CN108872152A - 颗粒折射率测量方法、计算机装置及计算机可读存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种颗粒折射率测量方法、计算机装置及计算机可读存储介质，该方法包括获取激光粒度仪测量的待测样品的实测散射光能数据，获取实测散射光能数据中的主峰数据，并使用主峰数据计算待测样品中颗粒物的粒度分布数据；计算二个以上的相对折射率下颗粒物的粒度分布符合粒度分布数据时的拟合散射光能数据；计算实测及拟合归一化散射光能数据，并计算两者的方差；通过迭代计算两者方差最小时的目标相对折射率的值；应用介质的折射率与目标相对折射率的值计算待测样品的折射率。本发明还提供实现上述方法的计算机装置以及计算机可读存储介质。本发明可以方便的应用激光粒度仪的数据计算出颗粒物的折射率。

Description

颗粒折射率测量方法、计算机装置及计算机可读存储介质

技术领域

本发明涉及颗粒物的折射率计算领域，尤其涉及一种基于激光散射理论实现的颗粒折射率测量方法、实现这种方法的计算机装置以及计算机可读存储介质。

背景技术

激光粒度仪已经广泛地应用在粉体、液体喷雾、乳液等的颗粒尺寸分布的测量中，通常，颗粒尺寸分布又称为“粒度分布”，它是利用光的散射现象，即光波照射到不同大小的颗粒上时，被颗粒散射的光场有不同的空间分布的现象，粒度分布的测量就是使用这一现象来测量不同颗粒大小的颗粒物的分布情况。例如，公开号为CN106483048A的中国发明专利申请就公开了一种应用激光粒度仪实现颗粒物折射率的测量方法，该方法需要获得样品在介质中分散后的体积百分比，实际操作时很不方便。

对颗粒物的折射率进行测量时，通常使用激光粒度仪对样品进行测量，其中，待测样品通常包括流体的介质，介质可以是液体或者空气，在介质内分散有待测的颗粒物。由于颗粒对光的散射现象可以用Mie理论严格描述，根据该理论，当入射光为线偏振、单色的平行光时，被照射的颗粒为球形、均匀、各向同性时，远场的散射光强Is为

式1中，θ为散射角，为无因次粒径参数，其中，x为颗粒直径，λ为介质中的光波长，m＝m₂/m₁为颗粒的相对折射率，m₂和m₁分别表示颗粒物的折射率和介质折射率，I₀为入射光的强度，r为观察点到颗粒中心的距离,为入射光的偏振方向与散射面之间的夹角，s1(θ)、s2(θ)分别为电矢量垂直于散射面与平行于散射面的散射光的振幅函数，可表示为

其中，式2中a_n，b_n是关于相对折射率m和α的函数，称为“Mie散射系数”，π_n、τ_n是关于散射角θ的函数，分别为

其中，ψn和ξn为Ricatti-bessel(贝塞尔)函数，它们分别是半整数阶Bessel函数和第二类Hankel函数。Pn(cosθ)，P1n(cosθ)分别是关于cosθ的Legendre(勒让德)和一阶缔合Legendre函数。

现在的激光粒度仪的光学系统见如图1所示，从激光器11发出一束激光经光束处理器12后，被滤去杂散光，变成理想的平行光，然后照射到待测样品颗粒14上。待测样品颗粒14悬浮在分散介质13中。由样品颗粒14和介质13组成的混合液通常被约束在由透明玻璃组成的样品池内。入射光被颗粒14散射，散射光经傅里叶透镜15后，相同散射方向的光线被聚焦到光电探测器阵列16的同一点上。光电探测器阵列16位于傅里叶透镜15的焦平面上，未被散射的光线则聚焦在光学系统的光轴上，并穿过光电探测器阵列16的中心孔17，如图2与图3所示。光电探测器由多个独立的探测单元组成，各光电探测单元从紧邻光轴的位置开始，依次向外排列，序号分别为1、2…u。通常相邻单元的中心之间的距离，从里到外呈指数式增长，单元面积则与该单元中心对应的平均散射角成正比。

如此，无因次粒径为α的颗粒散射的光照射在探测器第i单元上的光能为

式5中，Δs_i表示第i个光电探测单元的面积，ds是该光电探测单元上的一个面元。通常被测颗粒是由各种不同粒径组成的，因此，在进行粒度分析时，把全粒径范围分为v个分立的粒径段，即x₀～x₁,x₁～x₂,…,x_v-1～x_v，对应的无因次粒径段为α₀～α₁,α₁～α₂,…,α_v-1～α_v。这样，单位体积的第j粒径段上的颗粒散射的光在第i探测单元上的光能为

