CN107345893B - 一种粒子散射相函数测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种粒子散射相函数测量装置及测量方法，本发明涉及粒子散射相函数测量装置及测量方法。本发明的目的是为了解决现有方法将探测器放置在透明容器外部时玻璃容器表面反射及内部界面多重反射的影响引起的测量误差大以及现有测量方法不能在悬浮颗粒样品量少的条件下准确获得其散射相函数的问题。过程为：一、实验测量盛装在透明圆形比色皿中的标准粒子系在不同散射角下的散射光强分布；二、得到不同散射角下标准粒子系散射相函数的修正系数；三、实验测量待测粒子系的散射光强分布，利用得到的标准粒子系散射相函数的修正系数去修正待测粒子系的散射光强分布，得到待测粒子系的散射相函数。本发明用于粒子散射相函数测量。
Description
技术领域
本发明涉及粒子散射相函数的测量装置及测量方法。
背景技术
粒子的散射相函数与吸收系数、散射系数等构成颗粒弥散介质的基本辐射特性参数，在大气遥感、海洋光学、燃烧过程模拟、光生物反应器、太阳能利用等涉及颗粒弥散介质辐射传输的领域均有重要应用。粒子散射相函数的测量有间接测量和直接测量两种方法。间接测量方法一般基于辐射传递正问题的求解结合反演算法获得散射相函数。这种方法需要事先假定散射相函数的参数化模型，一般不能得到颗粒的准确散射相函数。对于直接测量方法，一般通过周向布置的探测器来进行测量，通过探测器检测不同散射角度的散射光信号。传统的直接测量方法为浸入式测量，即将探测器浸入在液体内部，因为可以避免容器的界面反射干扰从而较准确的获得颗粒的散射相函数。但是该模式需要大量样品，不能在悬浮颗粒样品量少的条件下准确获得其散射相函数，同时探测器有受到样品污染的风险。虽然将探测器放置在透明容器外部时可不需要大的样品池，探测器也不会被污染，测试方便，但是会受到玻璃容器表面反射及内部界面多重反射的影响而引起很大测量误差。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有方法将探测器放置在透明容器外部时玻璃容器表面反射及内部界面多重反射的影响引起的测量误差大以及现有测量方法不能在悬浮颗粒样品量少的条件下准确获得其散射相函数的问题，而提出一种粒子散射相函数测量装置及测量方法。
一种粒子散射相函数测量装置包括激光器(1)、斩光器(2)、分束器(3)、静态探测器(探测器1)(4)、动态探测器(探测器2)(5)、圆形比色皿(6)、平凸透镜(7)、前置放大器(8)和锁相放大器(9)；
激光器(1)发射激光，激光通过斩光器(2)到达分束器(3)，激光经分束器(3)后分为2束激光，2束光成90度角，其中一束激光法向照射装有粒子混悬液的圆形比色皿(6)，动态探测器(探测器2)(5)测量圆形比色皿(6)中粒子混悬液的粒子系光强信号；
动态探测器(探测器2)(5)与圆形比色皿(6)之间设置2个平凸透镜(7)；
动态探测器(探测器2)(5)与步进电机信号连接，步进电机控制动态探测器(5)(探测器2)移动，对圆形比色皿(6)中粒子混悬液的粒子系光强信号进行多角度测量；
另一束激光法向照射静态探测器(4)(探测器1)，静态探测器(4)测量激光的光强信号；
动态探测器(探测器2)(5)与静态探测器(4)分别连接前置放大器(8)和锁相放大器(9)，将测量得到的粒子系光强信号和激光的光强信号传递给前置放大器(8)和锁相放大器(9)。
一种粒子散射相函数测量方法具体过程为：
步骤一、实验测量盛装在透明圆形比色皿中的标准粒子系在不同散射角下的散射光强分布；
步骤二、对标准粒子的粒径分布进行测定，通过米散射理论计算标准粒子系散射相函数理论值，求解标准粒子系在不同散射角下的散射光强分布与标准粒子系散射相函数理论值的比值，得到不同散射角下标准粒子系散射相函数的修正系数；
步骤三、实验测量盛装在透明圆形比色皿中的待测粒子系在不同散射角下的散射光强分布，利用得到的标准粒子系散射相函数的修正系数去修正待测粒子系在不同散射角下的散射光强分布，得到待测粒子系的散射相函数。
发明效果
