CN1502981A - 基于动态光散射信号分形的颗粒测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于动态光散射信号分形的颗粒测量方法及装置。装置由激光器、偏振片、透镜、样品池、小孔、滤光片、光探测器、光子计数卡和微机组成。方法为：由激光器、偏振片和透镜组成的入射光路产生聚焦的偏振光束照射到颗粒样品池中，样品池中的颗粒产生的散射光经小孔、滤光片进入光探测器，将散射光信号转换成TTL脉冲信号，由光子计数卡将脉冲信号读入微机内存，计算出所测信号的分形维数，根据分形维数与颗粒粒径的对应关系求出粒径。优点是：成本低、步骤简单、测量速度快。

Description

基于动态光散射信号分形的颗粒测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种通过颗粒的动态散射光信号的分形测量颗粒粒径的方法及装置。

背景技术

颗粒是指悬浮在空气或液体中的固体、液体油滴、气体气泡或分子团。在多数情况下，是指粒径在1000μm以下的颗粒。颗粒及其形成物作为原料、中间物或产品在自然界以及生产过程中普遍存在。它们对产品或材料的性能和质量、能源的消耗、环境质量、人民身体健康、全球气候及作物生长等有重大影响。准确测量颗粒粒度，具有重要的经济和社会意义。颗粒测量有筛分法、显微镜法、沉降法、电感应法及光散射法等多种方法，这些方法各具特点，但受工作原理的限制，除显微镜方法和光散射法中的光子相关光谱法外，其余方法一般不适于对微米以下的颗粒测量，显微镜方法和光子相关光谱法可以进行微米以下的颗粒测量，但不适于在线应用。

发明内容

本发明的目的是为了测量0.1μm～3μm之间颗粒的平均粒径，提供一种可实施的利用运动颗粒动态散射光信号分形进行颗粒粒径在线测量的方法和装置。

悬浮液中的颗粒受颗粒周围进行布朗运动的分子的不断撞击，其对固定光源的散射光光强会随机涨落。这种涨落的快慢与颗粒的粒径有关，颗粒越小，涨落越快。因此，所测得的动态散射光光强信号的波形在时间轴上具有不同的复杂性。这一复杂的随机信号具有分形特征，用分形来表征这种复杂性，可以获取影响这种复杂性的颗粒粒径信息。根据上述原理，基于动态光散射信号分形的颗粒测量方法的具体步骤为：

1、以激光器作为光源，照射到盛有颗粒的样品池内；

2、采用光电倍增管作为光探测器以90°的散射角连续测量散射光信号；

3、采用光子计数卡对光电倍增管输出的脉冲信号进行连续计数，并将反映散射光信号波动的连续计数值送入微机内存；

4、微机根据所测得的散射光波动信号求取该信号的分形特征值一分形维数，根据分形维数的大小确定颗粒粒径。

为实现上述方法而设计的装置包括：激光器、偏振片、透镜、样品池、小孔、滤光片、光探测器、光子计数卡和微机，由激光器、偏振片、透镜组成入射光路，由样品池、小孔、滤光片组成散射光路，由光探测器、光子计数卡和微机组成动态散射光信号采集与处理单元。

本方法省去了传统动态散射方法所必须的价格昂贵的数字相关器，具有成本低，所测数据少，计算量小，测量速度快，可在线应用等特点。

附图说明

图1为颗粒测量装置原理图。

具体实施方式

本方法采用的测量装置由图1所示，包括激光器1、偏振片2、透镜3、样品池4、小孔A5、小孔B6、滤光片7、光探测器8、光子计数卡9和微机10。由激光器1、偏振片2、透镜3组成入射光路，由样品池4、小孔A5、小孔B5、滤光片7组成散射光路，由光探测器8、光子计数卡9和微机10组成动态散射光信号采集与处理单元。光探测器8为光电倍增管，安装在90°散射角的光路上，使散射光先后经由小孔A5、小孔B6和滤光片7，最后进入光探测器8。小孔A5用于限定散射体积以提高散射光强并确定相干面积。小孔B6用于限定探测器的感光面积以保证此面积与相干面积接近1致，因为过大的探测器探测面积的平均作用会影响探测点信号的起伏效果。滤光片7用于滤除外界的杂散光。所测散射光经光探测器转换成TTL脉冲电压信号，该脉冲信号的频率变化反映散射光的光强波动。光子计数卡9将脉冲信号读入微机10。微机10按下式计算出所测信号的分形维数D。

