CN106769701B - 一种颗粒球形度同轴数字全息检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于颗粒球形度测量技术领域，具体地讲涉及一种颗粒球形度同轴数字全息检测装置及检测方法。本装置包括沿着光照方向依次顺序布置的激光光源、滤光片、准直扩束器、颗粒样品池、显微镜、阵列式检测器；所述颗粒样品池置于旋转台上；所述阵列式检测器连接计算机。本装置采用光学同轴数字全息技术构造出颗粒的多个二维截面投影，并对多个二维截面投影进行椭圆拟合，即可实现对颗粒的颗粒球形度的检测。由于本发明利用了同轴数字全息技术的特点，同时配合颗粒样品池的旋转，可实现大量颗粒球形度的快速检测，从而在实现了颗粒球形度检测装置的结构简单化的同时实现了颗粒球形度检测的快速化。
Description
技术领域
本发明属于颗粒球形度测量技术领域，具体地讲涉及一种颗粒球形度同轴数字全息检测装置及检测方法。
背景技术
颗粒球形度是指不规则颗粒与球形颗粒之间的接近程度，它是颗粒的基本参数之一。球形度对颗粒粉体的物理性能、化学性能、输运性能和工艺性能有很大的影响，因此，进行颗粒球形度的测量具有重大应用和科学意义。颗粒球形度传统检测方法如沉降法和激光衍射法只能获得粒子的等效直径，即粒度信息，无法获得确切的形状信息；而传统检测方法如显微成像法存在采样时间长、操作繁琐等缺点，用于实时测量时，只能对物镜像面位置处的粒子进行分析，而且属于二维检测，很难区分圆片状粒子和球状粒子有何差别。
发明内容
根据现有技术中存在的问题，本发明的目的之一是提供了一种颗粒球形度同轴数字全息检测装置，本装置采用光学全息技术构造出颗粒的多个二维截面投影，并对多个二维截面投影进行椭圆拟合，即可实现对颗粒的颗粒球形度的检测，同时实现了颗粒球形度检测装置的结构简单化以及检测快速化。
本发明采用以下技术方案：
一种颗粒球形度同轴数字全息检测装置，包括沿着光照方向依次顺序布置的激光光源、滤光片、准直扩束器、颗粒样品池、显微镜、阵列式检测器；所述颗粒样品池置于旋转台上；所述阵列式检测器连接计算机。
优选的，所述激光光源、滤光片、准直扩束器、颗粒样品池、显微镜、阵列式检测器的中心点均处于一条直线上；所述旋转台为电控旋转台，此电控旋转台与计算机电连接；所述颗粒样品池可随所述旋转台绕旋转台的中心轴旋转。
优选的，所述激光光源为单色性的相干光源；所述滤光片使用带通滤光片；所述准直扩束器用于将激光光源发出的光束进行扩束和准直，使得光束的照射面积略大于所述阵列式检测器的面积。
优选的，所述旋转台带动所述颗粒样品池转动，改变所述颗粒样品池中的颗粒相对于光束投射方向的位置，从而产生同一颗粒相对于不同角度光束投射方向下的干涉条纹；所述显微镜用于放大所述干涉条纹，提高分辨率；所述阵列式检测器检测干涉条纹的光强信号，记录同一颗粒对应于不同角度光束投射方向下的全息图数据，并将所述全息图数据传送到所述计算机；所述计算机根据同一颗粒对应于不同角度光束投射方向的全息图数据，利用计算机模拟光学衍射过程，构造出此颗粒对应于不同角度光束投射方向的二维截面投影，对每一个二维截面投影均进行椭圆拟合并计算椭圆系数，所述椭圆系数即为拟合得到的椭圆的短轴与长轴之比，然后取多个二维截面投影的椭圆系数的平均值，即可实现对此颗粒的颗粒球形度的检测。
所述旋转台采用步进的控制方式，旋转台每转动一个角度，所述阵列式检测器便可获取该角度下的颗粒的全息图数据；且所述旋转台和所述阵列式检测器通过信号同步控制器实现同步。
优选的，所述颗粒样品池内添加使颗粒充分分散的酒精。
优选的，所述颗粒样品池内的颗粒密度控制在1个/mm3。
本发明还提供了一种采用前述颗粒球形度同轴数字全息检测装置的检测方法,包括如下步骤：
S1，采用单色性的相干光源对颗粒样品池内的颗粒进行照射，获得颗粒的干涉条纹，根据所得干涉条纹得到并记录颗粒样品池内所有颗粒的全息图数据，然后根据全息图数据构造出每一个颗粒的二维截面投影，并对所得二维截面投影进行椭圆拟合，然后计算得到每一个颗粒对应的椭圆的椭圆系数，所述椭圆系数即为拟合得到的椭圆的短轴与长轴之比；
