一種基于近場散射的顆粒粒度測量裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于顆粒粒度測量技術領域，具體涉及一種基于近場散射的顆粒粒度測量 裝置及方法。
【背景技術】
[0002] 隨著社會文明的進步、科學技術的快速發(fā)展，顆粒問題在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學、科研及 環(huán)境等領域中越來越受到關注。顆粒粒度及分布是目前顆粒測量的主要內(nèi)容之一。在測量 顆粒粒度的眾多方法中，光散射法以其適用性強、粒度測量范圍寬、測量重復性好、快速實 時、自動化和智能化程度高、干擾因素少、在線測量等因而得到充分重視，是目前應用最廣 泛和最有發(fā)展前景的顆粒測量技術。
[0003] 常見的光散射測量方法主要有動態(tài)光散射法和小角靜態(tài)光散射法。動態(tài)光散射法 是通過在不同方向上建立散射光強度與時間的關聯(lián)從而得到待測顆粒粒度及分布，這種方 法所需要的物理參數(shù)少，但對實驗裝置技術性能要求高，并且價格昂貴。小角靜態(tài)光散射法 是通過測量遠場的散射光強度從而反演出顆粒粒度及分布，但是這種方法存在一些限制， 其中最大的缺點是中心光強的去除需要光路上嚴格對準，而且周圍雜散光的存在需要進行 空白測量，使裝置更復雜，測量精度降低，穩(wěn)定性不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 技術問題：本發(fā)明針對小角散射技術測量顆粒粒度時易受雜散光影響、裝置復雜、 穩(wěn)定性低等缺點，提出一種區(qū)別于傳統(tǒng)小角散射顆粒粒度測量技術的近場散射方法及裝置 測量顆粒粒度及分布。
[0005] 技術方案：一種基于近場散射的顆粒粒度測量裝置，其特征在于：包括激光器、空 間濾波器、準直透鏡、透鏡組、CCD相機以及計算機，所述的激光器用于發(fā)出相干光束；所述 空間濾波器對所述激光器發(fā)出的相干光速進行濾除并得到高斯光束；所述準直透鏡用于將 所述高斯光束轉換成直光束；所述透鏡組用于設定焦距，將距離測量區(qū)域Z處的散斑進行 成像；所述(XD相機用于采集所述透鏡組成像的近場散斑圖像；所述計算機對所述C⑶相 機采集的近場散斑圖像進行處理得到顆粒粒度分布。
[0006] 所述計算機對近場散斑圖像進行處理的具體方法是：把采集獲得的每幀近場散斑 圖像轉換為灰度值矩陣，并對采集到的N幀獨立的圖像作歸一化處理，得到無量綱的近場 散斑強度；對歸一化后的近場散斑強度進行快速傅里葉變化，得到近場散斑強度的功率譜； 通過近場散斑強度的功率得到包含顆粒粒度信息的散射光強度；再根據(jù)Mie散射理論反演 出顆粒粒度分布。
[0007] 所述的激光器為連續(xù)發(fā)光的He-Ne激光器。
[0008] -種基于近場散射的顆粒粒度測量裝置測量顆粒粒度的方法，其特征在于，包括 如下步驟：
[0009] 步驟一、激光器發(fā)出的相干光束照射含有顆粒的待測溶液，CCD相機采集距離測量 區(qū)域Z處的由透射光和散射光干涉形成的散斑圖像I (x，y);
[0010]
【主權項】
1. 一種基于近場散射的顆粒粒度圖像采集裝置，其特征在于：包括激光器、空間濾波 器、準直透鏡、透鏡組以及CCD相機，所述空間濾波器位于所述激光器的輸出光路上，所述 準直透鏡位于所述空間濾波器的輸出光路上，在所述準直透鏡的后端依次設置所述的透鏡 組和C⑶相機，所述透鏡組的像平面在所述C⑶相機的靶面上。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于近場散射的顆粒粒度圖像采集裝置，其特征在于： 所述的激光器為連續(xù)發(fā)光的He-Ne激光器。
3. -種基于近場散射的顆粒粒度測量裝置，其特征在于：包括激光器、空間濾波器、準 直透鏡、透鏡組、CCD相機以及計算機，所述的激光器用于發(fā)出相干光束；所述空間濾波器 對所述激光器發(fā)出的相干光速進行濾除并得到高斯光束；所述準直透鏡用于將所述高斯光 束轉換成直光束；所述透鏡組用于設定焦距，將距離測量區(qū)域Z處的散斑進行成像；所述 CCD相機用于采集所述透鏡組成像的近場散斑圖像；所述計算機對所述CCD相機采集的近 場散斑圖像進行處理得到顆粒粒度分布。
