CN107255608B - 一种基于单光电探测器的颗粒粒度测量仪 - Google Patents
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Abstract
本发明设计了一种基于单光电探测器的颗粒粒度测量仪，所用元件包括：数字微镜阵列(DMD)及控制电路、傅立叶透镜、会聚透镜、单光电探测器。该方法包括以下步骤：激光经过扩束形成平行光，照射被测颗粒发生衍射，经过傅立叶透镜会聚后，衍射光照射在位于焦平面的DMD数字微镜上。DMD微镜片逐个偏转到反射状态，单光电探测器收集反射光，确定反射光光强最大的位置为衍射光斑中心。从衍射光斑中心开始，以条形排布偏转数字微镜阵列的微镜片到反射状态，单光电探测器采集对应位置的反射光强，得到一个列向量，即衍射光强的投影光强。最后利用阿贝尔逆变换和积分反演计算颗粒粒径分布。本发明结构简单，操作方便，计算速度快，在颗粒粒径测量领域有较高的使用价值和广阔的应用前景。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种基于单光电探测器的颗粒粒度测量仪，特别涉及一种利用数字微镜阵列 (Digital Micromirror Device，简称DMD)和单光电探测器组成的光电转换器件，将激光调制技术领域应用于颗粒粒度测量技术领域。
(二)背景技术
颗粒粒度的精确测量对于科学研究、工业生产、日常生活等各个方面都有着非常重要的作用，为了对颗粒粒度进行测量，人们发明了许多方法如：沉降法、筛分法、电泳法、显微镜法、色谱法、光散射法等。在人们研发的各类粒径测量方法中，光散射法以其高精度、非侵入、方便快速等优点受到了广泛的重视。光散射法颗粒粒度仪的理论基础通常是米氏散射理论，但是由于米氏散射理论计算复杂，米氏散射理论的简化模型——夫琅禾费衍射理论得到了更广泛的应用。无论是基于米氏散射理论，还是基于简化模型夫琅禾费衍射理论，光散射法颗粒粒度仪的核心技术都是获得精确的颗粒衍射光强分布。
为了获得衍射光强分布，人们设计了光电环作为光电转换元件，并广泛的应用于颗粒粒度测量中(J.Swithenbank,J.Beer,D.Taylor,D.Abbot,and G.Mccreath,"A laserdiagnostic technique for the measurement of droplet and particle sizedistribution,"14th Aerospace Sciences Meeting.1976:69.)，具体测量方法为：以激光为光源，将激光扩束之后，平行光照射被测颗粒发生衍射，衍射光经过傅立叶透镜会聚，一个光电环被放置于傅立叶透镜的焦平面上，将光信号转换为电信号，测得衍射光强分布。光电环是一种专门设计用于测量衍射光强的环形光电探测器，一系列圆弧形敏感元件同心排布，圆心处开孔。测量过程中，光电环中心必须精确对准衍射光斑的中心，使衍射光斑中心亮点通过光电环中心的通孔，保证光电环测量精度、防止中心光强过强导致饱和。光电环作为光电转换元件，存在的问题有：每次测量前都要精确调节光路，操作繁琐，耗时较长，测量系统易受外界干扰，任何外界扰动都可能导致光路变化、对中不准，使测量精度降低；光电环在生产的过程中，难以保证每一环对光强响应的均一性，因此测得的衍射光强分布存在畸变，需要对光电环进行校准，过程较为复杂；受到光电环的结构和加工尺寸的限制，只能排布几十个半圆形敏感元件，因此只能得到较少的衍射光强值，通常通过迭代的方法求解病态方程得到颗粒粒度分布，耗时长，计算复杂。综上，优化衍射光强获取方式是改进基于前向光散射法的颗粒粒度测量仪的关键，其中优化光电转换器件的设计是简化粒度测量操作、提高颗粒粒度分布计算速度的最有效手段。
在改进光电转换器件的尝试中，采用DMD的测量结构是一种较为有效的方法(J.Zhou,Z. Cao,H.Xie,and L.Xu,"Compressive sensing for particle sizeretrieval by using a digital micro-mirror device-based detector,"PowderTechnol.2016,304:27-31.J.Zhou,Z.Cao,H.Xie, and L.Xu,"Digital micro-mirrordevice-based detector for particle-sizing instruments via Fraunhoferdiffraction,"Appl.Opt.2015,54(18):5842-5849.)。DMD是一种基于MEMS技术的光开关阵列，表面排布几十万个边长约10微米的正方形微镜片，每个微镜片通过MEMS工艺制作，受电压信号控制偏转±12度，对应DMD作为光开关的0、1两种状态，可以通过控制微镜片偏转实现对入射光线的选通。采用DMD作为测量衍射光强的光电转换器件，利用了其调制速度快、精度高、光能损失小等优点，将DMD放置于光电环的位置，令DMD微镜片按照光电环的形状进行偏转，由一个探测器进行接收，解决了光电环不同环之间的不均一问题。然而，由于DMD的微镜片呈方阵排布，且分辨率是有限的，因此DMD微镜片排布成的光电环在每一环边缘处存在误差，而且构成的环形越小，相对误差越大。