$D=\frac{\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left[\ln (\frac{1}{{\mathrm{\δ}}_i}-\stackrel{\‾}{\mathrm{\δ}})\right][\ln \left(N\left({\mathrm{\δ}}_i\right)\right)-\stackrel{\‾}{N}]}{\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[\ln \left(\frac{1}{{\mathrm{\δ}}_i}\right)-\stackrel{\‾}{\mathrm{\δ}}]}^2}$

其中：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\δ}}=\frac{1}{n+1}\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\ln \left(\frac{1}{{\mathrm{\δ}}_i}\right)$

$\stackrel{\‾}{N}=\frac{1}{n+1}\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\ln \left(N\left({\mathrm{\δ}}_i\right)\right)$

δ_n＝2ⁿ；n＝0，1，2，…m＜r；i＝0，1，…n；

N(δ_i)为δ_i与散射光光强波动曲线相交的个数。

根据标定的颗粒粒径与分形维数的关系曲线，求得颗粒粒径。

本发明的方法是通过上述装置来实现的：打开激光器1预热，调整透镜2使入射光聚焦在样品池4内。调整小孔A5和小孔B6，使散射光以90°的散射角先后经由小孔A5、小孔B6和滤光片7，进入探测器8。将盛有标准样品的样品池4放到测量区。运行微机中的数据采集软件，启动光子计数卡对光探测器8输出的脉冲信号进行连续计数，并将连续的计数值送入微机内存，求出与标准颗粒样品对应的动态散射光信号的分形维数。更换不同粒径的标准颗粒样品，重复这一测量过程。标准颗粒的粒径分别为0.1μm、0.2μm、0.5μm、0.8μm、1μm、2μm、3μm。用所求得的与上述颗粒粒径对应的分形维数修正颗粒粒径-分形维数关系曲线。取下标准颗粒样品池，更换成待测颗粒样品池，调用颗粒粒度分析软件，微机根据分形维数的大小，通过颗粒粒径-分形维数关系曲线，计算颗粒粒径，并在屏幕上显示。

Claims (3)

1、基于动态光散射信号分形的颗粒测量方法，其特征在于，具体步骤为：

(1)以激光器作为光源，照射到盛有颗粒的样品池内；

(2)采用光电倍增管作为光探测器以90°的散射角连续测量散射光信号；

(3)采用光子计数卡对光电倍增管输出的脉冲信号进行计数，并将计数值送入微机；

微机根据所测的散射光波动信号求取该信号的分形特征值—分形维数D

$D=\frac{\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left[\ln (\frac{1}{{\mathrm{\δ}}_i}-\stackrel{\‾}{\mathrm{\δ}})\right][\ln \left(N\left({\mathrm{\δ}}_i\right)\right)-\stackrel{\‾}{N}]}{\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[\ln \left(\frac{1}{{\mathrm{\δ}}_i}\right)-\stackrel{\‾}{\mathrm{\δ}}]}^2}$

其中：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\δ}}=\frac{1}{n+1}\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\ln \left(\frac{1}{{\mathrm{\δ}}_i}\right)$

$\stackrel{\‾}{N}=\frac{1}{n+1}\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\ln \left(N\left({\mathrm{\δ}}_i\right)\right)$

δ_n＝2ⁿ；n＝0，1，2，…m＜r；i＝0，1，…n；

N(δ_i)为δ_i与散射光光强波动曲线相交的个数。

(4)根据分形维数的大小确定颗粒粒径。

2、为实现上述方法而设计的装置，其特征在于，它由激光器(1)、偏振片(2)、透镜(3)、样品池(4)、小孔A(5)、小孔B(6)、滤光片(7)、光探测器(8)、光子计数卡(9)和微机(10)组成，由激光器(1)、偏振片(2)、透镜(3)组成入射光路，由样品池(4)、小孔A(5)、小孔B(5)、滤光片(7)组成散射光路，由光探测器(8)、光子计数卡(9)和微机(10)组成动态散射光信号采集与处理单元。

3、根据要求1所述的装置，其特征在于，所述的光探测器(8)为光电倍增管安装在90°散射角光路上，散射光先后经由小孔A(5)、小孔B(6)和滤光片(7)进入光探测器(8)。

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