4. 根據(jù)權利要求3所述的一種基于近場散射的顆粒粒度測量裝置，其特征在于：所述 計算機對近場散斑圖像進行處理的具體方法是：把采集獲得的每幀近場散斑圖像轉換為灰 度值矩陣，并對采集到的N幀獨立的圖像作歸一化處理，得到無量綱的近場散斑強度；對歸 一化后的近場散斑強度進行快速傅里葉變化，得到近場散斑強度的功率譜；通過近場散斑 強度的功率得到包含顆粒粒度信息的散射光強度；再根據(jù)Mie散射理論反演出顆粒粒度分 布。
5. 根據(jù)權利要求3或4所述的一種基于近場散射的顆粒粒度測量裝置，其特征在于： 所述的激光器為連續(xù)發(fā)光的He-Ne激光器。
6. -種采用權利要求3所述的一種基于近場散射的顆粒粒度測量裝置測量顆粒粒度 的方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟一、激光器發(fā)出的相干光束照射含有顆粒的待測溶液，CCD相機采集距離測量區(qū)域Z處的由透射光和散射光干涉形成的散斑圖像I(x，y);
(1)式中，Ic!是透射光強度，E。是透 射光場，Es是散射光場，Re表示取實部運算，*號是取共軛運算，x，y代表的是數(shù)字圖像上 像素點的排列序號，Z的選取必須滿足特征數(shù)D* = 2Z?NA〈D，NA是透鏡的數(shù)值孔徑，D是 相干光源的光束尺寸； 步驟二、將CCD相機采集的N幀散斑圖像I: (X，y)、12 (X，y)......IN (x,y)作歸一化處理： 首先對采集的一系列的散斑圖像M^y)、I2(x，y)……IN(x，y)做平均，得到平均光 強：
(2) 然后，歸一化得到散斑強度的歸一化值i(x，y)，
(3) 步驟三、對步驟二獲得的歸一化強度值選取圖像尺寸為mXn的區(qū)域進行快速傅里葉 變換得到功率譜值S(qx，qy): (4)式 中，F(xiàn)FT表示快速傅里葉變換算子，3 = 與空間頻率有關的傅里葉向量， Ax為C⑶橫向像素尺寸，Ay為縱向像素尺 寸；
步驟四、對步驟三得到的散斑強度的功率譜按9= 平均得到平均功率譜S(q)， 其中S(q)為內(nèi)徑為q外徑為q+Aq的圓環(huán)內(nèi)各值的平均值；根據(jù)平均功率譜S(q)計算散 射光強IS(Q): IS(Q) =S(q) = <S(qx,qy)>q (5)式中，〈…）表示求平均值運算，0表示散 射傳遞波矢，定義為散射波矢€和入射波矢€之差，g= 射傳遞波矢g模量
0為散射角，X為激光器波長； /L 散射傳遞波矢3模量Q的范圍具體計算公式如下：
(6)其中，
M表示透鏡的 放大倍率，0max=arcsin(NA); 步驟五、根據(jù)步驟四得到的散熱光強度，利用對式（7)積分方程采用反演算法得到被 測溶液的粒徑分布：
(7)式中，IMie(Q，R)是半徑 為R的顆粒在散射傳遞波失大小為Q時Mie散射光強，M(R)是顆粒的質量（M(R) = (4/3)pjiR3,p為顆粒密度），ff(R)即需要反演出的粒徑分布。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于近場散射的顆粒粒度測量裝置及方法，其中測量裝置包括激光器、空間濾波器、準直透鏡、透鏡組、CCD相機以及計算機，激光器用于發(fā)出相干光束；空間濾波器對激光器發(fā)出的相干光速進行濾除并得到高斯光束；準直透鏡用于將高斯光束轉換成直光束；透鏡組用于設定焦距，將距離測量區(qū)域Z處的散斑進行成像； CCD相機用于采集透鏡組成像的近場散斑圖像；計算機對CCD相機采集的近場散斑圖像進行處理得到顆粒粒度分布。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明在無需添加去除中心光強的復雜裝置的情況下，使系統(tǒng)設備簡單，可以實現(xiàn)被測顆粒粒度及分布的測量；不需要任何角分辨檢測，擴展了散射角范圍，實現(xiàn)了納米顆粒粒度測量。
【IPC分類】G01N15-02
【公開號】CN104697906
【申請?zhí)枴緾N201510119862
【發(fā)明人】許傳龍, 譚浩, 張彪
【申請人】東南大學
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2015年3月18日