S2，转动颗粒样品池，此时颗粒样品池中的颗粒跟随颗粒样品池转到另一个位置，获得所有颗粒在转动后位置的干涉条纹，根据所得干涉条纹得到并记录所有颗粒在转动后的全息图数据，然后根据全息图数据构造出每一个颗粒在转动后位置的二维截面投影，对所得二维截面投影进行椭圆拟合，然后计算得到每一个颗粒对应的椭圆的椭圆系数，所述椭圆系数即为拟合得到的椭圆的短轴与长轴之比；然后继续转动颗粒样品池，直至获得所有颗粒的在不同位置时的多个二维截面投影的椭圆系数；
S3，对每一个颗粒通过前述操作获得的多个二维截面投影的椭圆系数取平均值，即可实现对每一个颗粒的颗粒球形度的检测。
优选的，在整个检测过程中，所述颗粒样品池共旋转360度，且所述颗粒样品池每次旋转的角度均相同。
优选的，在所述颗粒样品池中，当某一颗粒由前一位置旋转到下一位置时，确认此颗粒在下一位置的方法如下：
以所述颗粒样品池的旋转中心建立空间直角坐标系，设X轴、Z轴所组成的X-Z平面为水平面，Y轴为垂直于水平面的轴，设某一颗粒的前一位置的坐标为(x,z,y)，且此颗粒与Y-Z平面的角度为β，旋转方向已知，且此颗粒的旋转角度为α,则旋转后此颗粒的坐标为(x',z',y')，x',z',y'的值由以下公式计算得到：
β＝arctan(x/z)
y’＝y
由此可以提前算出此颗粒的下一位置，也即此颗粒在旋转后的所述颗粒样品池中的位置，然后采用单色性的相干光源对颗粒样品池内的计算所得下一位置处的颗粒进行照射，则可以获得同一个颗粒的在转动后的干涉条纹。
本发明的优点和有益效果在于：
1)本发明由激光光源、滤光片、准直扩束器、颗粒样品池、旋转台、显微镜、阵列式检测器、计算机组成，本装置采用光学同轴数字全息技术构造出颗粒的多个二维截面投影，并对多个二维截面投影进行椭圆拟合，即可实现对颗粒的颗粒球形度的检测。由于本发明利用了同轴数字全息技术的特点，同时配合颗粒样品池的旋转，可实现大量颗粒球形度的快速检测，从而在实现了颗粒球形度检测装置的结构简单化的同时实现了颗粒球形度检测的快速化。
2)传统的测量技术是通过显微镜测量微型颗粒的颗粒球形度，因为显微镜的景深很浅，一次测量时只能测处于单个平面内的颗粒；而光学同轴数字全息技术再现的是处于不同空间位置的任何颗粒在光路方向上的二维截面投影，因此本发明中的测量装置可以同时测量处于立体空间中的多个平面范围的所有颗粒的颗粒球形度，从而极大的提高了测量效率。
3)本发明以旋转中心为基准建立三位坐标系，通过旋转台旋转颗粒样品池可以获得不同转动角度下的多幅全息图，每幅全息图均可以获得处于颗粒样品池内的所有不同平面的颗粒的一个二维截面投影的形貌，再通过坐标计算即可同一颗粒在转动前的位置和转动后的位置，也即通过坐标算法可得到任一颗粒与不同转动角度对应的空间位置的分布状况；当颗粒样品池旋转一周后，即可得到不同景深的任一颗粒的多个二维截面投影，对某一颗粒的每一个二维截面投影进行椭圆拟合并计算椭圆系数，所述椭圆系数即所得拟合椭圆的短轴比长轴的值(即r/R，r为拟合椭圆短轴，R为拟合椭圆长轴)，取每个二维截面的椭圆系数的值，将椭圆系数值求和再平均，所得平均值即可作为此某一颗粒的颗粒球形度衡量标准，平均值越接近1则颗粒的形状越接近球体。
4)光学同轴数字全息技术的测量粒径范围是10um左右，因此本发明能够有效地测量微小颗粒的颗粒球形度。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为颗粒样品池中某一颗粒从A点旋转到B点的示意图。
图3为图2的俯视图。
附图标记：
10-激光光源 20-滤光片 30-准直扩束器 40-颗粒样品池
50-电控旋转台 60-显微镜 70-阵列式检测器 80-计算机。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
