CN204514759U - 一种基于近场散射的颗粒粒度图像采集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于近场散射的颗粒粒度图像采集装置，其特征在于：包括激光器、空间滤波器、准直透镜、透镜组以及CCD相机，所述空间滤波器位于所述激光器的输出光路上，所述准直透镜位于所述空间滤波器的输出光路上，在所述准直透镜的后端依次设置所述的透镜组和CCD相机，所述透镜组的像平面在所述CCD相机的靶面上。与现有技术相比，本实用新型测量装置结构简单、克服了光学系统中的杂散光对散射光强的影响，具有测量精度高的优点。

Description

一种基于近场散射的颗粒粒度图像采集装置

技术领域

本实用新型属于颗粒粒度测量技术领域，具体涉及一种基于近场散射的颗粒粒度图像的采集装置。

背景技术

随着社会文明的进步、科学技术的快速发展，颗粒问题在工业、农业、医学、科研及环境等领域中越来越受到关注。颗粒粒度及分布是目前颗粒测量的主要内容之一。在测量颗粒粒度的众多方法中,光散射法以其适用性强、粒度测量范围宽、测量重复性好、快速实时、自动化和智能化程度高、干扰因素少、在线测量等因而得到充分重视，是目前应用最广泛和最有发展前景的颗粒测量技术。

常见的光散射测量方法主要有动态光散射法和小角静态光散射法。动态光散射法是通过在不同方向上建立散射光强度与时间的关联从而得到待测颗粒粒度及分布，这种方法所需要的物理参数少，但对实验装置技术性能要求高，并且价格昂贵。小角静态光散射法是通过测量远场的散射光强度从而反演出颗粒粒度及分布，但是这种方法存在一些限制，其中最大的缺点是中心光强的去除需要光路上严格对准，而且周围杂散光的存在需要进行空白测量，使装置更复杂，测量精度降低，稳定性不高。

发明内容

技术问题：本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术不足，而提出一种近场散射方法获取颗粒粒度图像的装置。

技术方案：一种基于近场散射的颗粒粒度图像采集装置，其特征在于：包括激光器、空间滤波器、准直透镜、透镜组以及CCD相机，所述空间滤波器位于所述激光器的输出光路上，所述准直透镜位于所述空间滤波器的输出光路上，在所述准直透镜的后端依次设置所述的透镜组和CCD相机，所述透镜组的像平面在所述CCD相机的靶面上。

所述的激光器为连续发光的He-Ne激光器。

有益效果：传统的小角散射技术在被测对象散射的远场获取散射光强度，并且采用光学装置实现传感器位置和散射角的一对一映射。然而，近场散射技术在被测对象散射的近场处获取散射光强度，不需要任何角分辨检测。采用近场散射最终得到的散射光强度和传统小角散射的具有一致性，但近场光散射测量装置简单紧凑、精度高、易消除杂散光的影响，是小角散射技术的一种很好的替代方法。

与现有技术相比，本实用新型测量装置结构简单、克服了光学系统中的杂散光对散射光强的影响，具有测量精度高的优点。

附图说明

图1为本实用新型所述基于近场散射的颗粒粒度图像采集装置的结构示意图；

图2为散斑图像的功率谱求解平均值方法示意图。

其中，激光器1、空间滤波器2、准直透镜3、透镜组4、CCD相机5、计算机6。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本实用新型。应理解这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围，在阅读了本实用新型之后，本领域技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本实用新型采集装置的工作原理：激光器发出相干光束，经由空间滤波器，滤除大部分由激光器产生的杂散光，再由准直透镜，对激光进行准直，准直光束照射待测溶液，因颗粒的存在而发生散射，然后调节测量区域后的透镜焦距，使得距离测量区域Z处的透射光与散射光的叠加所成的散斑图像，被CCD相机所记录。

本实用新型采集装置采集到的近场散斑图像经由计算机处理即可得到颗粒粒度分布。

如图1所示，本实用新型所述基于近场散射的颗粒粒度图像采集装置主要包括激光器1、空间滤波器2、准直透镜3、透镜组4和CCD相机5。光源可采用连续激光器线光源1(如He-Ne激光器1，波长为632.8nm，光束尺寸D～10mm)。透镜组2为普通光学镜头(如透镜放大倍数40x，NA～0.65，具体参数可以根据实验需求进行选择)。

为了得到颗粒的粒径及分布，将本实用新型采集到的图像输出到计算机6内。在计算机6内的图像数据处理软件的控制下，可完成图像采集、存储与处理等整体协调。

结合图1，下面结合长2mm，壁厚1mm的方管内待测溶液颗粒粒度测量，以He-Ne激光器(λ～632.8nm，D～10mm)为光源，放大倍数M＝20的透镜(NA～0.5)，12位的CCD相机(UI-2230SE，1024×768pixel，pixel sizeΔl～4.65μm，framerate～80fps)，对本实用新型的工作过程及图像处理流程具体说明：

