專利名稱：一種基于動態(tài)光散射信號時間相干度的超細顆粒測量裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于動態(tài)光散射信號時間相干度的超細顆粒測量裝置。
背景技術：
顆粒是指懸浮在空氣或液體中的固體、液體(油滴)、氣體(氣泡)或分子團， 通常情況下超細顆粒指粒徑在io微米以下的顆粒。超細顆粒及其形成物作為原 料、中間物或產(chǎn)品在自然界以及生產(chǎn)過程中是普遍存在的。它們對產(chǎn)品或材料 的性能和質(zhì)量、能源的消耗、環(huán)境質(zhì)量、人民身體健康、全球氣象及作物生長 等都有重大的影響。準確測量超細顆粒粒度，具有重要的經(jīng)濟和社會意義。
顆粒粒徑測量的方法很多，早在二十世紀八十年代，各種顆粒測量儀器已
達400多種。就其測量原理，可分為篩分法、顯微鏡法、沉降法、電感應法、 及光散射法等。它們各具特點，但受工作原理的限制，除電子顯微鏡和光散射 法中的光子相關光譜法以外，其它方法的測量下限很難進入到1微米以下的測 量范圍，即使能進行亞微米級顆粒的測量，也己經(jīng)遠非其最佳或合理的測量范 圍，難以保證可靠的測量精度。其中電子顯微鏡存在測量時間長、試樣制備繁 瑣和測量要求較高等問題，因此不適合在線測量。而光子相關光譜方法的顆粒 測量裝置，需用昂貴的數(shù)學相關器，因此存在成本較高的缺點。因此發(fā)明一種 測量速度快、精度高、成本相對較低的超細顆粒測量裝置具有巨大的應用前景。 發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了測量0. 1微米到5微米之間顆粒的平均粒徑，并提供一 種基于動態(tài)光散射信號時間相干度的超細顆粒測量裝置。
懸浮液中的超細顆粒受到周圍水分的不斷撞擊就會產(chǎn)生布朗運動，顆粒布 朗運動產(chǎn)生的散射光信號的功率譜具有Lorentzian功率譜的形式，由于 Lorentzian功率譜的衰減線寬(也叫Rayleigh線寬)中包含顆粒的粒徑信息，同 時線寬又可以通過散射信號的相干度測量，因此通過對散射光信號時間相干度 的分析就能得到顆粒的粒徑信息?；谏鲜鲈?，本發(fā)明采用的技術方案如下 一種基于動態(tài)光散射信號時間相干度的超細顆粒測量裝置，包括入射光路， 接收光路，散射信號的采集和處理單元，其特征在于，所述入射光路由激光器 (1)、凸透鏡(2)、和樣品池(3)組成，所述接收光路由樣品池(3)、針孔光
闌(4， 5)和濾光片(6)組成，散射信號的采集和處理單元由光電探測器(7)、
光子計數(shù)板(8)和計算機(9)組成；
光電探測器(7)安裝在90度散射角的光路上，使散射光依次通過針孔光闌 (4)，針孔光闌(5)和濾光片(6)組成的空間濾光裝置后進入光電探測器(7)。 其中針孔光闌(4)用于限定散射體體積以提高散射光強并確定相干面積，針孔 光闌(5)用于限定光電探測器的感光面積以保證其小于等于相干面積，濾光片 (6)用于濾除環(huán)境的雜散光。
光電探測器為光電倍增管(7)。
本發(fā)明的有益效果是
本發(fā)明采用光子計數(shù)板代替了傳統(tǒng)的數(shù)字相關器，可降低裝置的硬件成本
50%。同時，基于動態(tài)光散射信號時間相干度的算法較光子相關光譜法原理簡單，
且計算速度快，還具有自主知識產(chǎn)權(quán)，利于后續(xù)維護及開發(fā)。


圖l是本發(fā)明的工作原理圖。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
如圖1所示，本發(fā)明的基于動態(tài)光散射信號時間相干度的超細顆粒測量裝置， 包括激光器l，凸透鏡2，樣品池3，針孔光闌4， 5，濾光片6，光電探測器7， 光子計數(shù)板8，計算機9。由激光器l、凸透鏡2、和樣品池3組成入射光路。 由樣品池3、針孔光闌4， 5和濾光片6組成信號接收光路。由光電探測器7、 光子計數(shù)板8和計算機9組成散射信號的采集和處理單元。光電探測器7安裝在90度散射角的光路上，使散射光依次通過針孔光闌4，
針孔光闌5和濾光片6組成的空間濾光裝置后進入光電探測器7。其中針孔光闌 4用于限定散射體體積以提高散射光強并確定相干面積，針孔光闌5用于限定光 電探測器的感光面積以保證其小于等于相干面積，濾光片6用于濾除環(huán)境的雜 散光。
本發(fā)明的測量裝置操作步驟為首先打開激光器l預熱，調(diào)整凸透鏡2使 入射光聚焦在樣品池3內(nèi)，調(diào)整針孔光闌4和針孔光闌5，使散射信號以90度 的散射角先后經(jīng)過針孔光闌4、針孔光闌5和濾光片6，進入光電探測器7;將
