CN117723449A - 一种激光粒度分析系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种激光粒度分析系统及其方法，包括：照明光模组，用于提供照明光束；分束镜，用于将照明光束分成第一光束和第二光束，第一光束与颗粒流的交叉区域定义为测量区，在测量区中形成散射产生第三光束和第四光束；粒径分析模组，用于接收第三光束，分析颗粒流的粒度分布；参考光模组，用于将第二光束进行频率调制，并经光纤传导后输出第五光束；速度分析模组，用于将第四光束和第五光束合束发生干涉，分析颗粒的运动速度。本发明在激光粒度分析仪上进行改进，在同一套分析系统上分析测量得到颗粒流的粒度分布和运动速度，增加了激光粒度仪的功能，测量高效，操作简单。
Description
技术领域
本发明属于颗粒测量技术领域，尤其涉及一种激光粒度分析系统及其方法。
背景技术
在颗粒测量领域，激光粒度仪的应用非常广泛，激光粒度仪是利用颗粒的光散射现象(即颗粒越小，散射光的分布范围(散射角)越大的现象)测量颗粒大小的仪器，其中的一部分应用场景例如为：空气中的液体喷雾粒度测量、液体中的气泡粒度测量。
随着对颗粒特性的表征的要求越来越高，人们除了需要测量出颗粒的粒度分布，还需要测量颗粒的流动速度。但是目前能同时测量颗粒粒径和运动速度的方法不多，其中较常用的为相位多普勒颗粒分析法(PDPA)，但这种技术同时只能测量颗粒场上一个点的颗粒的运动速度，并且粒径测量的精度不高，也不适用于测量粒径分布范围较宽的颗粒样品。
因此，行业内亟需一种新的技术，能够同时测量颗粒流的粒度分布和运动速度。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种激光粒度分析系统及其方法，主要用于解决现有技术中无法同时高效测量颗粒流的粒度分布和运动速度等缺陷。
为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种激光粒度分析系统，用于同时测量颗粒流的粒度分布和运动速度，包括：
照明光模组，用于提供照明光束；
分束镜，用于将所述照明光束分成第一光束和第二光束，所述第一光束与颗粒流的交叉区域定义为测量区，在所述测量区中形成光散射，产生第三光束和第四光束；
粒径分析模组，用于接收所述第三光束，分析颗粒流的粒度分布；
参考光模组，用于将所述第二光束经光纤传导后输出第五光束；
速度分析模组，用于将第四光束和第五光束合束发生干涉，分析颗粒的运动速度。
在一些实施例中，所述速度分析模组包括成像透镜、合束器和图像传感器；
所述成像透镜用于收集由所述测量区中的颗粒散射出来的第四光束并在图像传感器上形成测量区的像；
所述合束器用于将第五光束和第四光束合束，并将合束光投射到图像传感器；
所述图像传感器用于接收所述第四光束与第五光束的叠加光场，计算所述第四光束与第五光束的电场频率差Δf，有：
其中，fs是第四光束的电场振动频率，fR是第五光束的电场振动频率，是颗粒的运动速度矢量，/>是第四光束的波矢量，/>是第一光束的波矢量。
在一些实施例中，所述参考光模组包括光频调制器、会聚透镜、光纤传导单元和参考光准直镜；
所述光频调制器用于对所述第二光束进行频率调节；
所述会聚透镜用于将对所述第二光束进行会聚，并导入至所述光纤传导单元的输入端；
所述光纤传导单元用于传导光束，并从其输出端输出第五光束；
所述参考光准直镜用于将所述第五光束转换成平行光，并照射在合束器上。
在一些实施例中，所述光纤传导单元采用单模保偏光纤。
在一些实施例中，所述光纤传导单元的光纤长度可调。
在一些实施例中，所述第四光束与所述第二光束的传输光程小于照明光束激光光源的相干长度。
在一些实施例中，所述粒径分析模组包括傅里叶透镜和光电探测器阵列；
所述傅里叶透镜用于收集所述第三光束，将不同散射角的光线会聚在所述光电探测器阵列的不同单元上；
所述光电探测器阵列将不同角度的散射光转换成电信号，用于分析颗粒流的粒度分布。
