CN109520898A - 一种柱透镜变换的激光粒度测试方法 - Google Patents

Abstract

一种柱透镜变换的激光粒度测试方法。解决前向小角度激光衍射颗粒粒度分布测量中，使用通用型线性阵列的光电探测器件接收信号困难的问题。由激光器(1)发出的光经扩束准直后成为圆形平行光，照射在颗粒样品(2)区域，颗粒对光发生衍射。颗粒的衍射光由柱透镜(3)作为接收透镜，实现傅立叶变换，从而在柱透镜的焦平面上形成角分布。将光电探测器阵列(4)放在柱透镜的焦平面上，采集颗粒的衍射角分布信号并传输到计算机进行处理，得到颗粒粒度分布。由于入射平行光的像斑在柱透镜的焦平面会聚成一条直线，而不是球透镜焦平面上的会聚点，因此强度低，处理方便，从而对探测颗粒衍射光有利。颗粒衍射信号经柱透镜变换后，用通用型线性阵列光电探测器进行接收。

Description

一种柱透镜变换的激光粒度测试方法

技术领域：

本发明涉及一种柱透镜变换的激光粒度测试方法，适用于颗粒粒度分布测量，尤其是颗粒粒度远大于光波波长的情况。

背景技术：

随着科学技术的进步，颗粒粒度测量在许多领域起着非常重要的作用。光散射方法是颗粒测量中的重要方法。光散射方法一般包括会聚测量方法和角散射法等。

会聚测量方法一般是测量小颗粒的散射信号。由于颗粒小、散射信号弱，因此将大角度范围的散射信号经透镜或反射镜会聚为一点或少数几个点，放置对应的一个或几个光电探测器进行测量。在这种测量方法中，只需要小接收面的通用型光电探测器件即可实现，如光电二极管等，且信号处理简便，但这种方法一般只能测量得到某一个粒度范围的颗粒平均浓度，且需要进行颗粒分割等预处理，而一般不容易得到粒度分布。在空气中微小颗粒物的测量中一般采用这种方法，如测量PM10、PM2.5等。如果是对于单一的颗粒测量，这种方法一般称为颗粒计数器，它是采用聚焦光照射颗粒，如果在聚焦点只有一个颗粒，则对应可以得到这个颗粒的粒度大小，但这种方法只适用于浓度极低的情况，即每次通过聚焦点的颗粒只有一个。也可以将光束聚焦成线，在聚焦线位置测量得到通过这条线位置的颗粒的平均粒度或浓度，在洁净的颗粒测量中可以采用这种方法。

上述会聚测量方法由于取样数量小或只能得到平均粒度或浓度，限制了它的应用，一般不能同时测量多个颗粒的粒度分布。

在角散射方法中，测量的是颗粒散射的一系列角分布信息，由于采集了多个角分布信息，可以通过数学优化算法，同时得到颗粒的粒度分布。激光粒度仪是在许多领域广泛应用的角散射测量方法，它可以测量固体颗粒、液滴或气泡的颗粒粒度分布而不需要预先知道颗粒的其它物理参数。激光粒度仪是基于静态光散射方法，通过光电探测器阵列测量颗粒的散射角分布信息实现测量。因此，激光粒度仪需要在许多个角度上进行颗粒散射光信号接收和采集。当颗粒较大时(一般颗粒粒度大于光波波长的十倍，即颗粒粒度远大于光波波长的情况)，颗粒散射与衍射作用相似，因此，一般用衍射光路来实现颗粒粒度的测量，且这些粒度范围应用较广，因此，本专利以衍射原理实现颗粒粒度分布测量。

激光粒度仪一般采用球透镜的傅立叶变换方法。由于衍射的角分布与颗粒粒度成反比，即粒度越大，颗粒衍射的角分布越集中在前向小角度，且小颗粒的衍射光强远小于大颗粒的衍射光强，因此，激光粒度仪一般采用专门定制加工的环形(或扇形)光电探测器阵列，该阵列不是相同尺寸的，而是越远离光轴的探测单元尺寸越大；由于入射光在探测面上的聚焦光斑的光强远大于颗粒衍射光，因此需要在探测器阵列的中心开孔或采取反射措施，从而给激光粒度仪的光电信号采集带来了困难。

为了减小入射光在探测面上聚焦光斑影响大、激光粒度仪的光电探测器阵列定制加工困难的问题，本专利提供一种将柱透镜作为傅立叶变换透镜的激光粒度测试方法。

发明内容：

本发明的目的是解决通用型线性阵列光电探测器件在激光激光粒度测量时，中央光斑处理困难、探测器单元大小相同时高频空域衍射信号接收困难的问题。本发明提出了一种柱透镜变换的激光粒度测试方法，实现颗粒粒度测量。

