一种基于动态光散射技术的悬浮颗粒粒径测量装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及计算摄像学领域，具体地说，本发明涉及一种基于动态光散射技术的 悬浮颗粒粒径测量装置及方法。
【背景技术】
[0002] 通常来说，当被测颗粒的某种物理特性或物理行为与某一直径的同质球体（或其 组合）最相近时，就是把该球体的直径（或其组合）作为被测颗粒的等效粒径（或粒度分 布）。不同原理的仪器选择不同的物理特性或物理行为作为比较的参考量来测量粒径，例 如：沉降仪选用沉降速度、激光粒度仪选用散射光能分布、筛分法选用颗粒能否通过筛孔等 等。而对于悬浮颗粒（例如水中悬浮的固体颗粒状物质）的粒径，现有技术中通常采用动 态光散射（DLS，dynamiclightscattering)技术来检测。
[0003]根据Stokes-Einstein等式：
[0005]其中，
[0006]cKH)表示粒径，
[0007]D表示传输扩散系数（单位是m2/s)，该系数需要通过测量和计算得出，
[0008]k表示波耳兹曼常数（1. 3807*10 23J/K)，
[0009]T表示绝对温度（室温=298K)，
[0010]n表示粘稠度（水的粘稠度=8. 94*10 4kgAm*s))。
[0011] 而动态光散射光强的变化与布朗运动具有如下关系：当相干光从粗糙表面反射或 从含有散射物质的介质内部后向散射或透射时，会形成不规则的强度分布，出现随机分布 的斑点。粗糙表面和介质中散射子可以看作是由不规则分布的大量面元构成，相干光照射 时，不同的面元对入射相干光的反射或散射会引起不同的光程差，反射或散射的光在远场 发生相消或相长干涉。当数目很多的面元不规则分布时，可以观察到随机分布的颗粒状结 构的图案，这就是光通过散射介质和自由空间传播时形成的散斑（颗粒状结构斑点称为激 光散斑）。对于静止不动的粗糙表面或散射物质，光强的分布是不变的。由于悬浮颗粒在溶 液中做布朗运动，散射体之间的距离总是随时间变化的，发生相消或相长干涉空间位置也 因而随时间变化，因此，照射到溶液中的相干光形成的不规则的强度则是随机变化的，而该 变化的相干光的相关系数与颗粒的粒径之间的关系是可以量化的。因而利用该量化关系， 可以反过来求得悬浮颗粒的粒径。
[0012] 基于DSL技术，所测得的散射光强随时间变化的函数的自相关如下式表示：
[0014]其中，
[0015] g2(q;T)表示波矢量q在时延T下的二阶自相关，
[0016] I表不光强，
[0017] 尖括号表示期望。
[0018] 随着时延T的增大，自相关呈指数衰减。换言之，经过一段较长的时间，初始状态 和最终状态的散射光强度并不相关。因此，假设探测光在介质中只发生单次散射，则有：
[0019] g2(q; ^ ) = 1+P[gi(q; ^ )]2 (3)
[0020] gl(q；I) =exp(-T x)(4)
[0021] r=q2D(5)
[0023] 其中，
[0024] gjq;T)表示波矢量q在时延t下的一阶自相关，
[0025] P表示比例系数（由入射光线和场景的设置决定），
[0026] 入表不入射光波长，
[0027] n。表示介质的折射率，
[0028] 0表示探测器相对于样本的角度。
[0029] 根据上述等式（2)~（6)，可得到D，代入（1)式则可得到粒径。因此理论上说，根 据上述（1)~（6)式，在一个给定方向上测量光强的变化，即可求解颗粒的粒径。
[0030] 然而，以上的计算都是假设在介质中只发生单次散射，也就是说每个被传感器探 测到的光子都只被微粒散射一次。而在实际的工业生产或科学研究中，多次散射总是存在 的，光子在到达传感器之前往往会被散射了多次。因此，传统的DSL算法被局限在相当低浓 度的样本，这是因为只有在浓度足够低的样本中，光的多次散射现象才不明显，才能保证测 量结果基本准确。
