专利名称：光纤测量粒子直径的方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明是关于测量粒子或液滴直径及分布的方法和设备。
众所周知，人们对广泛存在于工业、医药、食品及生活等领域的液滴、油滴、颗粒、小颗粒及粉末大小的测量一般是采用照相法或高速摄影法。这类方法数据处理工作量大，处理时间长，需要大量人力物力，而且对细小粒子的测量其精度受到限制。
另一类典型方法是用前散射方法(forwardScatteringmethod)测粒子直径。如测量透平中的液滴(直径为0.1-10um)，燃料喷咀的燃料油滴(直径为2-200um)。用这样的方法及装置进行测量比照相法简便，但测量过程仍比较复杂而且麻烦，处理时间也较长，成本高。
近年来，较好的测量粒子直径分布的方法及装置在美国专利US4595291中公开，它也是用前散射方法进行测量。它是通过测量在预定散射角方向上的散射光强，利用Mie散射理论计算被测粒子的粒子直径分布。其测量方法是通过光纤引导的激光束，经多块透镜形成平行光束，然后发射到被测粒子群中，引起多方向散射，透射光进入排得与入射激光束方向一致的光纤。散射角与入射激光束方向有关，接收散射光的光纤在小散射角范围内是紧密排列的，在大散射角范围内是稀疏排列的。散射光强与散射角、粒子密度及分布有关。光强用照相探测器检测，并被转换成电信号输出，由数据处理机计算粒子直径分布。当在散射角为0°-30°时进行测量，此装置可准确地测量0.5-50um的粒子直径分布;在散射角为0°-60°时进行测量，它可以测量直径小于0.5um的粒子分布。由于受到光纤及加工条件限制，对大于50um的粒子测量有一定困难，此装置精度要求高，结构复杂，加工装配都较困难。
本发明的目的是为了提供一个能精确、快速测量大于20um粒子直径及分布，并且结构简单，加工装配容易，省工省时，成本低的方法和设备。
本发明的目的是通过下列措施来实现的本发明是用光纤测量粒子直径及分布的方法，使通过光纤探头内的若干根光纤传输的光信号，直接发射到发射端与光信号接收端之间的被测粒子上，用在光纤探头上设置的光纤接收装置内的光纤接收粒子产生的遮挡光信号，再把光信号转换成电信号，经信号处理，送入计算机计算显示。
为要实现光纤测量粒子直径的设备，是在光纤探头内设置一个与光源相连的光纤发射装置，一个光纤接收装置，两装置的发射端与接收端之间在光纤探头外构成间隙，用粘接剂、固定元件固定两装置及外壳，在固定元件上还设置光电转换元件。
所用的光纤发射装置是通过发射管的若干根光纤，一端与光源发生器相连，光源可以是激光，也可以是冷光源，另一端A作为光信号发射端，若干根传输光纤的选取可以根据光纤探头接收端前方产生的光点要均匀来选取。
在光纤探头内设置的光纤接收装置是通过接收套管的光纤，它可以采用三根，在管内横截面上可以呈三角形排列，也可以采用四根，可以呈四边形排列，其中有一根光纤端面与另外三根光纤端面可以在不同横截面上。光纤粗细可以按被测粒子大小来选取，光纤粗细一般可以是粒子大小的1/3以下。光纤一端B作为光信号接收端。发射端A与接收端B之间构成的间隙大小最好为0.5-10mm。光纤另一端Ⅳ及发射管适当位置Ⅰ通过固定元件固定在光纤探头内靠基座一端，这端固定元件采用光纤接头、光纤在光纤接头面上的固定位置可以任意分布，最好为均匀分布。在光纤接头的另一面固定有光电转换元件，可以用加有活性炭的粘接剂固定。希望在接收套管靠近Ⅲ与发射管的适当部位Ⅱ通过固定元件固定于外壳另一端，该固定元件可以用固定板，固定板与光纤外壳的连接可以采用耐腐蚀又能起密封作用的粘接剂固定。另外光纤通过的接收套管可以为管内套装空心管，若干根光纤通过的发射管可以为空心管。而且在光信号发射端与光信号接收端之间设置了间隙调节元件，用于调节间隙大小，方便了不同大小粒子的测量。