步骤一、CCD相机采样平面距离方管Z＝1.5mm(D*＝2Z·NA＝2×1.5mm×0.5＝1.5mm<D＝10mm，满足近场散射条件。)调整CCD相机位置，使得镜头聚焦在采样平面上。激光器发出的相干光束照射含有颗粒的待测溶液，由于光的散射作用，CCD相机采集距离测量区域Z处的由透射光和散射光干涉形成的散斑图像，并传输到计算机上进行存储和处理。设定CCD相机每隔Δt＝1s拍摄一次图像，拍摄N＝60帧，总的测量时间T＝N·Δt＝60s。

步骤二、将CCD相机采集的N帧散斑图像I₁(x,y)、I₂(x,y)……I_N(x,y)作归一化处理。首先对采集的一系列的散斑图像I₁(x,y)、I₂(x,y)……I_N(x,y)做平均，得到平均光强。

$\stackrel{\&OverBar;}{I}(x,y)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_i(x,y)---\left(1\right)$

然后归一化得到散斑强度的归一化值i(x,y)。

$i(x,y)=\frac{I_1(x,y)-\stackrel{\&OverBar;}{I}(x,y)}{\stackrel{\&OverBar;}{I}(x,y)}---\left(2\right)$

式中x，y代表的是数字图像上像素点的排列序号。

步骤三、对步骤二获得的归一化强度值选取图像尺寸为m×n的区域进行快速傅里叶变换得到功率谱值S(q_x,q_y)。

$S(q_x,q_y)={\left|\mathrm{FFT}\left(i(x,y)\right)\right|}^2={\left|\frac{1}{m}\frac{1}{n}\underset{x=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{y=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}i(x,y)e^{-i(q_x\frac{x}{m}+q_y\frac{y}{n})}\right|}^2---\left(3\right)$

式中，FFT表示快速傅里叶变换算子，与空间频率有关的傅里叶向量， $q_x=2\mathrm{\&pi;}{f}_x=2\mathrm{\&pi;}\frac{x}{\mathrm{m\&Delta;x}},q_y=2\mathrm{\&pi;}{f}_y=2\mathrm{\&pi;}\frac{y}{\mathrm{n\&Delta;y}}.$ Δx为CCD横向像素尺寸，

Δy为纵向像素尺寸。具体计算结果如下：

$q_x=2\mathrm{\&pi;}{f}_x=2\mathrm{\&pi;}\frac{x}{\mathrm{m\&Delta;x}}=1.76\&times;{10}^{-3}x{\mathrm{\&mu;m}}^{-1},q_y=2\mathrm{\&pi;}{f}_y=2\mathrm{\&pi;}\frac{y}{\mathrm{n\&Delta;y}}=1.76\&times;{10}^{-3}y{\mathrm{\&mu;m}}^{-1}.$

步骤四、对步骤三得到的散斑强度的功率谱按平均得到平均功率谱S(q)。具体操作如图2所示，选取内径为q外径为q+Δq的圆环内各值的平均值代表q对应的S(q)。二维近场散斑强度分布的功率谱包含着散射光强的信息，并且平均能量谱S(q)和散射光强I_s(Q)存在等价关系。即

I_s(Q)＝S(q)＝<S(q_x,q_y)>_q         (4)

式中，<…>表示求平均值运算。表示散射传递波矢，定义为散射波矢和入射波矢之差，散射传递波矢模量 $Q=\sqrt{2}k{[1-\sqrt{1-{(q/k)}^2}]}^2=\frac{4\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}\sin (\mathrm{\&theta;}/2),$ θ为散射角，λ为激光器波长。

散射传递波矢模量Q的范围具体计算结果如下：

$[Q_{\min },Q_{\max }]=[\frac{2\mathrm{\&pi;}}{L},\frac{4\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}\sin ({\mathrm{\&theta;}}_{\max }/2)]=[3.52\&times;{10}^{-2}{\mathrm{\&mu;m}}^{-1},5.14{\mathrm{\&mu;m}}^{-1}]---\left(5\right)$

其中，θ_max＝arcsin(NA)＝arcsin0.5＝30°。

步骤五、实验测量的散射光强度包含着颗粒的粒径信息，对式(7)积分方程采用反演算法就可得到被测溶液的粒径分布。

I_s(Q)＝∫I_Mie(Q,R)[M(R)]^-1W(R)dR  (6)

式中，I_Mie(Q,R)是半径为R的颗粒在散射传递波失大小为Q时Mie散射光强，M(R)是颗粒的质量(M(R)＝(4/3)ρπR³，ρ为颗粒密度)，W(R)即需要反演出的粒径分布。

Claims (2)

1.一种基于近场散射的颗粒粒度图像采集装置，其特征在于：包括激光器、空间滤波器、准直透镜、透镜组以及CCD相机，所述空间滤波器位于所述激光器的输出光路上，所述准直透镜位于所述空间滤波器的输出光路上，在所述准直透镜的后端依次设置所述的透镜组和CCD相机，所述透镜组的像平面在所述CCD相机的靶面上。

2.根据权利要求1所述的一种基于近场散射的颗粒粒度图像采集装置，其特征在于：所述的激光器为连续发光的He-Ne激光器。