CN110057726A - 三色光源共光轴颗粒粒度测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种三色光源共光轴颗粒粒度测量装置，包括三色光源、循环样品池、接收单元和信号处理单元四部分；三色光源由光纤激光光源、He‑Ne激光管、LED光源、短焦距傅里叶透镜、闪耀光栅、宽带反射镜和长焦距傅里叶透镜组成；循环样品池以可拆卸方式安装在主光路中，并可沿主光轴方向移动；接收单元包含多个光电探头，以多个分离的方式设置在长焦距傅里叶透镜后焦平面处，以及在以循环样品池为中心的、与光轴成规定角度的圆周上；所述的信号处理单元由数据处理单元和控制单元组成。本发明用于弥补现存衍射散射式颗粒粒度测量法光学结构复杂、校准难度大的不足，解决粒径范围在10nm‑3500μm内固体或液体颗粒的粒度测量问题。
Description
技术领域
本发明涉及颗粒粒度测量技术领域，具体是一种三色光源共光轴颗粒粒度测量装置。
背景技术
随着粉体工程在制药、生物、电子、光电子、能源、催化剂和陶瓷等产业中的深入应用，颗粒粒度分布对产品的质量和性能正起着越来越重要的作用。因此在粉体加工与应用领域中，颗粒粒度的测量相当重要。有效地测定粉体的颗粒粒度及分布，对提高产品质量，降低能源消耗、控制环境污染、保护人类健康等都具有重要意义。目前，衍射散射式颗粒粒度测量法是目前各种颗粒粒度测量技术中最成熟、用途最广泛的一种，它具有可测粒径范围宽、适用范围广、使用限制少、测量结果可靠、测量速度快、支持在线测量等优势。衍射散射式激光粒度仪现已成为世界上最流行的粒度测量仪器。但是，为了满足测量纳米工程领域重要的100nm以下小颗粒的需求，衍射散射式颗粒粒度测量装置需要在He-Ne光源的基础上增加蓝光LED光源。双光源需要双光轴，大角度探测器也需要围绕两个光轴布置，这无疑增加了系统复杂度和光路准直的难度。为此，研发一种光学结构简化的多光源共光轴小颗粒粒度测量装置成为目前研究的热点。
发明内容
为克服上述已有技术的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种三色光源共光轴颗粒粒度测量装置，用于弥补现存衍射散射式颗粒粒度测量装置光学结构复杂、校准难度大的不足，解决粒径范围在10nm-3500μm内固体或液体颗粒的粒度测量问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种三色光源共光轴颗粒粒度测量装置，其特点在于包括三色光源系统、循环样品池、接收单元和信号处理单元四部分；
所述的三色光源系统包括光纤激光光源、He-Ne激光管、LED光源、短焦距傅里叶透镜、闪耀光栅、宽带反射镜和长焦距傅里叶透镜，所述的光纤激光光源、He-Ne激光管和LED光源分别放置在所述的短焦距傅里叶透镜的前焦平面位置，所述的闪耀光栅放置在所述的短焦距傅里叶透镜的后焦平面位置，三色光源输出的发散光束通过所述的短焦距傅里叶透镜准直并按照波长所对应的角度入射至闪耀光栅，经闪耀光栅合为一束光后，衍射至所述的宽带反射镜，经该宽带反射镜反射至所述的长焦距傅里叶透镜，经该长焦距傅里叶透镜汇聚后射入所述的循环样品池；
所述的接收单元包括环形光电探头阵列和多个光电探头，所述的环形光电探头阵列设置在所述的长焦距傅里叶透镜的后焦平面位置，所述的光电探头均匀分布在以所述的循环样品池的入射光为圆心的圆周上；
所述的循环样品池以可拆卸方式安装在所述的长焦距傅里叶透镜与环形光电探头阵列之间，并可沿光轴前后移动；
所述的信号处理单元与所述的接收单元相连。
三色光源中，光纤激光光源波长1μm，He-Ne激光管波长632.8nm，LED光源波长400nm，三色光源与光轴平行。闪耀光栅为金属镀膜闪耀光栅。
与现有技术相比，本发明的有益效果可以是：
光源采用1μm光纤激光光源、632.8nm He-Ne激光管和400nm LED光源，三色光源通过闪耀光栅实现共光轴输出，可根据颗粒粒度大小选取某一特定波长实现高精度测量；该光学系统结构简单，校准方便，校准时间大大缩短；循环样品池可沿光轴前后移动，动态调整长焦距傅里叶透镜的等效焦距，使装置粒度测量范围连续可调，与三色光源搭配，可覆盖10nm-3500μm范围；此外，本装置的光路部分均采用普通光学部件，装置成本较低且易于维护，部件发生损坏时替换方便。
附图说明
图1为本发明三色光源共光轴颗粒粒度测量装置的原理图。
1…波长1μm光纤激光光源
2…波长632.8nm He-Ne激光管
3…波长400nm LED光源
4…短焦距傅里叶透镜
5…金属镀膜闪耀光栅
6…宽带反射镜
7…长焦距傅里叶透镜
8…循环样品池
9…环形光电探头阵列
10…背向大角度光电探头
11…前向大角度光电探头
12…数据处理单元
13…控制单元
