本发明涉及粒子测量领域，具体涉及一种双线光电二极管阵列器件及粒子速度测量方法。
背景技术：
自然界中存在着各种大小和形状不同的粒子，例如云中的云滴、雨滴和冰晶，海洋上的海水滴，沙尘暴中的沙尘粒子以及火山喷发的火山灰等。对这些粒子的大小、形状和落速等物理参数的准确测量对了解相应自然现象的发展变化过程具有重要的意义。
目前粒子测量的主要方法之一是光学的测量方法，具体可分为基于光学散射的测量技术和基于光学成像的测量技术。基于光学散射的测量技术可以测量粒子的大小，但是无法获取粒子的具体形状信息，而且测量的粒径范围有限。光学成像的测量技术不仅能够测量粒子的大小，还能够记录粒子的影像，根据粒子的影像就可以获取粒子的形状信息。
光学成像的粒子测量技术主要有基于单线阵的粒子成像测量装置和基于ccd相机的粒子成像测量装置。基于ccd相机的粒子成像测量装置能够对粒子的大小和形状进行准确成像，但是无法对粒子速度进行测量；此外，ccd相机由于其成帧速率有限，限制了其在高密度高速度场景的应用。基于单线阵的粒子成像测量装置，可以对粒子大小、形状和速度进行测量，但是由于其粒子图像的采样率是预制的，无法与粒子的速度进行匹配，导致其所测得的粒子图像会发生很大的偏差，这也严重地影响到其测量粒子物理参数的准确性。目前也有利用两个单线阵进行粒子速度的测量，但是利用两个单线阵的测量粒子速度时，由于元件本身的限制使得两个线阵的距离较远，测量时极易受到外界环境，比如风的影响，此外，分离的元器件会存在安装时的误差，导致粒子速度测量的准确性有限，精度不高。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服目前的光学成像测量技术在粒子速度测量上存在的精度不高的缺陷，设计了一种双线光电二极管阵列器件，该装置不仅可以对粒子进行成像，还能够有效测量粒子的速度。
为了实现上述目的，本发明提供了一种双线光电二极管阵列器件，所述双线光电二极管阵列器件为在一块光电传感元件上封装出两列规格和性能相同的光电二极管阵列单元；所述双线光电二极管阵列包括平行设置的第一光电二极管阵列单元和第二光电二极管阵列单元，用于实现对粒子粒径及其速度的测量。
作为上述装置的一种改进，所述光电二极管阵列单元由n个光电二极管组成；其中，32≤n≤512。
作为上述装置的一种改进，所述光电二极管的受光面为正方形，其边长尺寸范围为25μm～200μm。
作为上述装置的一种改进，所述第一光电二极管阵列单元和第二光电二极管阵列单元的距离s的取值范围为1mm～10mm。
基于上述的双线光电二极管阵列器件，本发明还提供了一种粒子速度测量方法，所述方法包括：当粒子通过双线光电二极管阵列器件时，获取经过第一光电二极管阵列单元和第二光电二极管阵列单元的时间差，再根据所述第一光电二极管阵列单元和第二光电二极管阵列单元的距离s，计算粒子的速度。
作为上述方法的一种改进，所述方法具体包括：
当有粒子经过光源输出的激光束时，先经过所述第一光电二极管阵列单元时，该单元会输出一个脉冲指示信号给fpga芯片，此时fpga芯片会记录下接收到该脉冲的时间t1；当粒子继续飞行，到达第二光电二极管阵列单元时，该单元输出一个脉冲指示信号给fpga芯片，fpga芯片会将该时刻记为时间t2；经计算后能够获取粒子的速度v：
本发明的优势在于：
本发明通过在单个感光元件上集成两组的光电二极管阵列，大大减小两组光电二极管阵列的距离，能够对粒子速度进行更加准确地测量。
附图说明
图1为本发明的测量装置的原理图；
图2为本发明装置的测速示意图；
图3为本发明的测量装置的示意图；
图4为本发明的光学系统的示意图；
图5为本发明的光学成像模块的等比例的光学透镜组的示意图；
图6为本发明的光学成像模块的放大4倍的光学透镜组的示意图；
图7为本发明的前端信号调理电路的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细地说明。
本发明的基于双线阵的粒子的测量装置的测量原理为：利用一束准直、光强分布较为均匀的激光经光学成像系统后直接照射于具有两列光电二极管阵列的感光元件上，两列光电二极管阵列平行分布，距离固定。当有粒子经过激光光束区时会挡住激光光束并经光学系统成像于具有两列光电二极管阵列的感光元件上，以一定的频率对两列光电二极管阵列同时进行扫描，将扫描后的信号利用后续的电路进行处理后，选择任一光阵信号进行组合便可获取完整的粒子图像，如图1所示。此外，粒子经过两个光电二极管阵列时具有一定的时间差，而两个光电二极管阵列的距离是固定的，如图2所示，因此通过测量这一时间差就可以获取粒子穿过仪器采样区的速度，如式(1)所示：