本发明的另一特点是采用了计算机系统实现了信号采集和选择以及粒子直径的量算方法。光信号采集、挑选的量算方法是由预先编制好并存入计算机的程序完成，挑选出的一个粒子的完整信号应该由5个有一定排列次序的时间信号组成，可以根据这5个时间信号计算出粒子通过光纤探头间隙的运动方向及速度，得到确定一个园所需要的两根弦长及其之间的距离，从而算出粒子的直径及分布。
因此本发明比一般测量粒子大小的设备速度快、精度高，计算方便，操作简便，功能多，本计算机还可作他用。
根据本发明的方法和实现该方法所用的设备，现参照附图和实施例，进一步详细描述
图1是本发明光纤探头设备实施例的示意图;
图2是光纤探头的主视图、C-C及D-D剖面图;
图3是本实施例光栅盘示意图;
图4是本实施例粒子通过光纤示意图;
图5是粒子运动速度及方向的分析;
图6是本实施例中粒子直径计算图;
图7是本实施例信号分析示意图;
图8是本实施例采样程序框图;
图9是本实施例粒子直径计算程序框图。
请参阅图1至图2，本发明所用设备包括光源、光纤探头、信号转换设备及计算机系统等部分。
所用光纤探头详细描述如下，它包括外壳7、基座3、固定元件4及8、光纤发射装置、光纤接收装置、光电转换元件等。发射装置是通过发射管6和若干根光纤5，一端与光源1相连，例如与激光发生器1相通，另一端A作为光信号发射端，发射管6在探头外部分可加工成弯曲形状，它可以选用空心管6。而若干根传输光信号的光纤的选取是根据光纤探头接收端前方产生均匀光点，例如本实施例选用一千多根光纤组成，把激光束直接发射到发射端与光信号接收端之间AB间隙的被测粒子上。接收装置是通过接收套管9的一定数量光纤10，例如采用三根或四根最好采用三根，在管内横截面上呈三角形排列或呈四边形排列，后一种排列是其中一根光纤端面与另外三根光纤端面不在同一平面上。B端作为信号接收端，光纤10通过接收套管9，例如选用管内套装空心管或代用空心管是为了便于固定光纤10在光纤接头4上。光纤大小由所测粒子大小选取，一般接收光纤10的粗细是被测粒子大小的1/3以下。测量细小粒子或密度很大的粒子，光纤10越细就可使测量范围扩大，测量误差越小，提高测量精度，用细光纤测量对测量误差的影响可忽略不计。选用较细的光纤时，为了固定光纤，还要根据套管9的大小再增用内层空心管或代用内层空心管。例如光纤粗细为10μm，可测粒子大小为30μm以上，由于受现有光纤粗细及空心管大小限制，本发明现在更多用于测量20um-8mm粒子直径及分布。
接收套管9末端附近Ⅲ及发射管6接近Ⅱ处与固定元件用粘接剂固定，例如固定板8，用既耐腐蚀又防泄漏起密封作用的粘接剂，例如市场上出售的环氧树脂或快速粘接剂等固定在外壳7一端。用这类粘接剂操作简便，容易固定，密封性好。
光纤探头与被测粒子接触部分都要求密封。通过光纤探头位置改变，可以测量容器内不同位置的粒子。用它测量含油性的液滴，最好外加涂有聚乙烯醇的透明薄膜，以免探头被油滴污染。空心管最好由耐腐蚀的材料制成，例如塑料管、尼龙管及不锈钢等。
三根光纤10从接收套管9内引出进入套管11，同时与发射管6末端Ⅰ用粘接剂固定在光纤探头上靠基座3一端的光纤接头4一面。从发射管6末端Ⅰ引出的发射光纤5与激光发生器相通。接收光纤10在光纤接头4面上的固定位置为近似均布。在光纤接头4另一面最好用加有能避免光信号相互干扰的活性炭的环氧树脂固定光电转换元件，例如光敏电阻，通过光敏电阻实现光电转换，光纤接头4这面可以是图2所示的凹槽也可以是平面形状。电信号通过基座3及光纤接头上的保护套2被引出到计算机系统12。
