一种基于偏振散射特征的颗粒物形态测量方法和装置与流程

本发明涉及颗粒物检测技术领域，特别是一种基于偏振散射特征的颗粒物形态测量方法和装置。申请人的在先专利申请公开号CN104089855A的内容以全文引用方式并入本文。

背景技术：

形态分析在细胞分类，大气光学和海洋光学领域对颗粒表征存在重要作用。对于各向同性球体，Mie理论已经给出了散射穆勒矩阵的详细描述，然而对于圆柱体或各向异性的类球体颗粒，Mie理论缺乏有效的计算。近些年，一些理论构建了随机不均匀颗粒散射的解决方案，散射体的穆勒矩阵的元素可以用来表征散射体的形状(见公式(1))。人们发现公式(1)中a2/a1可以描述颗粒物的形状，但理论和实验并不准确和令人满意。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题就是为了克服现有光散射颗粒物光学属性分析方法的不足，提供一种基于偏振散射特征的颗粒物形态测量方法和装置。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于偏振散射特征的颗粒物形态测量方法，包括以下步骤：

探测颗粒物对激光散射后的散射光，其中对70-110度范围内的特定散射角度θ下的散射偏振光进行测量；

提取散射光的偏振通道电压，计算散射光的Stokes矢量，根据Stokes矢量得到Mueller矩阵M中的矩阵元素a2(θ)、b1(θ)、a1(θ)、b1(θ)，并通过对元素a2(θ)、b1(θ)、a1(θ)、b1(θ)的计算，得到特征偏振参量K2：

K2＝(a2(θ)+b1(θ))/(a1(θ)+b1(θ))；

根据K2的值分析和确定颗粒物形态。

进一步地：

所述特定散射角度θ为85度。

所述偏振通道包括0度偏振通道和90度偏振通道。

所述偏振通道包括对称设置的两个0度偏振通道和两个90度偏振通道。

根据K2的值将颗粒物形状属性的特异性表征区分为球、柱、椭球。

使用光源为输出波长632.8nm输出功率75mW的He-Ne激光器，将粒径在100-300nm的颗粒物以0.7L/min的流速通过测量区，并对其散射光进行探测。

一种用于所述的颗粒物形态测量方法的测量装置，包括激光器、光阑、线性偏振片、一分多光纤束、测量光腔、喷嘴和探测器，所述一分多光纤束设置在70-110度范围内的特定散射角度上，并在光纤束前端装配有偏振薄膜以形成散射光的偏振通道，优选为0度偏振通道和90度偏振通道，所述激光器发出的光经过光阑之后由所述线性偏振片调制为特定的偏振态，在通过所述测量光腔过程中经所述喷嘴喷出的颗粒物散射后，散射偏振光通过所述一分多光纤束进入散射光的偏振通道，再由所述探测器探测。

进一步地：

所述特定散射角度为85度。

所述一分多光纤束为一分二光纤束，所述一分二光纤束上形成一个0度偏振通道和一个90度偏振通道，或者所述一分多光纤束为一分四光纤束，所述一分四光纤束上形成对称设置的两个0度偏振通道和两个90度偏振通道。

所述特定的偏振态为0度的偏振态。

本发明的有益效果：

本发明提出的测量方法能够基于光的偏振散射特性检测颗粒物的形状，例如三种典型形状——球，椭球和柱。不同颗粒物散射过程中颗粒物的形态不仅反映在散射强度上，更能敏感地影响偏振光学特征，偏振散射的测量模式可以有效降低传统光散射成分分析对角度和波长信息的要求。本发明继承了光散射法较其它方法成本低，操作简单快捷，测量范围广，局限性小的优点；在此基础上，又减少了探测器的数量，进一步降低了成本，简化了测量仪结构。

附图说明

图1本发明基于偏振散射特征的颗粒物形态测量装置一种实施例的示意图；

图2本发明一种实施例的一分二光纤束的示意图；

图3为图2所示的光纤束装配着偏振薄膜的局部G的正视图；

图4本发明基于偏振散射特征的颗粒物形态测量方法一种实施例的流程图；

图5表示三种不同形状颗粒物在0度线性偏振光入射散射在85度散射角测量得到的K2值。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1至图4，在一种实施例中，一种基于偏振散射特征的颗粒物形态测量方法，包括以下步骤：

探测颗粒物对激光散射后的散射光，其中对70-110度范围内的特定散射角度θ下的散射偏振光进行测量；

提取散射光的偏振通道电压，计算散射光的Stokes矢量，根据Stokes矢量得到Mueller矩阵M中的矩阵元素a2(θ)、b1(θ)、a1(θ)、b1(θ)，并通过对元素a2(θ)、b1(θ)、a1(θ)、b1(θ)的计算，得到特征偏振参量K2：