在一些实施例中，所述照明光束、第一光束与第三光束的照射方向相同。
在一些实施例中，所述照明光模组包括激光光源和照明光准直镜；
所述激光光源用于发出一束经过空间滤波、发散、线偏振的激光束；
所述照明光准直镜接收所述激光束后输出照明光束。
第二方面，本发明提供一种应用于上述激光粒度分析系统的方法，包括：
利用分束镜，将照明光束分成第一光束和第二光束；
所述第一光束与一流动的颗粒流形成交叉区域，定义为测量区，在所述测量区中形成光散射，将散射光分成第三光束和第四光束；
分析所述第三光束的颗粒流的粒度分布；
将第二光束进行频率调节再经过光纤传导后输出第五光束；
对所述第四光束和第五光束进行合束，接收两者叠加后发生干涉的光场，通过拍频信号分析颗粒的运动速度。
相比现有技术，本发明至少包括以下有益效果：
本发明在激光粒度分析仪上进行改进，利用分束镜将照明光束分成第一光束和第二光束，第一光束打颗粒流上，产生散射效应，散射光的一部分，即第三光束用于分析颗粒流的粒度分布，而散射光的另一部分，即第四光束则与由第二光束经调频后得到的第五光束合束，由于干涉效应产生差拍现象，通过分析差拍频率，就可得到颗粒的运动速度，从而在同一套分析系统上分析测量得到颗粒流的粒度分布和运动速度，增加了激光粒度仪的功能，测量高效，操作简单。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本实施例提供的一种激光粒度分析系统的结构示意图。
图2是本实施例提供的颗粒的运动速度矢量第四光束波矢量/>与第一光束波矢量/>的矢量关系图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。当描述到特定器件连接其它器件时，该特定器件可以与所述其它器件直接连接而不具有居间器件，也可以不与所述其它器件直接连接而具有居间器件。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
申请人发现：
随着对颗粒测量的需求越来越高，人们除了需要测量出颗粒的粒度分布，还需要测量颗粒的流动速度，但是目前能同时测量颗粒粒径和运动速度的方法不多，其中最常用的为相位多普勒颗粒分析法(PDPA)，但这种技术同时只能测量颗粒场上一个点的颗粒的运动速度，并且粒径测量的精度不高，也不适用于测量粒径分布范围较宽的颗粒样品。
鉴于此，参照图1，本发明实施例提供一种激光粒度分析系统，用于同时测量颗粒流2的粒度分布和运动速度，包括：
照明光模组，用于提供照明光束；
分束镜3，用于将照明光束分成第一光束和第二光束，其中，第一光束透过分束镜3，沿着照明光束的方向行进，与流动的颗粒流2相交，其交叉区域称为测量区1，第一光束照射到测量区1内的颗粒后，发生散射，因此在测量区1中形成光散射，散射光的一部分射向粒径分析模组，这部分光称为第三光束，还有一部分散射光射向速度分析模组，这部分光称为第四光束。利用两束散射光的信息，分别进行颗粒流2的粒度分布测量和运动速度测量；
粒径分析模组，用于接收第三光束，分析颗粒流2的粒度分布；
参考光模组，用于传输第二光束，该光束经光纤传导后从光纤的出射端输出，形成第五光束；需要说明的是，从分束镜3反射得到的第二光束，经过光纤传导形成第五光束后，保持了第二光束的偏振特性和相干性；
速度分析模组，用于使第四光束和第五光束合束，形成叠加光束。叠加光束最终照射在光电传感器的接收平面上。第四光束与作为参考光的第五光束由于具有相干性且电场的振动频率有差异，会发生干涉并导致差拍效应，根据多普勒公式，从差拍频率可计算出颗粒的运动速度。
综上，通过将照明光照到颗粒流2，其中的颗粒使光产生散射，取两束不同角范围的散射光(第三光束和第四光束)，分别用于颗粒流2的粒度分布测量和运动速度测量，其中，对颗粒的运动速度的测量，需要一束参考光。通过反射分束、光频调制、光纤传输而得到第五光束，提供一个经频率调制的参考光，即第五光束，第四光束和第五光束干涉，产生差拍效应，测量到差拍的频率，就可计算出颗粒的运动速度。