由于本发明充分考虑了玻璃对测量产生的影响，采用分步计算的方式，即首先实验测量盛装在透明圆形比色皿中标准粒子的散射光强分布，然后用Lorenz-Mie模拟计算得到已知粒径分布的标准粒子系散射相函数理论值，标准粒子散射光强分布与理论散射相函数值对比得到不同散射角下标准粒子系散射相函数的修正系数，最后实验测量待测粒子的散射光强分布，利用得到的标准粒子系散射相函数的修正系数去修正待测粒子的散射光强分布，得到待测粒子的散射相函数，为一种非浸入式测量方法，装置简单，同时测量时需要的样品量少，降低了测量误差。
如图4是聚苯乙烯粒子系散射相函数实验测量值与Lorenz-Mie理论值随散射角的分布。聚苯乙烯混悬液(供应商：天津市倍思乐色谱技术开发中心)的基液为蒸馏水，单分散聚苯乙烯标准微球直径为0.5μm。聚苯乙烯在532nm波长下的折射指数是1.59。如图所示，修正并归一化后聚苯乙烯粒子系散射相函数实验测量值与Lorenz-Mie理论值两曲线吻合较好，进而说明该方法能够消除器皿的影响，提高粒子系散射相函数测量的精度。
附图说明
图1是具体实施方式一提出的粒子系散射相函数测量实验原理图；
图2是实施例提出的二氧化硅粒子系散射相函数图；
图3是实施例提出的散射相函数的修正系数图；
图4是实施例提出的聚苯乙烯粒子系散射相函数图；
图5是具体实施方式三提出的一种粒子散射相函数测量方法流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种粒子散射相函数测量装置包括激光器(1)、斩光器(2)、分束器(3)、静态探测器(探测器1)(4)、动态探测器(探测器2)(5)、圆形比色皿(6)、平凸透镜(7)、前置放大器(8)和锁相放大器(9)；
激光器(1)发射激光(参考激光)，激光通过斩光器(2)到达分束器(3)，激光经分束器(3)后分为2束激光，2束光成90度角，其中一束激光法向照射装有粒子混悬液的圆形比色皿(6)，动态探测器(探测器2)(5)测量圆形比色皿(6)中粒子混悬液的粒子系光强信号；
动态探测器(探测器2)(5)与圆形比色皿(6)之间设置2个平凸透镜(7)；
动态探测器(探测器2)(5)与步进电机信号连接，步进电机控制动态探测器(5)(探测器2)移动，对圆形比色皿(6)中粒子混悬液的粒子系光强信号进行多角度测量，就可以获得一定波长在多角度下的散射光强分布的实验结果；
另一束激光法向照射静态探测器(4)(探测器1)，静态探测器(4)测量激光的光强信号；以静态探测器(探测器1)的测量信号作为参考光强信号，
动态探测器(探测器2)(5)与静态探测器(4)分别连接前置放大器(8)和锁相放大器(9)，将测量得到的粒子系光强信号和激光的光强信号传递给前置放大器(8)和锁相放大器(9)。
实验装置中探测器1和探测器2的测量信号接入前置放大器和锁相放大器，这可以显著提高对微弱散射信号的探测灵敏度。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述2个平凸透镜(7)的凸面相对设置，两个平凸透镜的平面分别面向圆形比色皿(6)和动态探测器(探测器2)(5)设置。
该方式只能接收垂直探头方向的光线，从而可消除杂散光的影响。
先根据需要选取一定波长的激光器(或其它形式的单色光源)，激光器发射激光，激光通过斩光器到达分束器，激光经分束器后分为2束激光，其中一激光法向照射装有粒子混悬液的圆形比色皿池，然后通过步进电机调整动态探测器(探测器2)的角度进行多角度测量，就可以获得一定波长在多角度下的散射光强分布的实验结果；
另一束激光照射静态探测器(探测器1)，以静态探测器(探测器1)的测量信号作为参考光强信号，
探测器2与圆形比色皿池之间放置两个平凸透镜，且两个平凸透镜的凸相对设置，两个平凸透镜的平面分别面向圆形比色皿池和探测器2设置，(动态探测器(探测器2)的前面放置两个平凸透镜)，该方式只能接收垂直探头方向的光线，从而可消除杂散光的影响。实验装置中探测器1和探测器2的测量信号接入前置放大器和锁相放大器，这可以显著提高对微弱散射信号的探测灵敏度。