设各个粒径段上的颗粒体积分别为w₁,w₂,…,w_v，各探测单元接收到的光能分别为E₁,E₂,…,E_u，则

式7中i＝1,2,…，u。

激光粒度仪的光学系统获得颗粒散射光的光能分布(E₁,E₂,…,E_u)后，可以通过计算机根据式7计算出被测颗粒物的粒度分布数据(w₁,w₂,…,w_v)。由于式7的系数矩阵(又称“散射矩阵”)是高度病态矩阵，因此式7是不能直接求解的，只能通过数据迭代的方法拟合出粒度分布。由于迭代算法已经相当成熟，人们通常把各种迭代算法统称为“反演算法”，且这些反演算法都基于以下约束条件：

w′_j≥0。 (式9)

其中，式8与式9的(w′₁,w′₂,…,w′_v)表示最接近被测样品粒度分布真值(w₁,w₂,…,w_v)的数列。

从现有的激光粒度仪的工作原理可以看出，激光粒度仪的使用者在测量样品的粒度时，需要预先获取待测样品的折射率m₂和介质折射率m₁。一般而言，介质折射率m₁由于介质种类有限，例如空气、水、无水乙醇等，数据容易获得，而待测样品的折射率m₂通常是未知的，目前的做法是通过查找文献资料获得样品折射率的数值。但是有些样品的折射率要么查不到，要么查到的折射率可能与实际折射率不符。主要原因是颗粒材料的杂质含量对颗粒折射率有很大影响，或者是查表获得的折射率对应的光波长与激光粒度仪所用的照明光波长有较大差异，而颗粒折射率随波长变化。折射率的误差将导致样品的粒度测量结果的误差。因此，如何获得被测样品的折射率成为困扰激光粒度仪应用的问题之一。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种根据激光粒度仪获得的待测颗粒样品的散射光能分布数据计算出该样品的折射率的方法，从而使得激光粒度仪的用户在事先无法知道样品折射率的情况下，也能准确测量样品的粒度分布的颗粒折射率测量方法。

本发明的另一目的是提供一种能够实现上述颗粒折射率测量方法的计算机装置。

本发明的再一目的是提供一种能够实现上述颗粒折射率测量方法的计算机可读存储介质。

为了实现上述的主要目的，本发明提供的颗粒折射率测量方法包括获取激光粒度仪测量的待测样品的实测散射光能数据，待测样品分散在流体介质中，并且，获取实测散射光能数据中的主峰数据，并使用主峰数据计算待测样品的粒度分布数据；计算二个以上的相对折射率下符合前述粒度分布数据时颗粒的拟合散射光能数据；将实测散射光能数据中对应于大角散射光的项进行归一化获得实测归一化散射光能数据，将拟合散射光能数据中对应于大角散射光的项进行归一化获得拟合归一化散射光能分布数据，计算实测归一化散射光能数据与拟合归一化散射光能数据的方差；通过迭代计算获取实测归一化散射光能数据与拟合归一化散射光能数据的方差最小时的目标相对折射率的值；应用介质的折射率与目标相对折射率的值计算待测样品的折射率。

由上述方案可见，本发明的方法通过获取主峰数据并且对主峰数据进行计算，并且使用两组归一化的数据进行计算，从而计算获得相对折射率数据，由于介质的折射率数值通常是已知的数值，因此，可以通过简单的计算实现颗粒物折射率的计算。

一个优选的方案是，实测散射光能数据包括多个顺序排列的数据，主峰数据为实测散射光能数据中包含有第一峰值的连续的多个数据。

由此可见，通过获取连续的多个数据作为主峰数据，且获取的主峰数据包括第一个峰值的数据，可以准确地计算出颗粒样品的粒度分布数据，为后续的计算提供基础数据。

进一步的方案是，主峰数据为实测散射光能数据中初始数据至第一个谷值的数据之间的数据。

可见，使用初始数据至第一个谷值之前的数据作为主峰数据，可以准确获取主峰数据的数值。

可选的方案是，主峰数据为实测散射光能数据中初始数据至峰值预设倍率的数据之间的数据，进一步的，该峰值预设倍率的数据为峰值的10％的数据。

由此可见，当实测散射光能数据只有一个峰值时，通过选用初始数据至峰值10％之间的数据作为主峰数据，可以快速的获取主峰数据的数值。

更进一步的方案是，计算实测归一化散射光能数据时，使用实测散射光能数据中主峰数据以外的多个连续数据进行归一化计算，并且，计算拟合归一化散射光能数据时，所使用的数据为拟合散射光能数据中与实测散射光能数据对应顺序的数据。