如图3所示，一种基于双线阵的粒子测量装置，所述装置包括光学系统、双线光电二极管阵列、光电信号采集处理电路和数据处理及显示模块。
如图4所示，所述光学系统包括：光源、激光光束整形模块和成像光学模块；所述光源是一个波长为660nm的半导体激光器，经过光学整形后，该激光器输出一准直、光强分布均匀的圆形激光束，该光束经成像光学模块直接照射于双线光电二极管阵列上。
其中，所述光源是一个波长为660nm的半导体激光器，输出一准直、光强分布均匀的圆形激光束；所述激光光束整形模块为一个透镜，用于将半导体激光器的激光光束准直为一平行的激光束；所述光学成像模块采用开普勒望远镜的光学成像原理,在从激光器输出到探测器元件接收面的光路上通过选取适当参数的凸透镜，使得以采样区中心，即两探测臂中间点为物面，在其上的物体都能够清晰地在以探测器接收面为像面的平面上成像，而且成像无失真。在整个光程固定的情况下，通过配置不同参数的透镜，可以实现对物体不同分辨率的成像。实际应用中，可以选择两套不同参数的透镜组合，分别实现了对粒子的等比例成像和4倍放大成像。
根据粒子图像能够获取到粒子的大小，形状等参数。
如图5所示，所述光学成像模块采用凸透镜和凹透镜组合的形式，凸透镜实现了缩小，凹透镜实现了放大，最后图像和粒子大小的比例为1:1。
如图6所示，所述光学成像模块采用双凸透镜的组合方案，第一个凸透镜实现等比例放大，第二个凸透镜实现4倍放大倍率。
所述光电信号采集处理电路包括：前端信号调理电路和fpga控制电路；所述双线光电二极管阵列输出一与激光光强成比例的电流信号，该电流信号经过前端信号调理电路后会转换为可直接由fpga控制电路采集的二值信号，该二值信号经fpga控制电路处理后会以一定的数据格式进行压缩，通过千兆以太网口，压缩后的数据会被上传至数据处理及显示模块进行处理、显示和存储。所述数据处理及显示模块在上位机上运行。
所述前端信号调理电路主要是对光电二极管阵列所生成的微弱瞬变信号进行快速响应处理，并提供给后端的fpga控制电路一个二值信号。
如图7所示，所述前端信号调理电路包括：互阻放大电路u1、后级信号放大电路u2、分压射随电路u3和比较电路u4。
其中，所述互阻放大电路u1用于将光电二极管输出的电流信号转换为电压信号；所述后级信号放大电路u2用于将互阻放大电路u1的输出的电压信号进行放大，以符合后续处理需要；所述分压射随电路u3用于为比较电路u4提供一个进行比较的阈值参考电平；所述比较电路u4用于对输入信号电压进行比较,其输出电压只有两种可能状态,高电平或者低电平，如果用1表示高电平,用0表示低电平，则比较电路u4的输出正好和粒子是否出现遮挡的状态对应起来。本实施例中，当激光直照时,双线光电二极管阵列接收到的光强产生的电压值的一半作为该传感器支路单元比较电路的阈值电压,即以双线光电二极管阵列接收到的激光光强被减弱一半以上时表示粒子出现事件。
所述fpga控制电路选用fpga芯片ep2c35f672c6n作为整个电路的核心单元，并完成粒子落速和粒子图像数据压缩编码等高速运算。配置模块promepcs16存储系统的配置信息，adc芯片tlc549用于读入仪器的工作状态，两个线阵各64bits信息经排阻电平转换后依次输入fpga芯片，由fpga芯片进行采集。当有粒子出现时，所述装置会对双线光电二极管阵列第一次出现粒子时刻做运算计算出粒子的落速，并更新采样率对粒子图像进行采集，并将采集到的粒子图像数据进行压缩存储，当存满一帧后会采集三路监测电压值，连同图像数据以网络传输方式往上位机传输。
所述双线光电二极管阵列为在一块光电传感元件上封装出两列规格和性能完全一致的光电二极管阵列单元，包括第一光电二极管阵列单元和第二光电二极管阵列单元；两个光电二极管阵列单元的距离s固定，s的取值范围为1mm～10mm，所述光电二极管阵列单元由n个光电二极管组成；其中，32≤n≤512。所述光电二极管的受光面为正方形，其边长尺寸范围为25μm～200μm；当成像光学模块的放大倍数为1时，仪器的分辨率res即为100μm，此时仪器的测量范围是100～6400μm；当成像光学模块的放大倍数为4时，仪器的分辨率res为25μm，仪器的测量粒子大小范围为25～1600μm。当粒子由上而下穿过第一光电二极管阵列单元时，该阵列因光强降低会输出一个脉冲信号给fpga芯片，fpga芯片会将该时刻记为时间t1；当粒子继续下落，到达第二光电二极管阵列单元时，该阵列同样会输出一个脉冲指示信号给fpga芯片，fpga芯片会将该时刻记为时间t2。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。