动态探测器的周向移动通过步进电机驱动，提供水平入射方向从0到180°的动态测量范围；
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图5说明本实施方式，本实施方式的一种粒子散射相函数测量方法具体是按照以下步骤实施的：
步骤一、实验测量盛装在透明圆形比色皿中的标准粒子系在不同散射角下的散射光强分布；
步骤二、对标准粒子的粒径分布进行测定，通过米散射理论计算标准粒子系散射相函数理论值，求解标准粒子系在不同散射角下的散射光强分布与标准粒子系散射相函数理论值的比值，得到不同散射角下标准粒子系散射相函数的修正系数；
步骤三、实验测量盛装在透明圆形比色皿中的待测粒子系在不同散射角下的散射光强分布，利用得到的标准粒子系散射相函数的修正系数去修正待测粒子系在不同散射角下的散射光强分布，得到待测粒子系的散射相函数；即完成了一种测量粒子系散射相函数的参比法。
本实施方式效果：
本实施方式充分考虑了透明玻璃器皿对于粒子系散射相函数测量的影响，弥补了现存方法中测量粒子系散射相函数的缺陷，提高了测量精度如图4。图4是修正后结果与Lorenz-Mie计算得到的散射相函数理论值进行对比，而本发明方法得到的数值结果与理论值吻合较好，消除了玻璃器皿对于散射相函数测量的影响。
由于本实施方式充分考虑了玻璃对测量产生的影响，采用分步计算的方式，即首先实验测量盛装在透明圆形比色皿中标准粒子的散射光强分布，然后用Lorenz-Mie模拟计算得到已知粒径分布的标准粒子系散射相函数理论值，标准粒子散射光强分布与理论散射相函数值对比得到不同散射角下标准粒子系散射相函数的修正系数，最后实验测量待测粒子的散射光强分布，利用得到的标准粒子系散射相函数的修正系数去修正待测粒子的散射光强分布，对修正后的待测粒子散射光强分布进行归一化处理，得到待测粒子的散射相函数。本发明是要解决现有测量方法测量时忽略玻璃器皿影响从而产生偏差的问题，提出一种简洁方便且又能获得高精度粒子系散射相函数的测量方法。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：所述步骤一中实验测量盛装在透明圆形比色皿中的标准粒子系在不同散射角下的散射光强分布；具体过程为：
实验测量粒子的散射光强分布时，由于散射相函数的数量级跨度较大(104～10-3)，所以当探测弱信号时需要用锁相放大器放大其强度，且需要在不同放大档位进行多次测量来提高其精度。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
如图1所示，探测器2与圆形比色皿池之间放置两个平凸透镜，且两个平凸透镜的凸相对设置，两个平凸透镜的平面分别面向圆形比色皿池和探测器2设置，计算并确定焦距位置后将它们放入透镜套管中，从而保证探测器2只能接收垂直方向O点的光线。
在单次散射条件下，待测粒子在O点的光通量表示为：
式中：q0是入射光通量；tcuv是比色皿容器玻璃的透射比；LOA是A点到O点的直线距离；A点为激光通过圆形比色皿池O点与比色皿池的交点，O点为圆形比色皿池和中心位置，βeff是介质等效衰减系数；在散射角为Θ时，探测器2探测到的待测粒子光通量为：
式中：Φ(Θ)是待测粒子散射角为Θ的散射相函数；σ是待测粒子介质的散射系数；LOB是B点到O点的直线距离；B点为比色皿池O点与探测器2连线在比色皿池上的交点；ΔΩ是探测器2相对于O点的立体角；G(Θ)是圆形比色皿皿池与介质相互影响的修正系数；公式(2)转化为：
以标准粒子作为参考时，标准粒子的散射相函数为：
式中：qD,Ref(Θ)为在散射角为Θ时，待测粒子探测器2探测到的待测粒子的光通量，σRef为待测粒子介质的散射系数，Ref为待测粒子；
把公式3和4相除可得：
式中：X为一个定值系数；从公式(5)可得，待测粒子和参考粒子的散射相函数比值大小只与不同散射角的探测器接收信号数值和X大小相关；由此可知，使用单分散标准粒子作为参考系，能消除玻璃器皿对粒子系散射相函数测量产生的影响。
测量系统中，散射强度分布的实验测量关系为：标准粒子系在不同散射角下的散射光强分布SEXP(Θ)为：