通过发射管6的若干根光纤5的A端与通过接收套管9的三根光纤10的B端在光纤探头外构成间隙，为了方便地测量不同大小的粒子，在A或B端有一端设有带玻璃片的间隙调整元件，例如用螺纹连接。间隙可在0.5-10mm范围内调节。间隙的调节也可以把发射管改成活动的来进行调节。
参照图3至图5，当有一定速度的粒子例如化工上乳液、油滴、颗粒、小颗粒或呈球形的粉末通过AB间隙时，就会在接收端有三个不同的光遮挡信号经光纤10导引到光电转换元件，产生的电信号经信号转换仪放大、滤波、整形会产生误差，而且三路光纤10信号本身就有差别，因此须对信号进行标定，以扣除仪器产生的误差，本发明实施例是采用能转动的光栅盘进行标定的。
参照图4至图9，详细描述了计算机实现自动采样、挑选及计算。信号采集是通过信号接口卡来完成的，例如6522卡，它采集并记录接收端三根光纤产生的所有信号。一个通过AB间隙的粒子产生的完整信号应该至少有5个时间信号组成(t1、t2、t3及t4、t5、t6)。对于不规则的其它信号应以剔除，例如粒子并没有挡住三根光纤，而只挡住了一根或两根光纤，这样就会产生粒子不完整信号。信号的挑选要求信号出现的次序为t1、t2、t3，然后再是t4、t5、t6的各种排列，并记录前面5个信号。
根据5个时间信号，可以算出粒子通过AB间隙的运动方向及速度，得到确定一个圆所需要的两根弦及其之间距离，由此可算出圆的直径及分布。所用公式粒子运动方向α=arctg［(1- (t12)/(t12+t23) )/3]]>］粒子运动速度v＝(S23/t23)·Cos(π/3-α)弦长Sa＝v·t14Sb＝v·t25弦之间距离d＝S23·Sin(π/3-α)+S13·Sinα粒子直径D=2R=2｛［ ((1/2Sb)2-(1/2Sa)2-d2)/(2d)］2+(1/2Sb)2｝1/2本发明与现有技术相比具有显著的优点和效果能快速、精确地对粒子运动速度、方向、粒子直径及其分布进行测量，可以广泛用于工业，包括军工、石油、化工、轻工、医药、食品及生活等领域的粒子如乳滴、油滴、颗粒、小颗粒及粉末直径的测量，如雾滴、水泥及冶金粉末等。操作简便，省时省力，设备结构简单，容易加工装配，使用可靠，成本低。该设备还可用于其他控制。
符号说明d弦之间距离μmS13光纤1到光纤3之间距离μmS23光纤2到光纤3之间距离μmSa、Sb弦长μmt12从光纤1产生信号到光纤2产生信号时间μst23从光纤2产生信号到光纤3产生信号时间μst14在光纤1产生一个上升沿信号到一个下降沿信号时间μst25在光纤2产生一个上升沿信号到一个下降沿信号时间μst36在光纤3产生一个上升沿信号到一个下降沿信号时间μsv粒子运动速度μm/μsα粒子运动方向
权利要求
1.一种光纤测量粒子直径的方法，其中经过光纤探头的光纤导引激光束，通过发射端内的元件发射到许多被测粒子上，光信号由光纤探头内另外若干根光纤接收，由转换设备转换成电信号，最后由数据处理机处理计算，其特征在于使通过光纤探头内的若干根光纤传输的光信号，直接发射到发射端与光信号接收端之间的被测粒子上，用在光纤探头上设置的光纤接收装置内的光纤接收粒子产生的遮挡光信号，再把信号转换成电信号，送入计算机系统计算显示。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于传输光信号的若干根光纤是根据光纤探头接收端前方产生均匀光点选取。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于通过光纤接收装置内的光纤可以采用三根，可以呈三角形排列。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于通过光纤接收装置内的光纤可以采用四根，可以呈四边形排列，并有一根光纤端面与另外三根的端面可以在不同的横截面上。