可见，使用主峰数据以外的数据进行归一化的计算，可以更加准确的计算出相对折射率的数值，并且，使用与实测散射光能分布数据对应顺序的数据来计算拟合归一化散射光能数据，有利于提高计算出来的相对折射率数据更加准确。

为实现上述的另一目的，本发明提供的计算机装置包括处理器以及存储器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述的颗粒折射率测量方法的各个步骤。

为实现上述的再一目的，本发明提供的计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上述颗粒折射率测量方法的各个步骤。

附图说明

图1是现有激光粒度仪的光学系统原理图。

图2是现有激光粒度仪的光学系统中光电探测器阵列的示意图。

图3图2的局部放大图。

图4是预设条件下颗粒物的散射光能分布曲线图。

图5是预设条件下激光粒度仪的光能分布曲线图。

图6是本发明颗粒折射率测量方法实施例的流程图。

图7是本发明颗粒折射率测量方法实施例第一实施方式下散射光能分布曲线图。

图8是本发明颗粒折射率测量方法实施例第二实施方式下散射光能分布曲线图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

本发明的颗粒折射率测量方法主要通过激光粒度仪测量被测样品的散射光能分布数据，并且通过计算机装置计算出被测样品中颗粒物的折射率数据。本发明的计算机装置具有一个处理器以及存储器，存储器存储有计算机可读存储介质，计算机可读存储介质可以是具有数据存储功能的各种存储介质，包括但不限于FLASH、EEPROM等非易失性存储器。当处理器执行计算机程序时，可以实现上述的颗粒折射率测量方法。

颗粒折射率测量方法实施例：

本实施例主要是利用激光粒度仪测量得到的散射光分布数据(E₁,E₂,…,E_u)来计算待测颗粒的折射率。优选的，待测样品中的颗粒样品应该是由相同材料组成，且粒径远大于光波长，如待测样品的粒径应该是光波长的10倍以上。

本实施例所应用基本原理是：在颗粒的尺寸远大于光波长时，且只考虑小角度(通常小于5°)范围内的光强分布(称为“小角散射”)的条件下，远场的散射光分布可以用Fraunhofer(夫琅禾费)衍射理论近似描述。这时，两个偏振方向的散射光强近似一致，可以用相同的公式描述：

式10中，C表示与光学系统参数有关的常数，J₁表示一阶Bessel函数，θ为散射角，α为无因次粒径参数，I₀为入射光的强度。从式10可以看出，用Fraunhofer衍射理论描述的散射光能分布只与颗粒大小有关，与颗粒的折射率无关。

参见图4与图5，图4与图5分别是在空气中波长λ₀＝0.633μm、介质折射率m₂＝1.33的条件下，粒径x＝30μm的颗粒的散射光强分布与激光粒度仪中的光能分布曲线图，图中的三条曲线分别表示Fraunhofer(夫琅禾费)衍射理论的结果与折射率实部分别为1.2和1.8(虚部均为0)时的Mie散射理论结果。从图4与图5中可以看出，不论是光强分布还是光能分布，在主峰范围之内，Fraunhofer衍射理论与Mie散射理论的数值基本一致，而随着散射角的增大，两种理论计算结果的差异逐步扩大。本实施例中，主峰可以是光能分布曲线图中最左侧的数据开始，一直到第一个谷值之间的数据，也就是第一个谷值左侧的数据都是主峰的数据。

因此，根据图4与图5的曲线图，可以知晓，当待测样品的直径足够大时，散射光分布的主峰可以用Fraunhofer衍射理论计算，即无需事先代入折射率数据。而同样的，随着散射角的增大，折射率对散射光分布的影响越来越大。

正是发现了上述的原理，本实施例的颗粒折射率测量方法是在散射颗粒直径足够大的条件下，利用小角范围内的散射光分布数据和Fraunhofer衍射理论，反演计算散射颗粒的粒度分布，再利用该粒度分布数据、大角范围的散射光分布数据以及Mie散射理论，拟合计算样品的折射率。具体的操作步骤如图6所示。

