专利名称：一种多方法融合的颗粒粒度仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种融合图像法和光散射法的颗粒粒度测量装置，特别涉及一种测量范围可以从纳米、亚微米到微米的颗粒粒度仪。
背景技术：
近年来随CXD和CMOS数字相机的发展，采用数字相机代替传统显微镜上的目镜构成的图像法颗粒粒度分析仪已得到广泛应用。受光学显微镜理论图像分辨率的限制，图像法颗粒粒度仪的测量下限一般在0.5微米以上，上限可以根据使用的显微物镜的放大倍率而确定。动态光散射颗粒粒度仪主要用于纳米颗粒的粒度测量，一般测量下限在1纳米左右，上限在3-5微米。这2种颗粒粒度仪虽可以满足在各自粒度范围内的颗粒测量，但在需要测量颗粒的粒度范围从纳米到数十至数百微米时，2者就无法满足要求。静态光散射颗粒粒度仪则是测量大量颗粒的散射光强，不考虑颗粒做布朗运动造成的散射光强的脉动，基于静态光散射原理的颗粒粒度仪已成为现在颗粒测量的最主要方法，测量范围可以从亚微米到数百微米。现有图像法颗粒粒度仪是在显微镜上改进，用CCD或CMOS数字摄像头或数字相机替代显微镜上原有目镜，颗粒样品放在载玻片上，数字摄像机或数字相机拍摄到颗粒的显微图像后将输出信号送到计算机进行处理，得到颗粒的图像，进一步用颗粒粒度分析软件得到颗粒的粒度分布，形状等参数。在测量不同大小颗粒时可以用显微镜上的旋转式物镜机构换用不同放大倍率的物镜，但照明光源系统仍是同一个，并不因更换物镜而变化。动态光散射颗粒粒度仪采用激光作光源，入射到含有被测颗粒的液体(通常是水) 中，微小颗粒在液体中受周边液体分子的撞击，会产生布朗运动，这种随机的布朗运动使得颗粒散射光的强度也发生随机脉动，其脉动频率与颗粒大小有关，较大颗粒的随机运动频率较低，扩散运动速度较慢，而较小颗粒的随机运动频率较高，扩散运动速度较快。颗粒的扩散与粒度的关系可以用Mocks-Einstein公式描述D = ^bt(1)
t βπτ^Μ式中久是扩散系数，Kb是波尔茨曼常数，T是绝对温度，η是粘度，R是待测颗粒的半径。根据布朗运动理论，在T时刻颗粒相对原点位移平方的期望值是Ir2^j= SDtT(2)因此，如果能测得纳米颗粒在经过T时间后的位移，就可以得到扩散系数久，然后用公式(1)得到被测颗粒的粒径 /。连续快速拍摄颗粒散射光质点的布朗运动图像，分析记录下颗粒的随机运动，就可以由Mocks-Einstein公式得到颗粒的粒度。但在颗粒较大时， 布朗运动很小，无法检测，也就不能再用这种方法测量颗粒的粒度。在这种测量方法中是测量颗粒的动态散射的连续时间序列信号。静态光散射颗粒粒度仪同样采用激光作为光源，入射到被测颗粒上，颗粒会产生光散射，这种散射可以用Mie’ s光散射理论描述。测量颗粒散射光的空间分布，然后用 Mie’s光散射理论和反演算法可以得到被测颗粒的粒度。在该方法中测量的是与颗粒大小有关的静态光散射强度，不涉及到颗粒运动对光散射强度变化产生的动态影响，所以测量信号不是时间序列信号。
发明内容本实用新型的目的是为了提供一种将图像法颗粒粒度测量和光散射法颗粒粒度测量融合在一起的颗粒粒度测量仪，该颗粒粒度仪测量范围可以从纳米到数百微米，满足各种测量要求。本实用新型的基本原理用具有快门速度可控且可连续测量功能的面阵数字相机或摄像机，如CCD或CMOS数字相机或数字摄像机作为检测传感器件，在图像法测量时，将微型光源，如发光二极管，布置在样品池的下方，作为透射法图像测量的光源，或布置在显微物镜周围，作为反射法图像测量的光源，面阵数字相机或摄像机布置在显微物镜的焦面上， 这样构成图像法颗粒粒度测量仪。在动态光散射测量时，将激光作为光源，激光束从样品池下方入射，样品池上布置一个透镜，颗粒的动态散射光信号由面阵数字相机或摄像机接收拍摄图像。可以采用二种方式记录颗粒的动态光散射信号，一种是连续记录多帧颗粒散射光的空间分布图像，然后分析这些图像中颗粒的动态散射光点的布朗运动特性来获得颗粒的粒度；另一种是控制数字相机的快门速度使得拍摄到的一帧图像中的颗粒动态光散射点成为一条轨迹线，对该帧图像中的所有颗粒光散射点的轨迹进行数据处理，由式(2)得到扩散系数，然后由式(1)得到颗粒的粒度。