5.按照权利要求3或4所述的方法，其特征在于所述通过光纤接收装置的光纤粗细可以根据被测粒子大小来选取，粒子大小一般可以是光纤粗细的3倍以上。
6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于使发射端与接收端之间形成一个间隙，间隙大小可以为0.5-10mm。
7.为要实现光纤测量粒子直径的设备，包括光源和与光源相连并用于测量粒子直径的光纤探头，转换设备及数据处理机等，其特征在于1)、其中在所述光纤探头内设置一个与光源相连的光纤发射装置，一个光纤接收装置，两装置的发射端与接收端之间在光纤探头外构成间隙，用粘接剂、固定元件固定两装置及外壳，在固定元件上还设置光电转换元件，2)、所述的数据处理机是计算机，实现光信号采集和选择以及粒子直径计算的量算方法。
8.按权利要求7所述的设备，其特征在于所述的光纤发射装置是通过发射管的若干根光纤，一端与光源发生器相通，另一端A作为光信号发射端，所述的光纤接收装置是通过接收套管的光纤，一端B作为光信号接收端，另一端Ⅳ及发射管Ⅰ通过固定元件固定在在靠基座一端，接收套管靠Ⅲ端与发射管靠Ⅱ处通过固定元件固定于外壳另一端上。
9.按照权利要求7或8所述的设备，其特征在于靠基座一端的固定元件为光纤接头，另一端的固定元件为固定板。
10.按照权利要求7-9中任何一项所述的设备，其特征在于通过接收套管的光纤Ⅳ在光纤接头一面上的固定位置可以任意分布，也可以为近似均匀分布。
11.按照权利要求10所述的设备，其特征在于在光纤接头的另一面固定的光电转换元件为光敏电阻。
12.按照权利要求11所述的设备，其特征在于所述光敏电阻由加有活性炭的粘接剂固定。
13.按照权利要求7或8所述的设备，其特征在于固定板与光纤探头外壳的连接可以采用耐腐蚀、密封性好的粘接剂，探头与被测粒子接触部位应采用该粘接剂进行密封。
14.按权利要求8所述的设备，其特征在于光纤通过的接收套管为管内套装空心管，若干根光纤通过的发射管为空心管。
15.按照权利要求7或8所述的设备，其特征在于用该光纤探头测量含油性的液滴大小时，可以外加涂有聚乙烯醇的透明薄膜。
16.按照权利要求7或8所述的设备，其特征在于在光信号发射端或光信号接收端有一端设有带玻璃片的间隙调节元件，用于调节间隙大小。
17.按照权利要求7所述的设备，其特征在于所述的计算机的光信号采集与选择的量算方法是由预先编制好并存入计算机的程序完成，挑选出的一个粒子的完整信号应该由5个有一定排列次序的时间信号组成。
18.按照权利要求17所述的设备，其特征在于根据5个时间信号可以计算出粒子通过光纤探头间隙的运动方向及速度，得到确定一个园所需要的两根弦长及其之间距离，可以计算出粒子的直径。所用公式粒子直径D=2R=2｛［ ((1/2Sb)2-(1/2Sa)2-d2)/(2d)］2+(1/2Sb)2｝1/全文摘要
本发明是关于光纤测量大量粒子直径及分布的方法及所用设备。把通过光纤探头内的若干根光纤传输的光信号直接发射到被测粒子上，再由经过光纤探头上设置的光纤接收装置内的光纤把信号传送到光电转换元件，再经处理，由计算机采集并计算出粒子运动速度、方向及直径，特别是能精确、快速地测量大于20μm以上的液滴、油滴、小颗粒、呈球形的粉末直径，可以测量容器内不同位置粒子直径及分布，结构简单、加工装配容易，操作方便，省工省力，成本低。
文档编号G01N15/02GK1045861SQ9010282
公开日1990年10月3日 申请日期1990年3月17日 优先权日1990年3月17日
发明者贾志军, 裘元焘, 时钧 申请人:江南大学