K2＝(a2(θ)+b1(θ))/(a1(θ)+b1(θ))；

根据K2的值分析和确定颗粒物形态。

参阅图1至图4，在另一种实施例中，一种用于所述的颗粒物形态测量方法的测量装置，包括激光器LASER、光阑A、线性偏振片P、一分多光纤束fb、测量光腔MC、喷嘴JET和探测器，所述一分多光纤束设置在70-110度范围内的特定散射角度上，并在光纤束前端装配有偏振薄膜以形成散射光的偏振通道，优选为0度偏振通道和90度偏振通道，所述激光器发出的光经过光阑之后由所述线性偏振片调制为特定的偏振态，在通过所述测量光腔过程中经所述喷嘴喷出的颗粒物散射后，散射偏振光通过所述一分多光纤束进入散射光的偏振通道，再由所述探测器探测。

根据本发明实施例的颗粒物形态测量方法，第一步：利用偏振测量特定角度下颗粒物的散射偏振光进行测量；第二步：提取散射光的偏振通道电压，计算Stokes分量，获取穆勒矩阵中的元素，通过对穆勒矩阵元素的运算即可得到特征偏振参量K2。

其原理是，利用Mie散射理论，通过对入射的偏振光和检偏的散射光可以建立表示其光强和偏振态的Stokes矢量，可以得到散射体穆勒矩阵。其中，Mueller矩阵和Stokes矢量的数学表达形式分别为下式(1)和(2)：

S_out＝MS_in (2)

上式(2)中，S_in表示入射光的Stokes矢量，S_out表示出射光的Stokes矢量。Stokes矢量中的I代表光的总强度或0°和90°光强之和；Q代表0°和90°光强的差；U代表0°和90°光强的差；V代表右旋和左旋圆偏光强的差I为总光强，因此除了分解成0°和90°光强之和以外，也可以写成0°和-0°或者左旋和右旋光强之和。Q表示探测光变为0°或90°的倾向，若Q>0则表明出射光更容易变成0°偏振方向。U表示探测光变为0°或-0°的倾向，若U>0则出射光更容易变成0°偏振方向。V表示探测光变为右旋或左旋圆偏振的倾向，若V>0则出射光更容易变成右旋圆偏振。我们利用穆勒矩阵的元素，直接利用下式(3)得到本发明给出的偏振参量K2：

K2＝(a2(θ)+b1(θ))/(a1(θ)+b1(θ)) (3)

发明人发现，通过测量散射后的stokes矢量得到散射光的K2，用K2对颗粒物形状属性的特异性表征可以区分球、柱、椭球，而且发明人还发现，K2受颗粒物折射率变化影响较小，且具有在小粒径情况下的特异性表征。

偏振参数对不同颗粒物成分表现出不同反应，而且偏振参量的这种表征受到在长短轴比范围在1.7-4.7时有明显表征，且在较小粒径下(粒径在100-300nm)不随着粒径的变化发生重大变化。通过设计气路可以使颗粒物以一定的速度通过测量区，但颗粒物的分散性对测量起到决定性作用，测量准备阶段样本的分散是关键的步骤之一。在测量角度85度下得到散射光偏振参量，对测量信号进行处理计算识别，从而获取表征颗粒物形状偏振参量的值。

使用时，先对系统校准，对信号采集系统调整，消除背景散射光强度，并消除其它电磁干扰，保证采集到的数据的准确性。对样本进行分散除湿，利用有机溶剂(本发明中可采用无水乙醇)和超声箱对样本分散均一。然后再把制备的实验样品通过气泵泵入到测量腔中，干燥管和40摄氏度进样口保证溶剂挥发。为保证样品能按垂直于测量光路的方向运行，加工样本入口处的喷嘴，让气流变细，使样本被变细的气流通过测量区。最后通过光电倍增管得到散射光强，通过采集卡和数据存储设备存储测量数据，最后计算得到偏振参量区分不同形态颗粒物。

具体的测量步骤如下：

第一步，系统校准，把光学元件和测量腔都放在与激光光路一条直线上，偏振片、光阑表面与激光垂直，避免倾斜导致获取不准确的偏振态和非平面光。

第二步，制备的样本通过空气泵吸入到测量腔中，入射端的偏振片方向是0度(以实验室坐标系为参考系)，85度接收端偏振片使用一分二光纤束实现，在光纤束集合端对角线的光纤束前装配相同方向的偏振膜，方向分别为0度和90度，这样可以同时得到散射光0度和90度偏振通道的电压脉冲值。