在静态光散射测量时，光路布置与动态光散射测量同，但仅分析颗粒的静态光散射特性来获得颗粒的粒度。在对显微物镜的焦距和光散射测量中的透镜焦距，象差，色差等参数综合考虑设计时，可以将这两个透镜合为一个。基于上述发明原理，本实用新型的技术方案是一种多方法融合的颗粒粒度仪，其特征在于，该颗粒粒度仪由激光光源、非单色照明光源、显微物镜、道威棱镜或2个90度折转棱镜或2个全反射镜构成180度折转光路、半透半反镜、面阵数字相机或摄像机、样品池和透镜组合成两光路结构，一路是从非单色照明光源发出的光照射到样品池中的样品，样品池位于显微物镜的观察面上，显微物镜将放大的图像经过道威棱镜后再经过半透半反镜后到面阵数字相机或摄像机；另一路是激光光源发出的光照射到样品池中的样品，透镜将放大的图像经过半透半反镜后到面阵数字相机或摄像机。所述的激光光源由第一激光光源和第二激光光源组成，所述的第一激光光源和第二激光光源成90度垂直布置。所述第二激光光源与第一激光光源布置成60度角或135度角。所述照明光源采用发光二极管或微型灯泡。所述的面阵数字相机为CXD或CMOS数字相机。[0021 ] 本实用新型的有益效果是利用同一个传感器件-CCD或CMOS数字相机将多种测量方法融合在一起，用简单结构扩大了粒度仪的粒度测量上下限，使得基于本实用新型的粒度仪的测量范围可以从纳米级到数百微米级，满足宽范围粒度分布测量的要求，并可同时用图像法给出颗粒的形貌参数。
图1为本实用新型实施例1示意图；图2为本实用新型实施例2示意图；图3为本实用新型实施例2中两激光光源示意图；图4为本实用新型实施例3示意图；图5为本实用新型实施例4示意图。
具体实施方式
结合附图对本实用新型作进一步说明。实施例1 一种多方法融合的颗粒粒度仪，由图1所示，该颗粒粒度仪由第一激光光源1、第一照明光源2、第二照明光源3、显微物镜4、道威棱镜5、半透半反镜6、面阵数字相机或摄像机7、样品池8和透镜9组合成两光路结构，一路是从第一照明光源2发出的光照射到样品池8中的样品，样品池8位于显微物镜4的观察面上，显微物镜4将放大的图像经过道威棱镜5后再经过半透半反镜6后到面阵数字相机或摄像机7 ；另一路是第一激光光源1发出的光照射到样品池8中的样品，透镜9将放大的图像经过半透半反镜6后到面阵数字相机或摄像机7，面阵数字相机或摄像机7将图像转换成电信号送入计算机进行处理得到颗粒的粒度分布。本实用新型在用图像法测量时，置于样品池8下的第一照明光源2发光，布置在显微物镜周围的第二照明光源3不发光，作为透射法图像测量；置于样品池8下的第一照明光源2不发光，布置在显微物镜周围的第二照明光源3发光作为反射法图像测量；所述第一照明光源2和第二照明光源3均采用发光二极管或微型灯泡，也可以是其他光源，当需要观察或测量被测颗粒表面特性及形貌时，第二照明光源3从样品的斜上方或上方照亮样品颗粒，显微物镜将放大的图像经过道威棱镜5和半透半反镜6后到面阵数字相机或摄像机7， 面阵数字相机或摄像机7将图像转换成电信号送入计算机进行处理得到颗粒的表面特性和形貌信息。本实用新型在用动态光散射法测量时，由第一激光光源1发出的激光束照射到样品池8中的样品颗粒，颗粒的前向动态散射光被透镜9接收后经半透半反镜6到面阵数字相机或摄像机7，面阵数字相机或摄像机7连续记录颗粒的动态光散射信号，并送入计算机，根据颗粒的布朗运动理论和Mocks-Einstein公式进行处理，得到颗粒的粒度分布；或控制相机的快门速度L使得拍摄到的图像上由于长时间曝光出现颗粒因布朗运动造成的散射光点的运动轨迹线，而不是光点，然后送入计算机，根据颗粒的布朗运动理论和 Stocks-Einstein公式进行处理，得到颗粒的粒度分布；本实用新型在用静态光散射法测量时，由第一激光光源1发出的激光束照射到样品池8中的样品颗粒，颗粒的前向静态散射光被透镜9接收后经半透半反镜6到面阵数字相机或摄像机7，面阵数字相机或摄像机7将测得的颗粒静态散射信号送入计算机，根据 Mie' s光散射理论进行处理，得到颗粒的粒度分布。实施例2 在实施例1中，静态光散射和动态光散射测量的都是前向散射光。因为动态光散射是测量纳米级到亚微米级颗粒，这些微小颗粒的动态散射光强度相对很弱，但在各个方向的散射光强比较均勻，环境杂散光会对这些微小颗粒的动态散射光产生很大的噪音。