首先，执行步骤S1，获取待测样品的实测散射光能数据，本实施例中，实测散射光能数据可以是通过如图1所示的激光粒度仪的光学系统中的光电探测阵列获取的光能分布数据(E₁,E₂,…,E_u)，优选的，每一个光电探测单元所检测的光能数据就是实测散射光能数据(E₁,E₂,…,E_u)上的一个数值，因此，实测散射光能数据并不是一个单独的数值，而是一个有序的数组，该数组包括多个光电探测单元所检测到的光能数据，而从第一个光电探测单元至第u个光电探测单元的光能数据依次排列，其中，靠前的数据是靠近光电探测器阵列中靠近中心孔位置的数据。

然后，执行步骤S2，获取主峰数据。本实施例中，主峰数据可以通过两种情况确定，第一种情况是，在样品颗粒形状接近理想球形，且大小足够均匀，以致其散射光分布类似于单一粒径球形颗粒的散射光分布，实测散射光能数据将有一个明显谷值，如图7所示。在这种情况下，主峰数据可以是实测散射光能数据中初始数据到第一个谷值数据之间的数据，也就是图7中虚线左侧的数据，可以理解是第P个光电探测单元以前的数据均作为主峰数据。

第二种情况是，如果样品颗粒的形状是不规则的，或者颗粒形状虽然是圆形，但大小不均匀，则散射光能分布曲线如图8所示，散射光能分布曲线没有一个明显的谷值，此时，需要根据峰值的一个预设的倍率来确定主峰数据的终止位置。本实施例中，采用峰值的10％作为主峰数据的终止的数据。例如图8中第P个光电探测单元所检测的光能的数值只有峰值的10％，则可以使用第P个光电探测单元对应的数据作为主峰数据的终止数据。因此，主峰数据包括实测散射光能数据中初始数据一直到第P个光电探测单元对应的数据。

可见，本实施例的主峰数据(E₁,E₂,…,E_P)是实测散射光能数据中多个连续的数据，且包含了峰值的数据。

然后，执行步骤S3，使用主峰数据计算颗粒的粒度分布数据，例如，使用主峰数据(E₁,E₂,…,E_P)和Fraunhofer衍射理论，反演计算颗粒的粒度分布数据(w′₁,w′₂,…,w′_v)，例如使用式10并且结合式6至式9进行反演计算，从而获得颗粒的粒度分布数据(w′₁,w′₂,…,w′_v)。

接着，执行步骤S4，应用Mie理论，计算多个相对折射率下样品粒度分布符合上述计算的粒度分布数据(w′₁,w′₂,…,w′_v)的拟合散射光能数据(E‘₁,E‘₂,…,E‘_u)。本实施例中，折射率m可以是一个复数，包括实部与虚部。

接着，执行步骤S5，应用实测散射光能数据中预设的多个连续数据进行归一化获得实测归一化散射光能数据，例如，使用实测散射光能数据中主峰数据以外的数据进行归一化计算，也就是使用实测散射光能数据中(E_P+1,E_P+2,…,E_u)的数据进行归一化计算，计算获得实测归一化散射光能数据(e_P+1,e_P+2,…,e_u)。并且，将拟合散射光能数据中对应的多个连续数据进行归一化获得拟合归一化散射光能数据，例如，使用拟合散射光能数据中的(E‘_P+1,E‘_P+2,…,E‘_u)数据进行归一化计算，计算获得拟合归一化散射光能数据(e‘_P+1,e‘_P+2,…,e‘_u)。

需要说明的是，计算拟合归一化散射光能数据时，所使用的拟合散射光能数据是与计算实测归一化散射光能数据时相对应的位置的数据，例如，计算实测归一化散射光能数据时，所使用的是从P+1个光电探测器以后的光电探测器所获取的数据，则计算拟合归一化散射光能数据时，所使用的是拟合散射光能数据中从P+1个数据开始计算，因此，获得的实测归一化散射光能数据的数据个数与拟合归一化散射光能数据的数据个数相等并且位置对应。

需要说明的是，本实施例进行归一化计算时，是将实测散射光能数据中的主峰数据以外的项进行归一化计算，其中主峰数据以外的项是对应于大角散射光的项，相应的，还将拟合散射光能数据中对应于大角散射光的项进行归一化计算，也就是对应于主峰数据以外的项。在实际应用过程中，进行归一化计算时，也可以使用包含有主峰数据的项，例如使用将实测散射光能数据中所有的项进行归一化计算、将拟合散射光能数据中所有的项进行归一化计算，也可以实现本实施例的目的。也就是说，归一化计算所使用的起始项可以是主峰数据中的某一项，也可以是主峰数据以外的某一项。