第三步，测量得到了颗粒物在四个偏振通道下的电脉冲，利用一定筛选机制和脉冲处理得到相应的Q分量和I分量，计算得到K2值，对炭黑颗粒物进行分析表征。

下面将通过实例来详细描述本发明。

测量系统：本测量系统使用光源为输出波长632.8nm输出功率75mW的He-Ne激光器，绿光通过。

实例一：

样品：聚苯乙烯微球(200nm，折射率1.59)，羟基磷灰石(椭球，等小粒径200nm，折射率1.64)，铌酸钠(纤维状，100nm，折射率2.2)。

鉴别步骤：

(1)颗粒物以0.7L/min的流速通过测量区，分散质量为1g样本用负压吸入并分散在10×10×10cm的箱体中，然后再通过喷嘴进入到测量区。对确定的入射偏振光测量得到散射后的0度和90度通道的电压值，这里选取了散射角度85度的Stokes矢量分析。。

(2)对测得的电压值进行处理和筛选，对符合标准的脉冲积分，由0度通道和90度通道计算得到Q分量和I分量得到K2。

(3)为保证实验的可靠性，一次实验对一个组分的样本进行十次以上有效实验，对每次实验计算得到结果，然后计算K2在每个组分下的平均值和方差，验证实验的可靠性。

图5表示实例一所用的三种不同形状颗粒物在0度线性偏振光入射散射在85度散射角测量得到的K2值。其中横轴为三种不同的颗粒物，从左到右分别是聚苯乙烯微球，羟基磷灰石，铌酸钠，蓝色柱形理论计算值，棕色柱形对应实验平均值，竖线代表实验标准方差。实验和理论值很接近，且互相之间数值差别比较明显，表明K2对颗粒物形态的特异性表征。

因为光电倍增管对光极为敏感，如果稍微漏光就会造成测量极大地失准，所以测量腔内做黑化处理，而且尽量粗糙，让杂散光被腔体吸收或折射，到达不了光纤束中，同时增长85度测量通道，减少其它角度散射光的接收。实测结果下，当只开激光时，光电倍增管的接收电压在20mv水平，测量在1v水平，故本底噪声和杂散光已经很好地得到控制。

为保证样本模拟真实周围环境下的颗粒物浓度，对样本进行稀释，且在进入测量腔时保证浓度更低，所以喷嘴做缩小化处理；对装配一分四光纤束和偏振贴膜，设计专门的部件固定光纤束和偏振贴膜，图2是光纤束装配设计，图2中一分四光纤束固定在一个圆筒中，用销进行固定，偏振贴膜放置在卡槽中，用螺丝压紧，保证偏振方向与光纤束的相对固定，最后整体通过外螺母装配到测量腔上。

理论计算已经证明对于PM2.5甚至PM1这样的小粒子，侧向的散射偏振光已足够我们提取数据和分析数据，这与普通的散射方法相比，减少了对角度的依赖。

系统结构如图1，其中，光源为He-Ne激光器LASER(输出波长6328nm输出功率75mW)，A表示光阑，P表示线性偏振片(THORLABS，QSA，消光比20000：1)，fb表示一分二光纤束的其中一个分路，mc表示测量光腔，用虚线表示，Jet表示喷嘴，颗粒物通过喷嘴到达测量区，ot表示光阱，吸收光路没有被散射的激光，D1和D2表示光电倍增管。其中，光阑A会阻挡多余的光通过，保证光斑在很小的范围内，线性偏振片P把激光调制为特定的偏振态，在这个实例中，我们把激光调制为0度。通过喷嘴到达测量区，被光散射，在85度散射角度上在测量腔有相应测量通道联通传光束，在传光束的尾端是探测器接收已经被偏振薄膜调制的散射光。

探测器不直接与测量腔接触，避免了探测器芯片被颗粒物污染的可能性，偏振薄膜和一分四光纤束装备零件可以拆卸清洗，保养便捷。一分四光纤束装配着固定零件，图3是装配着偏振薄膜的光纤束的正视图，其中pf是偏振薄膜，虚线表示偏振方向，fb是光纤束，fbf是固定光纤束的零件，同时装配着偏振薄膜，光纤束外面包裹着避免漏光的黑色包皮，fbi是集成四根光纤束的一个金属头。

实验过程中，首先对样本进行制备，首先用无水乙醇对样本分散，再用真空泵抽取样本时，会经过干燥管和温度较高的进样本口，蒸发掉溶剂，得到分散性较好的样本。测量时，光源经过光阑和线性偏振片，再通过光阑，可以有效控制光斑大小，并通过线性偏振片调制得到0度线性偏振光，让光以较细的直径入射到测量区，喷嘴负责缩小会聚气流，当颗粒物飞过测量区时，散射光首先被装配好的偏振薄膜调制，然后立即被后面的光纤束接收，然后通过光纤传导被探测器接收转化为电信号，最后存储到数据存储设备中。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。