本发明采用DMD和单光电探测器作为光电转换器件，以条形排布偏转数字微镜阵列的微镜片到反射状态，相当于对衍射光斑进行了阿贝尔变换，充分利用DMD微镜片方阵排布的结构，减少了由于DMD分辨率有限造成的误差。测量过程为：激光经过扩束，照射到被测颗粒发生衍射；衍射光经过傅立叶透镜，照射到位于透镜焦平面的DMD镜阵上；DMD相当于一个光开关，由DMD控制电路驱动微镜片偏转，改变光束方向，在DMD反射光路上用单光电探测器接收处于反射状态的DMD微镜片对应的反射光，通过逐个微镜片偏转的方法，搜索到衍射光斑中心，再将微镜片以条形排布到反射状态，对照射到DMD上的衍射光进行了阿贝尔变换，得到投影光强。数据处理方面，通过利用阿贝尔逆变换从投影光强复原衍射光强，最后通过积分反演得到粒度分布。
(三)发明内容
基于前向光散射法的粒度测量仪的核心技术是如何精确获取衍射光强分布。市面上大多数粒度仪都是采用光电环作为光电转换元件，获取衍射光强。光电环环数有限，且每次实验都需要调节光路，才能保证衍射光斑中心与光电环中心精确对准，操作复杂。
本发明提出一种基于单光电探测器的颗粒粒度测量仪，采用DMD和单光电探测器作为光电转换元件，实现对衍射光强分布的测量。
所用元件包括：DMD及控制电路、傅立叶透镜、会聚透镜、单光电探测器。
本发明采用的技术方案是：激光经过扩束之后，照射被测颗粒发生衍射，衍射光经过傅立叶透镜会聚之后，照射在位于透镜焦平面的DMD上。DMD相当于一个光开关，在DMD 控制电路的控制下偏转，将部分光线反射到位于反射光路的会聚透镜上。会聚透镜将反射光会聚到单光电探测器上，单光电探测器接收光强，得到衍射光斑中心及衍射光强的投影光强。通过阿贝尔逆变换，从投影光强还原衍射光强，并通过积分反演，计算得到颗粒粒度分布。
本发明的优点在于：1.本发明中只使用了一个光电探测器，从而解决的多个探测器响应特性不均一带来的误差，提高了测量的精度；2.传统的光电环要求衍射光斑中心精确地穿过光电环中心小孔，因此需要精准地调节光路；而本发明采用了DMD，只要衍射光斑中心照射到DMD上，就可以自动寻找中心，DMD面积较大，因此调节光路非常容易；3.DMD调制的方法为若干行微镜片合并为一组，逐组偏转，经过阿贝尔逆变换之后，得到的数据量远远多于光电环的数据量，即可以得到一条相对连续的衍射光强分布，因此，不再需要求解欠定方程，转而采用积分反演的方法计算颗粒粒度分布，大大减小了计算量，提高了求解速度。
(四)附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明实施的模拟实验结果。
附图标示
1、被测颗粒 2、傅立叶透镜 3、DMD数字微镜阵列 4.会聚透镜 5.单光电探测器
(五)具体实施方式
在图1中，被测颗粒(1)、傅立叶透镜(2)、DMD数字微镜阵列(3)放置于一条光轴上，傅立叶透镜(2)位于被测颗粒(1)和DMD数字微镜阵列(3)之间，DMD数字微镜阵列(3)位于傅立叶透镜(2)的焦点处；会聚透镜(4)、单光电探测器(5)放置于反射光路，会聚透镜(4)位于DMD数字微镜阵列(3)和单光电探测器(5)之间。
步骤1：激光经过扩束形成平行光，平行光照射被测颗粒发生衍射，经过傅立叶透镜会聚后，衍射光照射在位于焦平面的DMD的微镜片上。
步骤2：DMD的微镜片逐个偏转到反射状态，同时单光电探测器收集反射光，确定反射光光强最大的位置为衍射光斑的中心。
步骤3：从衍射光斑中心开始，以条形排布偏转数字微镜阵列的微镜片到反射状态，单光电探测器采集对应位置的反射光光强，得到一个列向量，即衍射光强的投影光强P。
步骤4：利用阿贝尔逆变换处理投影光强，计算得到衍射光强
其中，y为投影光强的横坐标，r为衍射光强的横坐标，R为衍射光强的向量长度，P′为 P的导数。
通过衍射光强利用积分反演计算颗粒粒径分布
其中，λ为入射激光波长，I0为入射光光强，t为颗粒的光学尺寸参数，等于颗粒半径的 2π/λ倍。
图2是本发明实施的模拟实验结果。图2中包含两条曲线作为对比，即原始分布与反演分布。原始分布为通过R-R分布表达式计算得到的颗粒粒径分布，表达式如下
其中，d为颗粒直径，d0为分布的位置参数，Ns为分布的散布参数。
反演分布为原始分布经过上述步骤之后，计算得到的结果。通过对比可知，反演分布与原始分布基本吻合，说明本方法具有可行性。
Claims (1)
1.一种基于单光电探测器的颗粒粒度测量仪，包括数字微镜阵列及控制电路、傅立叶透镜、会聚透镜、单光电探测器，其特征在于，被测颗粒、傅立叶透镜、数字微镜阵列放置于前向散射光路上，傅立叶透镜位于被测颗粒和数字微镜阵列之间，数字微镜阵列位于傅立叶透镜的焦点处，会聚透镜、单光电探测器放置于数字微镜阵列的反射光路上，会聚透镜位于数字微镜阵列和单光电探测器之间，平行光照射被测颗粒发生衍射，衍射光经过傅立叶透镜会聚在数字微镜阵列上，数字微镜阵列通过控制电路控制，反射部分光，部分光通过会聚透镜汇聚到单光电探测器上，数字微镜阵列的微镜片逐个偏转到反射状态，单光电探测器收集反射光，确定反射光光强最大的位置为衍射光斑中心，从衍射光斑中心开始，以条形排布偏转数字微镜阵列的微镜片到反射状态，单光电探测器采集对应位置的反射光强，得到一个列向量，即衍射光强的投影光强，利用阿贝尔逆变换处理投影光强得到衍射光强，利用积分反演处理衍射光强得到颗粒粒径分布。
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