式中：qD，1(Θ)为静态探测器(探测器1)(4)测量标准粒子系得到的光强信号；qD，2(Θ)为动态探测器(探测器2)(5)探测器2(散射信号探测器)测量标准粒子系得到的光强信号；a为分束系数，当光路确定以后，该系数应为常数(当光路确定后，激光光源强度确定时，激光经分束器后，一条激光法向量直接入射到探测器1和另一条激光法向量入射到探测器2，探测器1与探测器2的比值为分束系数)；ΔΩ为动态探测器(探测器2)(5)相对于O点的立体角；O点为透明圆形比色皿的中心位置。
其它步骤及参数与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三或四不同的是：所述步骤二中对标准粒子的粒径分布进行测定，通过米散射理论计算标准粒子系散射相函数理论值，求解标准粒子系在不同散射角下的散射光强分布与标准粒子系散射相函数理论值的比值，得到不同散射角下标准粒子系散射相函数的修正系数；具体过程为：
在单散射条件下，对标准粒子的粒径分布进行测定(显微镜拍照片，用ImageJ软件)，通过米散射理论计算标准粒子系散射相函数理论值ΦMie(Θ)，求解标准粒子系在不同散射角下的散射光强分布SEXP(Θ)与标准粒子系散射相函数理论值ΦMie(Θ)的比值，得到不同散射角下标准粒子系散射相函数的修正系数U(Θ)，公式为：
其它步骤及参数与具体实施方式三或四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三至五之一不同的是：所述步骤三中实验测量盛装在透明圆形比色皿中的待测粒子系在不同散射角下的散射光强分布，利用得到的标准粒子系散射相函数的修正系数去修正待测粒子系在不同散射角下的散射光强分布，得到待测粒子系的散射相函数；具体过程为：
待测粒子系在不同散射角下的散射光强分布SEXP(Θ)′为：
式中，qD,2(Θ)′为动态探测器(探测器2)(5)(散射信号探测器)测量待测粒子系得到的光强信号；qD,1(Θ)′为静态探测器(探测器1)(4)测量待测粒子系得到的光强信号；
利用得到的标准粒子系散射相函数的修正系数U(Θ)去修正待测粒子的散射光强分布SEXP(Θ)′，得到待测粒子系散射相函数，表示为：
对得到的待测粒子的散射相函数Φ(Θ)进行归一化处理，得到待测粒子的散射相函数。
步骤三中计算散射相函数修正系数时，参考粒子的粒径分布对其至关重要，因此需要精确给出。
其它步骤及参数与具体实施方式三至五之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例是一种粒子散射相函数测量方法具体是按照以下步骤实施的：
二氧化硅标准微球(供应商：天津市倍思乐色谱技术开发中心)被选为验证样本，其基液为蒸馏水。二氧化硅标准微球直径为0.5μm，且待测样本为单分散微球。盛放待测样本圆形比色皿池的玻璃壁厚为1.5mm。特别注意的是实验测量的时候光斑要控制的尽量小(光斑直径小于或者等于1mm)，使光斑入射圆形比色皿时近似于平面入射。激光器的波长为532nm，二氧化硅在此波长下的折射指数是1.46。
图2是二氧化硅粒子实验测量散射光强分布与Lorenz-Mie散射相函数理论值随散射角的分布。在散射角从0°变化至160°时散射光强从103数量级降低至10-2数量级，由于探测器本身的遮挡，在临近散射角180°的附近5°数据无法有效探测到。图3是散射相函数的修正系数。在每个散射角下的修正系数是通过实验测量的散射光强值除以Lorenz-Mie散射相函数理论值得到，但由于遮挡作用，临近散射角180°的附近5°数据没有给出。
图4是聚苯乙烯粒子系散射相函数实验测量值与Lorenz-Mie理论值随散射角的分布。聚苯乙烯混悬液(供应商：天津市倍思乐色谱技术开发中心)的基液为蒸馏水，单分散聚苯乙烯标准微球直径为0.5μm。聚苯乙烯在532nm波长下的折射指数是1.59。如图所示，修正并归一化后聚苯乙烯粒子系散射相函数实验测量值与Lorenz-Mie理论值两曲线吻合较好，进而说明该方法能够消除器皿的影响，提高粒子系散射相函数测量的精度。