本发明是在衍射式激光粒度测量方法的基础上，基于柱透镜下颗粒的菲涅耳衍射频谱公式，采用柱透镜作为接收透镜，在焦平面上接收衍射光信号。

本发明提供的柱透镜变换的激光粒度测试方法，具体步骤是：

由激光器1发出准直激光束，照射在待测颗粒样品2的样品场中。颗粒样品2是由不同颗粒粒度组成的。颗粒样品对光发生衍射，经柱透镜3后，用光电探测器阵列在柱透镜3的像方焦平面上用光电探测器阵列4接收颗粒对光衍射的频谱分布(也称为角分布)。

当颗粒颗粒样品2远大于光波波长时(一般大于光波波长的十倍)，根据巴比涅原理，它们对光线衍射后在透镜焦平面上的空间频谱分布，与相同直径的小孔的空间频谱分布是相同的。因此，根据光的衍射原理，可以推导出柱透镜下的颗粒样品衍射的角分布。根据光电探测器阵列4采集到的颗粒样品2衍射的角分布信号，用数学算法进行计算，可以得到颗粒样品2的颗粒粒度分布。

本发明的优点和积极效果：

一般地，激光粒度测量方法是采用球透镜作为接收透镜，经过傅立叶变换在球透镜的像方焦平面接收颗粒衍射光的角分布。在这种情况下，球透镜同时要将入射光源的光会聚为焦平面上一点，这个会聚点强度远大于颗粒的衍射信号，因此处理困难，且对光电探测器阵列探测到的衍射光信号影响大。采用柱透镜作为接收透镜，柱透镜将入射光在像方焦平面上汇聚成一条线，这条会聚线强度与颗粒的衍射信号相比，远小于球透镜下的结果，因此处理容易，且对光电探测器阵列探测到的衍射光信号影响小，同时便于采用通用型的线性光电探测器阵列采集信号。

附图说明：

图1是本发明提供的柱透镜变换的激光粒度测试方法示意图的主视图。

图2是本发明提供的柱透镜变换的激光粒度测试方法示意图的俯视图。

图3是计算得到的颗粒衍射的空间频谱分布(角分布)图。

具体实施方式：

下面结合实施例及其附图进一步详细描述本发明。实施例仅用于详细说明本发明，并不限制本申请权利要求保护范围。

图1、图2所示为本发明提供的柱透镜变换的激光粒度测试方法示意图。其中图1是主视图，图2是俯视图。该方法所涉及的这种激光粒度仪包括：激光器1、颗粒样品2、柱透镜3、光电探测器阵列4。

该方法的具体步骤是：

由激光器1发出经过准直后的平行光，照射在待测颗粒样品2上，当颗粒样品的粒度远大于光波波长时(一般大于光波波长的十倍)，待测颗粒样品对光线发生衍射，经待测颗粒衍射后的衍射光线由柱透镜3作为接收透镜，实现傅立叶变换，从而在柱透镜3的像方焦平面上形成空间频谱分布(角分布)。用光电探测器4在柱透镜3的像方焦平面上采集颗粒样品衍射的角分布信号，经处理和计算后得到颗粒样品2的粒度分布。这里对颗粒的粒度与光波波长的比值并不做具体限定，其并不违背本发明的作用原理及构思。

图3是模拟计算的颗粒样品的衍射频谱分布(角分布)信号。这种颗粒样品符合R-R分布，其中R-R分布的颗粒粒度分布公式为：

其中，V为大于直径d的颗粒累积体积百分数，N为颗粒尺寸分布参数，X为特征尺寸，d为颗粒的直径。图中模拟计算采用的参数为X＝50，N＝3，即采用不同颗粒粒度组成的颗粒系样品进行模拟。由图3可见，衍射图样是由中心向上下两侧依次减弱的直线条。其中，中央的零级条纹中，包含了平行入射的激光经柱透镜会聚后的光斑信息，该光斑是直线。相比来讲，用球透镜做接收透镜时，平行入射光的会聚光斑是一个点。经计算表明，与球透镜相比，入射激光经柱透镜会聚后的光斑与衍射角分布的比值小，因此采集和处理信号容易。

从图3的衍射图样看，每个级次的空间衍射频谱都是直线条，因此能够使用通用型方形或长方形光电探测器阵列采集信号。

Claims (3)

1.一种柱透镜变换的激光粒度测试方法，其特征在于该方法涉及的硬件包括激光器(1)、颗粒样品(2)、接收柱透镜(3)、光电探测器阵列(4)。具体测量方法如下：

由激光器发出的光经扩束准直后成为圆形平行光，照射在颗粒样品区域，颗粒对光发生衍射。颗粒的衍射光由柱透镜作为接收透镜，实现傅立叶变换，从而在柱透镜的焦平面上形成角分布。将光电探测器阵列放在柱透镜的焦平面上，采集颗粒衍射的角分布信号并传输到计算机进行处理，得到颗粒粒度分布。

2.根据权利要求1所述的柱透镜变换的激光粒度测试方法，其特征在于用柱透镜作为接收透镜，进行衍射光的傅立叶变换。

3.根据权利要求1、2所述的柱透镜变换的激光粒度测试方法，其特征在于在前向小角度采集信号，该信号是柱透镜变换后的颗粒衍射的角分布信号。