如图1所示，一种颗粒球形度同轴数字全息检测装置，包括沿着激光光源10的发射方向依次顺序布置的激光光源10、滤光片20、准直扩束器30、颗粒样品池40、显微镜60、阵列式检测器70；所述颗粒样品池40置于电控的旋转台50上；所述电控旋转台50和阵列式检测器70均通过信号线连接计算机80；所述激光光源10、滤光片20、准直扩束器30、颗粒样品池40、显微镜60、阵列式检测器70的中心点均处于一条直线上；所述颗粒样品池40可随所述旋转台50绕旋转台50的中心轴旋转。
所述激光光源10用于产生单色性好、光强较大的激光光束，本实施例中选用美国Thorlabs生产的型号HNL100L、中心波长632.8nm的He-Ne激光器。
所述滤光片20使用带通滤光片，限制允许通过的照明光束的波长范围，抑制环境光的干扰，本实施例中选用北京大恒光电公司生产的GCC-203005带通滤光片。
所述准直扩束器30用于将激光光束进行准直和扩束，使得出射的激光光束要略大于阵列式检测器70的面积，本实施例中选用北京大恒光电公司生产的GCO-2503连续变倍扩束镜头，扩束比5到10倍。
对颗粒测试采用湿法检测较为适宜，并且在颗粒分散过程中要添加分散剂来让粉末充分完全分散，本实施例中选用酒精作为分散剂。颗粒样品池40采用光学玻璃制成，从而激光光束能够直接透射玻璃表面照射到颗粒样品池40中的颗粒。
电控的旋转台50采用步进电机控制，以实现高精度360°旋转，本实施例中选用北京大恒光电公司生产的GCD-011060M电控旋转台。
精密旋转台50采用步进控制方式，每转动一个角度，阵列式检测器70便可获取该角度下的全息图。旋转台50和阵列式检测器70通过信号同步控制器来实现同步。旋转台50的单次步进角度越小，获得的全息图越多，检测越为精确，但检测速度会变慢。因此步进角度可根据实际情况进行选择。本实施例中，设定每次步进角度为10°，转动一周需要旋转36次，获得36个角度下的全息图，旋转台每转动10°，等待1s进行全息图记录，然后再转动，不断重复上述动作，转完一周停止。
为提高成像分辨率，本发明采用显微全息光路结构。显微镜60用于光场预放大，本实施例选用moritex公司生产的型号MML3-HR65VI-5M镜头。显微镜头为远心镜头，放大倍率3×，C接口，视场2/3英寸。
阵列式检测器70选用北京大恒光电公司生产的型号为MER-502-79U3M/C-LCMOS相机，分辨率2048×2048像素，光敏面尺寸2/3英寸，帧频为79fps，信号接口为USB3.0。在每一个角度下，相机能够获取多幅含有颗粒三维信息的全息图像，并基于平均叠加法消除再现像中的散斑噪声。
在本实施例中，颗粒样品池40的颗粒密度控制在1个/mm3，颗粒球形度检测区域是以旋转台50的转轴为旋转中心、边长约10mm的立方体内(主要取决了阵列探测器70的尺寸)，大约可同时检测1000个粒子。与传统的显微成像法相比，本发明中的检测装置可大幅提高检测效率。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
下面结合具体工作过程和附图，对本发明的检测装置和检测方法进行详细说明：
S1，沿着激光的发射方向依次顺序布置激光光源10、滤光片20、准直扩束器30、颗粒样品池40、显微镜60、阵列式检测器70；所述颗粒样品池40置于电控的旋转台50上；电控的所述旋转台50和阵列式检测器70均通过信号线连接计算机80；
S2，激光光源10所发出的单色性的相干光经滤光片20过滤，再经准直扩束器30准直和扩束后对颗粒样品池40内的颗粒进行照射，相干光照射在颗粒上，被颗粒散射，散射光束和直接透射光束相干涉形成干涉条纹；所得到的颗粒的干涉条纹经显微镜60放大后照射到阵列式检测器70上，所述阵列式检测器70检测干涉条纹的光强信号，并记录颗粒样品池40内所有颗粒的全息图数据，所述阵列式检测器70将得到的所有颗粒的全息图数据均发送至计算机80进行处理；所述计算机80根据全息图数据，利用计算机模拟光学衍射过程，构造出颗粒样品池40内的每一个颗粒的二维截面投影，并对所得二维截面投影进行椭圆拟合，然后计算得到每一个颗粒对应的椭圆的椭圆系数，所述椭圆系数即为拟合得到的椭圆的短轴与长轴之比；
