一种颗粒粒度检测装置及检测方法
【专利摘要】本发明提供一种颗粒粒度检测装置及检测方法，涉及测试技术领域。它包括：光源、调制单元、样品池、分光棱镜、筛选转换单元和计算单元；筛选转换单元分别筛选出平行和垂直于散射面的散射光分量，并转换成光能量数据，进行反演计算求解颗粒粒径分布信息。本发明解决了现有技术中颗粒粒度检测装置结构复杂、操作不方便、使用成本高的技术问题。本发明有益效果为：根据两个散射光分量的比值进行颗粒粒度反演，这样有效地降低了光路中空气和杂散颗粒的影响，提高了颗粒粒度测量可靠性。结构简单合理，制造成本低。操作简单，携带方便，适应在线检测。
【专利说明】
一种颗粒粒度检测装置及检测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及测试技术领域，尤其是涉及一种颗粒粒度的测量装置及方法。
【背景技术】
[0002] 在工业生产中颗粒大小与产品质量关系密切，对颗粒粒度的检测直接关系到最终 产品质量。目前，国内外基于Mie散射理论的颗粒粒度测量方法比较成熟，静态光散射测量 方法是其中的一种，也做成了激光粒度仪，方便在线检测。其基本原理是当激光入射到被测 颗粒时，颗粒会散射入射激光，其散射光能的空间分布与颗粒的大小有关，测量其散射光能 的空间分布，然后应用光散射理论和反演算法可以获得被测颗粒的粒度分布。中国专利申 请公布号CN104568683A，申请公布日2015年4月29日，名称为"一种纳米颗粒粒度测量装置 及方法"的发明专利申请文件，公开了一种测试颗粒粒度的装置及方法。该测量装置由激光 源、第一透镜、样品池、第二透镜、面阵光敏器件和计算机构成，激光源发出的激光束经第一 透镜汇聚后照射到样品池中的纳米颗粒，在入射激光照射下样品池中作布朗运动的颗粒产 生动态光散射信号，这些颗粒的动态光散射信号经过第二透镜后汇聚，被布置在透镜焦面 上的面阵光敏器件相机以A τ时间间隔记录，获得2幅纳米颗粒运动的动态光散射信号图像 信号输送到计算机，由计算机采用相关算法计算这2幅图像的相关系数，根据相关系数的大 小，确定纳米颗粒的粒度。该测量方法步骤为：1、将由激光光源发出的激光束经汇聚透镜汇 聚后入射到样品池，样品池中加有被测纳米颗粒，纳米颗粒会对入射激光产生散射，由于布 朗运动，这些散射光斑是随机涨落的；2、用面阵光敏器件相机以间隔时间为Δτ拍摄2幅纳 米颗粒的动态光散射图像，拍摄图像的间隔时间A τ根据被测纳米颗粒的粒度调整，从微秒 到毫秒;3、然后采用2维相关算法对2幅图像的相关性进行分析，得到相关系数G( △ τ) ;4、根 据动态光散射的自相关函数
G(t) = exp(-2 Γ τ) (1)式中，为衰减线宽，τ为衰减时间以及Stocks-Einstein公式 式中，KB是波尔兹曼常数，T为热力学温度，η为分散介质的动力粘度，d是被 2) 测纳米颗粒的粒度;衰减线宽与表征颗粒布朗运动的扩散系数DT以及散射矢量存在如下关
系：Γ =DTq2(3)散射矢量q与散射角Θ以及光波波长的关系为 式中，Θ为 4) 散射角，是面阵光敏器件相机中心到测量区连线与入射光轴线的夹角，为已知值;为光波在 真空中的波长;为分散介质的折射率;将A τ代入式（1)中的τ，以及相关系数G( △ τ)，由式 (1)得到衰减线宽，再由式(3)、式(4)和式(2)，由求得的相关系数G(At)和已知的测量时间 间隔A τ以及温度T等已知参数就可以求得DT;5、根据求得的DT，由式(2)可得到纳米颗粒的 粒度d。该结构复杂，操作不方便，适合实验室测试，使用成本高。
【发明内容】
[0003] 为了解决现有技术中颗粒粒度检测装置结构复杂、操作不便、使用成本高的技术 问题，本发明提供一种低成本、集成化、便于携带、可在线检测的颗粒粒度检测装置。