作为一种实施方式，速度分析模组包括成像透镜14、合束器13和图像传感器12；
成像透镜14用于收集由测量区1中的颗粒散射出来的第四光束并在图像传感器12上形成测量区的像；成像透镜14使得图像传感器的每个像素都对应于测量区1中一个唯一的小区域，每个像素测量到的差拍频率都对应于测量区1中一个小区域内颗粒的运动速度；；
合束器13用于将第五光束和第四光束合束，并将叠加后的光束投射到图像传感器12；
图像传感器12作为一种光电传感器，用于接收第四光束与第五光束的叠加光场，设图像传感器某像素测量得到叠加光场的强度变化频率Δf，则：
其中，fs是第四光束的电场振动频率，fR是第五光束的电场振动频率，是颗粒的运动速度矢量，/>是第四光束的波矢量，/>是第一光束的波矢量。不影响普遍性，这里假设了照明光与参考光有相同的频率，即参考光的调制频率为0。
由于图像传感器12上的每个像素都能独立探测光强随时间的变化，而每个像素都对应于测量区1上的一个微小区域，因此本发明能同步测量颗粒流在测量区内的二维速度分布。以上公式中，和/>的矢量关系图如图2所示，由此可以算出测量区内某位置的颗粒流速的具体数值。
作为一种实施方式，参考光模组包括光频调制器6、会聚透镜7、光纤传导单元9和参考光准直镜11；
光频调制器6用于接收第二光束，并对第二光束进行频率调节；光频调制器6用于改变参考光的电场振动频率。设光频调制带来的参考光频移为fM，那么第四光束与第五光束的叠加光电场的强度变化频率为：
其中fR＝f0+fM，f0为照明平行光的原始频率，fM为光频调制器6的调制频率。
会聚透镜7用于将第二光束会聚至光纤传导单元9内；
光纤传导单元9用于传导光束，使光束从输出端10输出，称为第五光束；
参考光准直镜11用于将第五光束转换成平行光束，照射在合束器13上。
优选地，光纤传导单元9采用单模保偏光纤作为光传导器件。单模保偏光纤能保证从输出端10输出的第五光束与从输入端8输入的第二光束有相同的偏振方向和相干性。
优选地，光纤传导单元9的光纤长度可调，即光纤传导单元9的输入端8与输出端10之间的光程可调。
优选地，光纤长度被配置为，使得最终到达图像传感器的参考光与散射光的光程差接近为零，使得二者之间有更好的相干性，从而使拍频信号有更好的质量。
更进一步地，根据以上公式，当颗粒运动速度太高，导致多普勒频移过大，使得图像传感器12响应不过来时，可以通过光频调制器6调节第五光束的电场振动频率fR，即令fM取一个较大的正值，使拍频信号Δf变小，从而适应图像传感器12的响应速度，保证偏频信号能被很好接收。
作为一种实施方式，粒径分析模组包括傅里叶透镜16和光电探测器阵列15；
傅里叶透镜16用于收集第三光束，并按不同的散射角将散射光聚焦在光电探测器阵列15的不同探测单元上；探测单元将接收到的散射光转换成电信号，用于分析颗粒流2的粒度分布。
作为一种实施方式，照明光模组包括激光光源5和照明光准直镜4；
激光光源5用于发出一束经过空间滤波、发散、线偏振的激光束；
照明光准直镜4接收激光束后输出照明光束。
第二方面，本发明提供一种应用于上述实施例中激光粒度分析系统的方法，包括：
利用分束镜3，将照明光束分成第一光束和第二光束；
第一光束与一流动的颗粒流2形成交叉区域，定义为测量区1，在测量区1中第一光束被散射，部分散射光形成第三光束，部分形成第四光束；
测量第三光束的角度分布，分析后可获得颗粒流2的粒度分布；
将第二光束进行频率调节再经过光纤传导后输出第五光束；
对第四光束和第五光束进行合束，接收两者叠加后发生干涉的叠加光场，根据叠加光场的差拍频率分析颗粒的运动速度。
作为一种实施方式，当拍频信号Δf的数值过大时，控制光频调制器6调节第二光束的频率fR，使得拍频信号Δf减小，以便图像传感器12进行接收。