然后，执行步骤S6，计算实测归一化散射光能数据与拟合归一化散射光能数据的方差，如使用式11进行计算。

最后，执行步骤S7，通过迭代计算方差R最小值时，相对折射率m的数值，此时获得的相对折射率m为目标折射率，并且使用此时获得的目标折射率计算颗粒物的折射率m₂。通常，由于介质的折射率m₁是已知的，从式12计算出颗粒物的折射率。

m₂＝m×m₁ (式12)

可见，本发明通过获取激光粒度仪所检测的光能分布数据中主峰数据来计算样品的粒度分布数据，并且使用不同的相对折射率数据及样品的粒度分布数据计算获得拟合散射光能数据，并且使用主峰以外的实测散射光能数据、拟合光能分布数据进行归一化计算，并且计算两者方差最小值时的相对折射率，最后计算出颗粒物的折射率。由于本发明的方法不需要预先知晓相对折射率的数据，可以方便的通过激光粒度仪的散射光能分布数据计算出颗粒物的折射率。

计算机装置实施例：

本实施例的计算机装置包括有处理器、存储器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，例如用于实现上述信息处理方法的信息处理程序。处理器执行计算机程序时实现上述颗粒折射率测量方法的各个步骤。

例如，计算机程序可以被分割成一个或多个模块，一个或者多个模块被存储在存储器中，并由处理器执行，以完成本发明的各个模块。一个或多个模块可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述计算机程序在终端设备中的执行过程。

需要说明的是，终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，本发明的示意图仅仅是终端设备的示例，并不构成对终端设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如终端设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

本发明所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，处理器是终端设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个终端设备的各个部分。

存储器可用于存储计算机程序和/或模块，处理器通过运行或执行存储在存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现终端设备的各种功能。存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(SmartMedia Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

计算机可读存储介质：

终端设备集成的模块如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，该计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个颗粒折射率测量方法的各个步骤。

其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

当然，上述的方案只是本发明优选的实施方案，实际应用是还可以有更多的变化，例如，所用的光散射理论的变化、主峰数据确定方式的改变、所使用反演算法的变化等，这些改变都不影响本发明的实施，也应该包括在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.颗粒折射率测量方法，包括：

获取激光粒度仪测量的待测样品的实测散射光能数据，所述待测样品分散在流体介质中；

其特征在于：

获取所述实测散射光能数据中的主峰数据，并使用所述主峰数据计算所述待测样品的粒度分布数据；

计算二个以上的相对折射率下符合所述粒度分布数据时颗粒的拟合散射光能数据；

将所述实测散射光能数据进行归一化获得实测归一化散射光能数据，将所述拟合散射光能数据进行归一化获得拟合归一化散射光能数据，计算所述实测归一化散射光能数据与所述拟合归一化散射光能数据的方差；

通过迭代计算获取所述实测归一化散射光能数据与所述拟合归一化散射光能数据的方差最小时的目标相对折射率的值；

应用所述介质的折射率与所述目标相对折射率的值计算待测样品的折射率。

2.根据权利要求1所述的颗粒折射率测量方法，其特征在于：

所述实测散射光能数据包括多个顺序排列的数据，所述主峰数据为所述实测散射光能数据中包含有第一峰值的连续的多个数据。

3.根据权利要求2所述的颗粒折射率测量方法，其特征在于：

所述主峰数据为所述实测散射光能数据中初始数据至第一个谷值的数据之间的数据。

4.根据权利要求2所述的颗粒折射率测量方法，其特征在于：

所述主峰数据为所述实测散射光能数据中初始数据至峰值预设倍率的数据之间的数据。

5.根据权利要求4所述的颗粒折射率测量方法，其特征在于：

所述峰值预设倍率的数据为峰值的10%的数据。

6.根据权利要求1至5任一项所述的颗粒折射率测量方法，其特征在于：

计算所述实测归一化散射光能分布数据时，使用所述实测散射光能分布数据中主峰数据以外的多个连续数据进行归一化计算。

7.根据权利要求6所述的颗粒折射率测量方法，其特征在于：

计算所述拟合归一化散射光能数据时，所使用的数据为所述拟合散射光能分布数据中与所述实测散射光能数据对应顺序的数据。

8.计算机装置，其特征在于，包括处理器以及存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任意一项所述颗粒折射率测量方法的各个步骤。

9.计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任意一项所述颗粒折射率测量方法的各个步骤。