[0004] 本发明的技术方案是:一种颗粒粒度检测装置，它包括： 光源，产生单色激光束； 调制单元，将光源1射入的激光束调制成平行、光强均匀的激光束； 样品池，容纳待测颗粒溶液，激光束与待测颗粒相互作用产生散射光； 分光棱镜，将散射光分成能量相同的两束光； 筛选转换单元，分别筛选出平行和垂直于散射面的散射光分量，并转换成电信号； 计算单元，将采集的电信号转换成光能量数据，用反演计算求解颗粒粒径分布信息。
[0005] 作为优选，光源为He-Ne激光器，发射波长为630-635nm，输出功率为2-3mW。
[0006] 作为优选，调制单元包括起偏器和扩束准直器，起偏器为线偏振片，扩束准直器为 四倍扩束;滤除杂散光，提高信噪比，使得激光光束与被测颗粒有足够大的接触面积，从而 能获得更多的颗粒粒径信息，提高测量准确度。
[0007] 作为优选，筛选转换单元包括偏振片、傅里叶透镜和光电探测器，光电探测器位于 傅里叶透镜的焦平面，光电探测器与计算单元电连接。
[0008] -种颗粒粒度检测装置的测量方法:光源发出单色激光束经过调制单元调制成为 平行的、光强均匀的激光束;该激光束与样品池中的被测颗粒接触获得颗粒能量形成散射 光;散射光经过分光棱镜分成能量相同的两束光;筛选转换单元分别筛选出平行于散射面 和垂直于散射面的散射光分量，并分别转换成平行方向电信号和垂直方向电信号;计算单 元将采集的电信号还原成平行方向光能量数据和垂直方向光能量数据，根据矩阵表示的方 程组β = ^计算求解颗粒粒径分布信息。
[0009] 与现有技术相比，本发明的有益效果是:根据两个散射光分量的比值进行颗粒粒 度反演，有效地降低了光路中空气和杂散颗粒的影响，提高了颗粒粒度测量可靠性。结构简 单合理，制造成本低。操作简单，携带方便，适应在线检测。
【附图说明】
[001 0]附图1为本发明检测装置连接示意图； 附图2为Mie散射图； 附图3为仿真结果图。
[00?1 ]图中：1-光源;2-调制单元;3-样品池;4-分光棱镜;5-筛选转换单元;6-计算单元。
【具体实施方式】
[0012]下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
[0013] 实施例1: 如图1所示，图1中带箭头细实线表示光路，虚线表示电连接。一种颗粒粒度检测装置， 它包括光源1、调制单元2、样品池3、分光棱镜4、筛选转换单元5和计算单元6。光源ISHe-Ne 激光器，产生发射波长为632.8nm，输出功率为2.4mW的激光束。调制单元2包括起偏器和扩 束准直器，起偏器为线偏振片。激光束经过起偏器后滤去杂散的光，对光强进行衰减，能量 衰减为lmW。扩束准直器为四倍扩束。激光束经过扩束准直器，光束直径约为8_。样品池3容 纳待测颗粒溶液，激光束与待测颗粒相互作用产生散射光。分光棱镜4将散射光分成能量相 同的两束光。筛选转换单元5包括偏振片、傅里叶透镜和光电探测器。光电探测器位于傅里 叶透镜的焦平面。筛选转换单元5有两个，分别位于分光棱镜4出光的两端。两个筛选转换单 元5分别筛选出平行于散射面的散射光分量和垂直于散射面的散射光分量，将光信号换成 电信号。计算单元6包括A/D转换模块和计算机。两个光电探测器分别与计算单元6的A/D转 换模块电连接。将筛选转换单元5光电探测器输出的信号转换为数字信号。计算机将数字信 号转换成光能量数据，用反演计算求解颗粒粒径分布信息。
[0014] 如图2和3所示。附图2为Mie散射图。Mie散射理论是基于麦克斯韦(Maxwell)电磁 场方程组的严格理论，该理论是针对均匀球形颗粒下的求解。其散射模型如图2所示。颗粒 位于坐标原点，当波长为λ、电矢量沿X轴正方向、强度为Io的入射光沿z轴正方向入射到颗 粒时，入射光会由于颗粒的吸收和散射而偏离原来的方向传播。图2中散射光方向op和入射 光方向οζ构成的面ροζ称为散射面。则将形成的散射光分解为垂直于平面ροζ的分量和平 行于平面ροζ的分量i2,当入射光为偏振光时，ii和i2的表达式为：