优选地，检测拍频信号Δf的数值，将其与第一阈值相比较，若拍频信号Δf大于第一阈值，则判断拍频信号Δf过大，控制光频调制器6调节第二光束的频率fR，使得拍频信号Δf小于第一阈值，以便图像传感器12进行接收。
综上，相对于现有技术，上述实施例提供一种激光粒度分析系统及其方法，在激光粒度分析仪上进行改进，利用分束镜3将照明光束分成第一光束和第二光束，第一光束打在颗粒流2上形成散射效应，其中第三光束用于分析颗粒流2的粒度分布，而第四光束则与由第二光束经调频后得到的第五光束相叠加，产生干涉，用于分析颗粒的运动速度，从而在同一套系统上分析测量得到颗粒流2的粒度分布和运动速度，扩展了现有激光粒度仪的功能，测量高效，操作简单。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (9)
1.一种激光粒度分析系统，用于同时测量颗粒流的粒度分布和运动速度，其特征在于，包括：
照明光模组，用于提供照明光束；
分束镜，用于将所述照明光束分成第一光束和第二光束，所述第一光束与颗粒流的交叉区域定义为测量区，在所述测量区中形成光散射，产生第三光束和第四光束；
粒径分析模组，用于接收所述第三光束，分析颗粒流的粒度分布；
参考光模组，用于将所述第二光束经光纤传导后输出第五光束；
速度分析模组，用于将第四光束和第五光束合束发生干涉，分析颗粒的运动速度。
2.如权利要求1所述的一种激光粒度分析系统，其特征在于，
所述速度分析模组包括成像透镜、合束器和图像传感器；
所述成像透镜用于收集由所述测量区中的颗粒散射出来的第四光束并在图像传感器上形成测量区的像；
所述合束器用于将第五光束和第四光束合束，并将合束光投射到图像传感器；
所述图像传感器用于接收所述第四光束与第五光束的叠加光场，计算所述第四光束与第五光束的电场频率差Δf，有：
其中，fs是第四光束的电场振动频率，fR是第五光束的电场振动频率，是颗粒的运动速度矢量，/>是第四光束的波矢量，/>是第一光束的波矢量。
3.如权利要求2所述的一种激光粒度分析系统，其特征在于，
所述参考光模组包括光频调制器、会聚透镜、光纤传导单元和参考光准直镜；
所述光频调制器用于对所述第二光束进行频率调节；
所述会聚透镜用于将对所述第二光束进行会聚，并导入至所述光纤传导单元的输入端；
所述光纤传导单元用于传导光束，并从其输出端输出第五光束；
所述参考光准直镜用于将所述第五光束转换成平行光，并照射在合束器上。
4.如权利要求3所述的一种激光粒度分析系统，其特征在于，
所述光纤传导单元采用单模保偏光纤。
5.如权利要求3所述的一种激光粒度分析系统，其特征在于，
所述光纤传导单元的光纤长度可调。
6.如权利要求3所述的一种激光粒度分析系统，其特征在于，
所述第四光束与所述第二光束的传输光程小于照明光束激光光源的相干长度。
7.如权利要求3所述的一种激光粒度分析系统，其特征在于，
所述粒径分析模组包括傅里叶透镜和光电探测器阵列；
所述傅里叶透镜用于收集所述第三光束，将不同散射角的光线会聚在所述光电探测器阵列的不同单元上；
所述光电探测器阵列将不同角度的散射光转换成电信号，用于分析颗粒流的粒度分布。
8.照明光束如权利要求1所述的一种激光粒度分析系统，其特征在于，
所述照明光模组包括激光光源和照明光准直镜；
所述激光光源用于发出一束经过空间滤波、发散、线偏振的激光束；
所述照明光准直镜接收所述激光束后输出照明光束。
9.一种应用于如权利要求1至8任一项所述激光粒度分析系统的方法，其特征在于，包括：
利用分束镜，将照明光束分成第一光束和第二光束；
所述第一光束与一流动的颗粒流形成交叉区域，定义为测量区，在所述测量区中形成光散射，将散射光分成第三光束和第四光束；
分析所述第三光束的颗粒流的粒度分布；
将第二光束进行频率调节再经过光纤传导后输出第五光束；
对所述第四光束和第五光束进行合束，接收两者叠加后发生干涉的光场，通过拍频信号分析颗粒的运动速度。
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