S3，控制旋转台50转动设定角度10°，此时颗粒样品池40跟随旋转台50转动，从而颗粒样品池40中的颗粒跟随颗粒样品池40由步骤S2中的前一位置转到下一位置；同样，激光光源10所发出的单色性的相干光继续对颗粒样品池40内的颗粒进行照射，从而所述阵列式检测器70获得所有颗粒在转动后位置的干涉条纹，阵列式检测器70根据所得干涉条纹得到并记录所有颗粒在转动后的全息图数据，所述阵列式检测器70将得到的此角度下的所有颗粒的全息图数据均发送至计算机80进行处理；所述计算机80根据全息图数据，利用计算机模拟光学衍射过程，构造出颗粒样品池40内的每一个颗粒的二维截面投影，并对所得二维截面投影进行椭圆拟合，然后计算得到每一个颗粒对应的椭圆的椭圆系数，所述椭圆系数即为拟合得到的椭圆的短轴与长轴之比。
然后继续按照设定角度转动颗粒样品池40，直至获得颗粒样品池40内的所有颗粒的在不同位置时的多个二维截面投影的椭圆系数。
由于颗粒40非常微小，因此如何准确得知某一颗粒在转动设定角度后的具体位置，从而将因颗粒样品池40转动而身处不同位置处的同一颗粒的二维截面投影对应关联起来，是一个必须要解决的技术问题。根据数字全息原理，一张全息图即可获得每个粒子的空间坐标，为此，本发明采用了如下坐标匹配算法：
在所述颗粒样品池40中，当某一颗粒由前一位置A旋转到下一位置B时，确认此颗粒在下一位置B的坐标的方法如下：
如图2所示，以所述颗粒样品池40的旋转中心建立空间直角坐标系，设X轴、Z轴所组成的X-Z平面为水平面，Y轴为垂直于水平面的轴，设某一颗粒的前一位置A的坐标为(x,z,y)，此颗粒与Y-Z平面的角度为β，旋转方向已知，且此颗粒的旋转角度为α,则旋转后此颗粒在下一位置B的坐标为(x',z',y')，x',z',y'的值由以下公式计算得到：
β＝arctan(x/z)
y’＝y
由此可以提前算出此颗粒的下一位置B的具体坐标，也即可以获知此颗粒在旋转后的所述颗粒样品池40中的准确位置，然后采用单色性的相干光源对颗粒样品池40内的计算所得下一位置B处的颗粒进行照射，则可以获得同一个颗粒的在转动位置后的干涉条纹。
S4，当旋转台转动360°以后，对每一个颗粒，共获得36个二维截面，对应获得36个椭圆系数值；取此颗粒所得36个二维截面的椭圆系数的值，将椭圆系数值求和再平均，所得平均值即可作为此颗粒的颗粒球形度衡量标准，平均值越接近1则颗粒的形状越接近球体，即可实现对每一个颗粒的颗粒球形度的检测。
综上所述，本发明针对颗粒球形度检测难题，引入同轴数字全息术的新方法，通过结构简单的检测装置记录全息图，通过旋转颗粒样品池，获得颗粒在不同角度下的全息图，并利用计算机模拟光学衍射过程，解析全息图，获取颗粒在多个转动角度下的二维投影截面，实现颗粒球形度的快速检测，满足了实际应用中的多种需要。
Claims (9)
1.一种颗粒球形度同轴数字全息检测装置，其特征在于，包括沿着光照方向依次顺序布置的激光光源(10)、滤光片(20)、准直扩束器(30)、颗粒样品池(40)、显微镜(60)、阵列式检测器(70)；所述颗粒样品池(40)置于旋转台(50)上；所述阵列式检测器(70)连接计算机(80)；所述激光光源(10)、滤光片(20)、准直扩束器(30)、颗粒样品池(40)、显微镜(60)、阵列式检测器(70)的中心点均处于一条直线上；所述旋转台(50)为电控旋转台，此电控旋转台与计算机(80)电连接；所述颗粒样品池(40)可随所述旋转台(50)绕旋转台的中心轴旋转。
2.根据权利要求1所述的一种颗粒球形度同轴数字全息检测装置，其特征在于：所述激光光源(10)为单色性的相干光源；所述滤光片(20)使用带通滤光片；所述准直扩束器(30)用于将激光光源(10)发出的光束进行扩束和准直，使得光束的照射面积略大于所述阵列式检测器(70)的面积。