[0031] 为克服上述多次散射现象带来的局限，Schaetzel提出了在不同的（但通 常相当靠近的）空间位置放置探测器，然后利用信号的互相关来抑制多次散射对 测量结果的负面影响。该方法的主要思想是提取单次散射并抑制多次散射（参考 文南犬Schaetzel,K. (1991). "Suppressionofmultiple-scatteringbyphoton ross-correlationtechniques" .J.Mod.Opt. 38 ： 1849.Bibcode： 1990JPCM. . . . 2. . 393S.doi:10.1088/0953-8984/2/S/062.Retrieved2014-04-07.)。后来的研究者也提 出了互相关方法的不同实现方案，目前被广泛应用的策略是三维动态光散射方法， 艮P3D-dynamiclightscattering算法（参考文南犬Urban，C. ；Schurtenberger, P. (1998). "CharacterizationofturbidcolIoidalsuspensionsusinglight scatteringtechniquescombinedwithcross-correlationmethods" .J.Colloid InterfaceSci. 207(1) :150-158.doi:10. 1006/jcis. 1998. 5769?以及Block，I.;Scheffold,F. (2010). "Modulated3Dcross-correlationlightscattering： Improvingturbidsamplecharacterization" .Rev.Sci.Instruments81 (12) :123107.arXiv:1008.0615.Bibcode:2010RScI. ?? 8113107B.doi:10.1063/1. 3518961.)。
[0032] 为便于理解，下面对Schaetzel提出的利用互相关抑制多次散射偏差的方案做简 要地介绍。Schaetzel的主要思想是在不同的（但通常相当靠近的）空间位置放置探测器， 利用不同位置光强的互相关信息，提取单次散射并抑制多次散射，从而获得更加准确的测 量结果。其原理如下：
[0033] 让探测光（即入射光）入射样本（如具有悬浮颗粒物的液体），使用两个位置 靠近的雪崩二极管（avalanchephotodiode)接收出射光（即散射光），用数字相关器 (digitalcorrelator)求两个雪崩二极管（avalanchephotodiode)测量结果的互相关 Gab(T ) =〈nA(t+T)nB(t)> = <nA(t)nB(t+T)>。其中，nA(t)和nB(t)是雪崩二极管记录 下的光子的个数随时间变化的函数，两个雪崩二极管测量结果的互相关GAB( 〇满足公式 (7)，
[0035] 公式（7)中，参数A，K，B均可以通过标定得到。从公式（7)中可以看出，数字相关 器所测得的两个雪崩二极管测量结果的互相关gab(〇中，含有参数r的信息。
[0036] 上述方案理论上能够抑制多次散射造成的测量结果偏差，将DSL算法扩展到了浓 度较高的样本测量中。然而，在实际测量中发现，现有的引入互相关的DSL测量方案仍然存 在较大的误差，因此对粒径的DSL测量尚存提高空间。另外，现有方案对两个雪崩二极管的 位置精度要求高，不便于操作。
【发明内容】
[0037] 本发明的任务是提供一种能够克服上述现有技术缺陷的基于DSL技术的悬浮颗 粒粒径测量解决方案。
[0038] 根据本发明的一个方面，提供了一种基于动态光散射技术的悬浮颗粒粒径测量装 置，包括：
[0039] 调制单元，用于产生周期性的调制信号；
[0040] 光源单元，用于生成被所述调制信号进行振幅调制的入射光，并用所述入射光照 射待测悬浮颗粒溶液中的目标点；
[0041] 样品容纳单元，用于容纳待测悬浮颗粒溶液；
[0042] TOF传感器阵列，用于接收来自于所述待测悬浮颗粒溶液中的目标点的出射光，进 行光电转换后输出相应的电信号；
[0043] 解调单元，用于对TOF传感器阵列输出的电信号进行解调，得到对应于TOF传感器 阵列各个像素的测量信号；以及
[0044] 计算单元，用于根据TOF传感器阵列的各个像素的位置和对应的测量信号，得出 不同像素所接收的所述出射光的时域信号的时延以及这些像素所接收的所述出射光的时 域信号的互相关结果，进而基于Schaetzel算法和动态光散射技术计算出待测悬浮颗粒粒 径。
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