以上实例的结果表明，本发明中的方法能够消除玻璃容器的影响，经修正后其结果更加准确有效。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (1)
1.一种粒子散射相函数测量方法，是基于一种粒子散射相函数测量装置实现的，一种粒子散射相函数测量装置包括激光器(1)、斩光器(2)、分束器(3)、静态探测器(4)、动态探测器(5)、圆形比色皿(6)、平凸透镜(7)、前置放大器(8)和锁相放大器(9)；
激光器(1)发射激光，激光通过斩光器(2)到达分束器(3)，激光经分束器(3)后分为2束激光，2束光成90度角，其中一束激光法向照射装有粒子混悬液的圆形比色皿(6)，动态探测器(5)测量圆形比色皿(6)中粒子混悬液的粒子系光强信号；
动态探测器(5)与圆形比色皿(6)之间设置2个平凸透镜(7)；
动态探测器(5)与步进电机信号连接，步进电机控制动态探测器(5)移动，对圆形比色皿(6)中粒子混悬液的粒子系光强信号进行多角度测量；
另一束激光法向照射静态探测器(4)，静态探测器(4)测量激光的光强信号；
动态探测器(5)与静态探测器(4)分别连接前置放大器(8)和锁相放大器(9)，将测量得到的粒子系光强信号和激光的光强信号传递给前置放大器(8)和锁相放大器(9)；
所述2个平凸透镜(7)的凸面相对设置，两个平凸透镜的平面分别面向圆形比色皿(6)和动态探测器(5)设置；
其特征在于：一种粒子散射相函数测量方法具体过程为：
步骤一、实验测量盛装在透明圆形比色皿中的标准粒子系在不同散射角下的散射光强分布；
步骤二、对标准粒子的粒径分布进行测定，通过米散射理论计算标准粒子系散射相函数理论值，求解标准粒子系在不同散射角下的散射光强分布与标准粒子系散射相函数理论值的比值，得到不同散射角下标准粒子系散射相函数的修正系数；
步骤三、实验测量盛装在透明圆形比色皿中的待测粒子系在不同散射角下的散射光强分布，利用得到的标准粒子系散射相函数的修正系数去修正待测粒子系在不同散射角下的散射光强分布，得到待测粒子系的散射相函数；
所述步骤一中实验测量盛装在透明圆形比色皿中的标准粒子系在不同散射角下的散射光强分布；具体过程为：
标准粒子系在不同散射角下的散射光强分布SEXP(Θ)为：
式中：qD，1(Θ)为静态探测器(4)测量标准粒子系得到的光强信号；qD，2(Θ)为动态探测器(5)测量标准粒子系得到的光强信号；a为分束系数；ΔΩ为动态探测器(5)相对于O点的立体角；O点为透明圆形比色皿的中心位置；
所述步骤二中对标准粒子的粒径分布进行测定，通过米散射理论计算标准粒子系散射相函数理论值，求解标准粒子系在不同散射角下的散射光强分布与标准粒子系散射相函数理论值的比值，得到不同散射角下标准粒子系散射相函数的修正系数；具体过程为：
在单散射条件下，对标准粒子的粒径分布进行测定，通过米散射理论计算标准粒子系散射相函数理论值ΦMie(Θ)，求解标准粒子系在不同散射角下的散射光强分布SEXP(Θ)与标准粒子系散射相函数理论值ΦMie(Θ)的比值，得到不同散射角下标准粒子系散射相函数的修正系数U(Θ)，公式为：
所述步骤三中实验测量盛装在透明圆形比色皿中的待测粒子系在不同散射角下的散射光强分布，利用得到的标准粒子系散射相函数的修正系数去修正待测粒子系在不同散射角下的散射光强分布，得到待测粒子系的散射相函数；具体过程为：
待测粒子系在不同散射角下的散射光强分布SEXP(Θ)′为：
式中，qD,2(Θ)′为动态探测器(5)测量待测粒子系得到的光强信号；qD,1(Θ)′为静态探测器(4)测量待测粒子系得到的光强信号；
利用得到的标准粒子系散射相函数的修正系数U(Θ)去修正待测粒子的散射光强分布SEXP(Θ)′，得到待测粒子系散射相函数，表示为：
对得到的待测粒子的散射相函数Φ(Θ)进行归一化处理，得到待测粒子的散射相函数；
所述圆形比色皿池的玻璃壁厚为1.5mm，光斑直径小于或者等于1mm，使光斑入射圆形比色皿时平面入射；激光器的波长为532nm。
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