3.根据权利要求2所述的一种颗粒球形度同轴数字全息检测装置，其特征在于：所述旋转台(50)带动所述颗粒样品池(40)转动，改变所述颗粒样品池(40)中的颗粒相对于光束投射方向的位置，从而产生同一颗粒相对于不同角度光束投射方向下的干涉条纹；所述显微镜(60)用于放大所述干涉条纹，提高分辨率；所述阵列式检测器(70)检测干涉条纹的光强信号，记录同一颗粒对应于不同角度光束投射方向下的全息图数据，并将所述全息图数据传送到所述计算机(80)；所述计算机(80)根据同一颗粒对应于不同角度光束投射方向的全息图数据，利用计算机模拟光学衍射过程，构造出此颗粒对应于不同角度光束投射方向的二维截面投影，对每一个二维截面投影均进行椭圆拟合并计算椭圆系数，所述椭圆系数即为拟合得到的椭圆的短轴与长轴之比，然后取多个二维截面投影的椭圆系数的平均值，即可实现对此颗粒的颗粒球形度的检测。
4.根据权利要求3所述的一种颗粒球形度同轴数字全息检测装置，其特征在于：所述旋转台(50)采用步进的控制方式，旋转台(50)每转动一个角度，所述阵列式检测器(70)便可获取该角度下的颗粒的全息图数据；且所述旋转台(50)和所述阵列式检测器(70)通过信号同步控制器实现同步。
5.根据权利要求3所述的一种颗粒球形度同轴数字全息检测装置，其特征在于：所述颗粒样品池(40)内添加使颗粒充分分散的酒精。
6.根据权利要求3或4或5所述的一种颗粒球形度同轴数字全息检测装置，其特征在于：所述颗粒样品池(40)内的颗粒密度控制在1个/mm3。
7.一种颗粒球形度同轴数字全息检测方法，其特征在于：
S1，采用单色性的相干光源对颗粒样品池(40)内的颗粒进行照射，获得颗粒的干涉条纹，根据所得干涉条纹得到并记录颗粒样品池(40)内所有颗粒的全息图数据，然后根据全息图数据构造出每一个颗粒的二维截面投影，并对所得二维截面投影进行椭圆拟合，然后计算得到每一个颗粒对应的椭圆的椭圆系数，所述椭圆系数即为拟合得到的椭圆的短轴与长轴之比；
S2，转动颗粒样品池(40)，此时颗粒样品池(40)中的颗粒跟随颗粒样品池(40)转到另一个位置，获得所有颗粒在转动后位置的干涉条纹，根据所得干涉条纹得到并记录所有颗粒在转动后的全息图数据，然后根据全息图数据构造出每一个颗粒在转动后位置的二维截面投影，对所得二维截面投影进行椭圆拟合，然后计算得到每一个颗粒对应的椭圆的椭圆系数，所述椭圆系数即为拟合得到的椭圆的短轴与长轴之比；然后继续转动颗粒样品池(40)，直至获得所有颗粒的在不同位置时的多个二维截面投影的椭圆系数；
S3，对每一个颗粒通过前述操作获得的多个二维截面投影的椭圆系数取平均值，即可实现对每一个颗粒的颗粒球形度的检测。
8.根据权利要求7所述的一种颗粒球形度同轴数字全息检测方法，其特征在于，在整个检测过程中，所述颗粒样品池(40)共旋转360度，且所述颗粒样品池(40)每次旋转的角度均相同。
9.根据权利要求7所述的一种颗粒球形度同轴数字全息检测方法，其特征在于，在所述颗粒样品池(40)中，当某一颗粒由前一位置旋转到下一位置时，确认此颗粒在下一位置的方法如下：
以所述颗粒样品池(40)的旋转中心建立空间直角坐标系，设X轴、Z轴所组成的X-Z平面为水平面，Y轴为垂直于水平面的轴，设某一颗粒的前一位置的坐标为(x,z,y)，且此颗粒与Y-Z平面的角度为β，旋转方向已知，且此颗粒的旋转角度为α,则旋转后此颗粒的坐标为(x',z',y')，x',z',y'的值由以下公式计算得到：
β＝arctan(x/z)
y’＝y
由此可以提前算出此颗粒的下一位置，也即此颗粒在旋转后的所述颗粒样品池(40)中的位置，然后采用单色性的相干光源对颗粒样品池(40)内的计算所得下一位置处的颗粒进行照射，则可以获得同一个颗粒的在转动后的干涉条纹。
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