(1) 式中：r为散射光接收点到颗粒之间的距离，Θ为散射角，φ为方位角，S1 (Θ )、S2(Θ)为振 幅函数。
[0015] 偏振比定义为这两个光强分量的比倌：
(2) 式中，m是粒子的折射率，f(a)是粒径分布函数，α是无因次粒径参数，α定义为：
(，） D是粒子直径，λ是入射光的波长，于是：
(4) W( α)表示粒径参数在α与α+ △ α之间的粒子份数。
[0016] 如果被测颗粒是多个直径为D的球形颗粒，且各颗粒的光散射满足不相关的单散 射，对于具有一定尺寸范围的简单分散颗粒系则有：
㈧ 式中Wi为重量分布，表不单位重量在D和D+ Δ D范围内的粒子重量分布频度。Ι2( Θ)和Ii (Θ)分别表示测量得到的垂直和水平于散射面的偏振光，用数值积分将式(5)离散化，可得 到以下矩阵表示的方程组： (6) 颗粒粒径的反演问题归结于对公式(6)的求解。
[0017]光源1发出单色激光束经过调制单元2调制成为平行的、光强均匀的激光束。该激 光束与样品池3中的被测颗粒接触获得颗粒能量形成散射光。散射光经过分光棱镜4分成能 量相同的两束光。其中的一束光由一个筛选转换单元5筛选出平行于散射面的散射光分量， 并转换成平行方向电信号，传输给计算单元6。计算单元6将采集的电信号还原成平行光能 量数据ΙΚΘ)。其中的另一束光由另一个筛选转换单元5筛选出垂直于散射面的散射光分 量，并转换成垂直方向电信号，传输给计算单元6。计算单元6将采集的电信号还原成垂直光 能量数据Ι2(θ)。计算单元6按厢
3式(6)中的Q值。式(6)中的I2和I 1值由式(1)计 算得到。这样计算单元6通过计算机计算即可求解颗粒粒径分布信息，并输出颗粒粒径分布 信息图。图3是一个求解颗粒粒径分布信息的效果图。图中实线是设置的理论分布图，虚线 是利用本装置实验计算仿真得到的图。可以看出两条曲线基本吻合，符合测量要求。
【主权项】
1. 一种颗粒粒度检测装置，它包括： 光源（1)，产生单色激光束； 调制单元(2)，将光源（1)射入的激光束调制成平行、光强均匀的激光束； 样品池(3 )，容纳待测颗粒溶液，激光束与待测颗粒相互作用产生散射光； 分光棱镜(4)，将散射光分成能量相同的两束光； 筛选转换单元(5)，分别筛选出平行和垂直于散射面的散射光分量，并转换成电信号； 计算单元(6)，将采集的电信号转换成光能量数据，用反演计算求解颗粒粒径分布信 息。2. 根据权利要求1所述的一种颗粒粒度检测装置，其特征在于:所述光源（1)为He-Ne激 光器，发射波长为630-635nm，输出功率为2-3mW。3. 根据权利要求1所述的一种颗粒粒度检测装置，其特征在于:所述调制单元(2)包括 起偏器和扩束准直器，起偏器为线偏振片，扩束准直器为四倍扩束。4. 根据权利要求1所述的一种颗粒粒度检测装置，其特征在于:所述筛选转换单元(5) 包括偏振片、傅里叶透镜和光电探测器，光电探测器位于傅里叶透镜的焦平面，光电探测器 与计算单元(6)电连接。5. 根据权利要求1所述的一种颗粒粒度检测装置的测量方法，其特征在于:光源（1)发 出单色激光束经过调制单元（2)调制成为平行的、光强均匀的激光束;该激光束与样品池 (3)中的被测颗粒接触获得颗粒能量形成散射光;散射光经过分光棱镜(4)分成能量相同的 两束光;筛选转换单元(5)分别筛选出平行于散射面和垂直于散射面的散射光分量，并分别 转换成平行方向电信号和垂直方向电信号;计算单元(6)将采集的电信号还原成平行方向 I W 光能量数据和垂直方向光能量数据，根据矩阵表示的方程组0 = #计算求解颗粒粒径分布 ig 息 C5
【文档编号】G01N15/02GK105891066SQ201610224899
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月11日
【发明人】孔明, 沈海栋, 赵军, 郭天太, 王道档, 刘维, 单良, 杨瑶, 叶婷, 贾茜媛, 沈永
【申请人】中国计量学院