电探测器5上。探测器接收到的是颗粒散射光能量分布图，散射光能图服从散射理论，由于此分布图与颗粒粒径有关，则探测器将收集到的散射能量转换成电信号，电信号经过采集处理，得到数字图像，通过计算机处理图像，反演算法计算得出粒度分布。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种激光粒度仪，其特征在于，包括：

用于发射激光光束的激光光源；

用于盛放待测样品的样品循环装置；

用于接收所述激光光束穿过所述待测样品后产生的散射光，并将其转换为散射光能量分布图的光电探测器，所述光电探测器为由多个多边形发光二极管组成的同心圆阵列光电探测器；

用于根据所述散射光能量分布图计算所述待测样品的粒度分布的计算器。

2.如权利要求1所述的激光粒度仪，其特征在于，所述多边形发光二极管为正八边形发光二极管。

3.如权利要求2所述的激光粒度仪，其特征在于，所述光电探测器的半径范围为3cm-5cm。

4.如权利要求3所述的激光粒度仪，其特征在于，还包括设置于所述激光光源与所述样品循环装置之间的准直扩束装置。

5.如权利要求4所述的激光粒度仪，其特征在于，所述准直扩束装置为开普勒式激光扩束装置，包括会聚透镜和准直透镜。

6.如权利要求5所述的激光粒度仪，其特征在于，还包括位于所述会聚透镜的焦点处的空间滤波器。

7.如权利要求6所述的激光粒度仪，其特征在于，还包括设置于所述样品循环装置与所述光电探测器之间的傅里叶透镜，所述傅里叶透镜的焦点与所述光电探测器的中心重合。

8.如权利要求1至7任一项所述的激光粒度仪，其特征在于，所述样品循环装置包括：进料部件、出料部件、样品池以及传送带，所述传送带用于将所述待测样品从进料部件传送至所述样品池中或者将所述待测样品从所述样品池传送至所述出料部件。