而微米级颗粒的前向散射光较强，侧向散射光强相对较弱，在前向测量不易受环境杂散光的干扰。为解决该问题，提出实施例2，由图2所示。与实施例1不同的是在本实施例中动态光散射和静态光散射测量分别采用两个激光光源第一激光光源1和第二激光光源10，由图2、图3所示。在动态光散射测量时，第二激光光源10发出的激光束照射到样品池8中的颗粒，侧向90度方向的颗粒动态光散射时序信号被面阵数字相机7拍摄记录，这样可以避免激光束很强的前向杂散光的干扰，提高动态光散射测量信号的信噪比。而在静态光散射测量时第一激光光源1发出的激光束照射到样品池8中的颗粒，颗粒的前向静态光散射信号被面阵数字相机7拍摄记录。图3表示了本实施例中静态光散射测量用第一激光光源1和动态光散射测量用第二激光光源10 的布置，第一激光光源1和第二激光光源10成90度垂直布置。其中动态光散射测量用第二激光光源10也可以布置在不同角度，第二激光光源10与第一激光光源1布置成小于180 度，大于0度。实施例3 在采用静态光散射测量较大颗粒，如数百微米颗粒时，实施例1中的透镜9的焦距需要比较长，这样构成的仪器尺寸较长。为减小仪器的尺寸，在本实施例中，将实施例1 中的道威棱镜5的布置位置做了更改，如图4所示。图像法测量中经显微物镜4放大的图像经半透半反镜6后直接到面阵数字相机或摄像机7。光散射测量中的动态散射光或静态散射光被透镜9接收后经过道威棱镜5后再经过半透半反镜6到面阵数字相机或摄像机7。在本实施例中也可以如实施例2中那样动态光散射测量和静态光散射测量分别采用2个激光光源成90度布置，以减少杂散光对侧向散射光测量的干扰。实施例4 在上述实施例中采用了道威棱镜来改变光的传播路线，但大尺寸的道威棱镜成本很高，可以采用成本较低的2个90度折转棱镜5来代替道威棱镜改变光的传播路线，如图 5所示。这2个90度折转棱镜也可以用2个的全反射镜代替。在上述实施例中三种测量方法共用一个样品池和一个面阵数字相机。静态光散射法测量和动态光散射法测量还共用同一套测量系统，只是测量方法不同，所述的面阵数字相机为CCD或CMOS数字相机。
权利要求1.一种多方法融合的颗粒粒度仪，其特征在于，该颗粒粒度仪由激光光源、非单色照明光源、显微物镜、道威棱镜或2个90度折转棱镜或2个全反射镜构成180度折转光路、半透半反镜、面阵数字相机或摄像机、样品池和透镜组合成两光路结构，一路是从非单色照明光源发出的光照射到样品池中的样品，样品池位于显微物镜的观察面上，显微物镜将放大的图像经过道威棱镜后再经过半透半反镜后到面阵数字相机或摄像机；另一路是激光光源发出的光照射到样品池中的样品，透镜将放大的图像经过半透半反镜后到面阵数字相机或摄像机。
2.根据权利要求1所述的多方法融合的颗粒粒度仪，其特征在于，所述的激光光源由第一激光光源和第二激光光源组成，所述的第一激光光源和第二激光光源间的夹角布置成小于180度，大于0度。
3.根据权利要求1所述的多方法融合的颗粒粒度仪，其特征在于，所述非单色照明光源采用发光二极管或微型灯泡。
4.根据权利要求1所述的多方法融合的颗粒粒度仪，其特征在于，所述的面阵数字相机为CCD或CMOS数字相机。
专利摘要本实用新型公开了一种多方法融合的颗粒粒度仪，特点是它由激光光源、非单色照明光源、显微物镜、道威棱镜或2个90度折转棱镜或全反射镜、半透半反镜、面阵数字相机或摄像机、样品池和透镜组合成两光路结构，一路是从非单色照明光源照射到样品池中的样品，显微物镜将放大的图像经道威棱镜后再经半透半反镜后到面阵数字相机；另一路是激光光源光照射到样品池中的样品，透镜将放大的图像经半透半反镜后到面阵数字相机；本实用新型的有益效果是用同一数字相机将多种测量方法融合在一起，用简单结构扩大了粒度仪测量上下限，使得粒度仪的测量范围可以从纳米级到数百微米级，满足宽范围粒度分布测量的要求，并可同时用图像法给出颗粒的形貌参数。
文档编号G01N15/02GK202133598SQ201120070350
公开日2012年2月1日 申请日期2011年3月17日 优先权日2011年3月17日
发明者苏明旭, 蔡小舒 申请人:上海理工大学