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请参阅图1。本发明三色光源共光轴颗粒粒度测量装置，包括三色光源系统、循环样品池、接收单元和信号处理单元四部分。其构成是：三色光源系统由波长1μm光纤激光光源1、波长632.8nm He-Ne激光管2、波长400nm LED光源3、短焦距傅里叶透镜4、金属镀膜闪耀光栅5、宽带反射镜6和长焦距傅里叶透镜7组成。光纤激光光源1、He-Ne激光管2和LED光源3分别发出相干光，并可以调整输出功率，其输出位置放置在短焦距傅里叶透镜4前焦平面上，金属镀膜闪耀光栅5放置在后焦平面上，三色光源输出的发散光束通过短焦距傅里叶透镜准直并按照波长所对应的角度入射至光栅表面，光栅将其合并为同一束光，衍射至宽带反射镜6表面，反射镜将合并光束以共光轴形式反射至长焦距傅里叶透镜7，进行光束汇聚。循环样品池8全透明，以可拆卸方式安装在主光路中，样品受到共光轴光束照射，使光束发生衍射散射过程。样品池可沿主光轴方向前后移动，动态调节长焦距傅里叶透镜的等效焦距，以匹配不同尺寸待测颗粒的测量精度。接收单元包含环形光电探头阵列9，背向大角度探头10，和前向大角度探头11。环形光电探头阵列设置在长焦距傅里叶透镜后焦平面处，探测近光轴位置小角度衍射散射光信号。背向和前向大角度光电探头以多个分离的方式，分布在以循环样品池为中心的、与光轴成规定角度的圆周上，用以探测循环样品池周边大角度衍射散射光，辅助进行小颗粒高精度粒度测量；所述的信号处理单元由数据处理单元12和控制单元13组成，对光电探头探测到的光强信号进行采集、放大和A/D转换，运算后输出粒度测量结果。
本装置的操作步骤为：
1.溶液配制过程
本实施方式中，循环样品池采用循环湿式型，待测样品首先浸泡在溶液中，通过搅拌泵(未图示)使待测颗粒样品在溶液中充分分散，循环泵(未图示)将含有待测样品的溶液在循环样品池中以规定速度循环流动，流量计(未图示)控制流速使其不发生湍流。
2.快速测量过程
开启装置电源，三色光源发出波长分别为λ1，λ2和λ3的三种波长，环形光电探头阵列包含的环数为p，各环探测到的光强分别为I01，I02，I03，…,I0p，背向大角度光电探头数目为m个，探测到的光强分别为I11，I12，I13，…,I1m，前向大角度光电探头数目为n个，探测到的光强分别为I21，I22，I23，…,I2n。根据各探头探测到的光强，可以得到光能分布系数矩阵T，具体形式为
其中，tij为粒径为Di的颗粒所产生的衍射光落在第j个光电探头上的光强。
3.反演计算过程
光电探头阵列测定共轴光束对样品照射时产生的衍射散射光的光能分布系数矩阵T，配合当前循环样品池位置所决定的长焦距傅里叶透镜等效焦距f和光源波长λ1，λ2，λ3，根据Mie散射理论得到光能分布列向量通过式计算尺寸分布列向量样品中所含有的粒子群的粒度分布即以表征。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围。任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，都可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围应当视权利要求书所界定范围为准。
Claims (7)
1.一种三色光源共光轴颗粒粒度测量装置，其特征在于包括三色光源、循环样品池、接收单元和信号处理单元四部分；
所述的三色光源包括光纤激光光源(1)、He-Ne激光管(2)、LED光源(3)、短焦距傅里叶透镜(4)、闪耀光栅(5)、宽带反射镜(6)和长焦距傅里叶透镜(7)，所述的光纤激光光源(1)、He-Ne激光管(2)和LED光源(3)分别放置在所述的短焦距傅里叶透镜(4)的前焦平面位置，所述的闪耀光栅(5)放置在所述的短焦距傅里叶透镜(4)的后焦平面位置，三种光源输出的发散光束通过所述的短焦距傅里叶透镜(4)准直并按照波长所对应的角度入射至闪耀光栅(5)，经闪耀光栅(5)合为一束光后，衍射至所述的宽带反射镜(6)，经该宽带反射镜(6)反射至所述的长焦距傅里叶透镜(7)，经该长焦距傅里叶透镜(7)汇聚后射入所述的循环样品池(8)；
所述的接收单元包括环形光电探头阵列(9)和多个光电探头，所述的环形光电探头阵列设置在所述的长焦距傅里叶透镜(7)的后焦平面位置，所述的光电探头均匀分布在以所述的循环样品池(8)的入射光为圆心的圆周上；
所述的循环样品池(8)以可拆卸方式安装在所述的长焦距傅里叶透镜(7)与环形光电探头阵列(9)之间，并可沿光轴前后移动；
所述的信号处理单元与所述的接收单元相连。
2.根据权利要求1所述的三色光源共光轴颗粒粒度测量装置，其特征在于，所述的环形光电探头阵列(9)用于探测近光轴位置小角度衍射散射光信号。
3.根据权利要求1所述的三色光源共光轴颗粒粒度测量装置，其特征在于，所述的光电探头用以探测循环样品池周边大角度衍射散射光，辅助进行小颗粒高精度粒度测量。
4.根据权利要求3所述的三色光源共光轴颗粒粒度测量装置，其特征在于，所述的光电探头包括背向大角度光电探头和前向大角度光电探头。
5.根据权利要求1所述的三色光源共光轴颗粒粒度测量装置，其特征在于，所述的信号处理单元包括依次相连的数据处理单位(12)和控制单元(13)。
6.根据权利要求1-5任一所述的三色光源共光轴颗粒粒度测量装置，其特征在于所述的光纤激光光源(1)输出的光源波长为1μm，所述的He-Ne激光管(2)输出的光源波长为632.8nm，所述的LED光源(3)输出的光源波长为400nm，三色光源相互平行。
7.根据权利要求1-6任一所述的三色光源共光轴颗粒粒度测量装置，其特征在于所述的闪耀光栅为金属镀膜闪耀光栅。
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