盛有標準樣品的樣品池3放到測量區(qū)；運行計算機9中的數(shù)據(jù)采集軟件；設定
光子計數(shù)板8的采樣周期，啟動光子計數(shù)板8對光電探測器7輸出的脈沖信號 進行計數(shù)，并送計算機9內(nèi)存；改變光子計數(shù)板8的采樣周期，重新啟動光子 計數(shù)板8對光電探測器7輸出的脈沖信號進行計數(shù)，并送計算機9內(nèi)存；計算 機9根據(jù)兩組數(shù)據(jù)的計算出信號的相干度，進而得到顆粒的粒徑信息。
本發(fā)明的具體測量步驟為
1) 用激光器1作為光源，由凸透鏡聚焦到盛有顆粒的樣品池內(nèi)；
2) 用光電倍增管作為光探測器7以90度的散射角連續(xù)測量散射光信號；
3) 光電探測器7將測得的光信號轉(zhuǎn)換成TTL脈沖電壓信號，該脈沖信號的頻率 變化反映散射光的光強波動；
4) 用光子計數(shù)板8對光電倍增管輸出的脈沖信號進行計數(shù)，并送入計算機9。 計算機9通過改變光子計數(shù)板8采樣周期，得到信號的時間相干度變化，其計 算公式為<formula>formula see original document page 5</formula>式中，< >和<附>分別是光子計數(shù)板在采樣周期為^ 和KAf下計數(shù)數(shù)組的均 值，<"2>和<附2>分別是光子計數(shù)在采樣周期為和KA/下計數(shù)數(shù)組的均方值， 《為正整數(shù)。用光子計數(shù)板8對一段時間內(nèi)，采樣周期分別為At和,At的兩 組光電子數(shù)進行計數(shù)，得到兩組計數(shù)數(shù)組(n)和(mh5)計算機9根據(jù)所計算的兩個不同的時間相干度求得動態(tài)光散射信號的 Rayleigh線寬r，其表達式為2Af ^ - A最后計算出顆粒的粒徑，其表達式為其中kB為Boltzman常數(shù)；r為絕對溫度；ti為溶液粘度；z)r為描述布朗運動強 度的平移擴散系數(shù)，其和廠以及散射矢量g的關系式r = Dr<724;zm . W 《=-sin —義o 、2」其中w為水的折射率，Xo為入射光波長，e為散射角。具體實施例采用粒徑為0. 15微米的標準顆粒進行實驗。采樣周期為A 1毫秒，采樣時間為0. 2秒時，光子計數(shù)板統(tǒng)計的數(shù)組^}的方差〈^〉和均值〈/7〉分別為8. 17和1.81，根據(jù)公式A」"2〉—^ — 〈n〉，得到〈n〉此時信號時間相干度"產(chǎn)0.94;采樣周期為#A^0.5毫秒時，光子計數(shù)板統(tǒng)計 的數(shù)組(ml的方差〈/^〉和均值〈歷〉分別為173.26和9.75，根據(jù)公式a jm "m〉2 — W ，得到此時信號時間相干度- 2=0.72 ;根據(jù)公式 〈m〉r:丄f「^ ，得到信號衰減線寬為r"29.15f'。 2&早-A實驗采用的氦氖激光波長為乂 o=632. 8nm，水的折射率為fl. 33，散射角為180度，根據(jù)散射矢量《的計算公式《=，訕|^)，可以得到散射矢量《=2.64義o 、 2 JxioWd根據(jù)衰減線寬廠和描述布朗運動強度的平移擴散系數(shù)Z^以及散射矢量g 的關系式r = ^《2，可以求得平移擴散系數(shù)IV為3.2X10—8cm"s—1。實驗室溫度為25°C，水的粘度系數(shù)il為0.00943dyn s cnT2，根據(jù)Stokes-Einstein公式D, ，得到顆粒粒徑d=0. 148um。
權(quán)利要求1.一種基于動態(tài)光散射信號時間相干度的超細顆粒測量裝置，包括入射光路，接收光路，散射信號的采集和處理單元，其特征在于，所述入射光路由激光器(1)、凸透鏡(2)、和樣品池(3)組成，所述接收光路由樣品池(3)、針孔光闌(4，5)和濾光片(6)組成，散射信號的采集和處理單元由光電探測器(7)、光子計數(shù)板(8)和計算機(9)組成；光電探測器(7)安裝在90度散射角的光路上，使散射光依次通過針孔光闌(4)，針孔光闌(5)和濾光片(6)組成的空間濾光裝置后進入光電探測器(7)。其中針孔光闌(4)用于限定散射體體積以提高散射光強并確定相干面積，針孔光闌(5)用于限定光電探測器的感光面積以保證其小于等于相干面積，濾光片(6)用于濾除環(huán)境的雜散光。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于動態(tài)光散射信號時間相干度的超細顆粒測量裝置， 其特征在于，所述電探測器(7)為光電倍增管。
專利摘要本實用新型涉及一種基于動態(tài)光散射信號時間相干度的超細顆粒測量裝置，入射光路由激光器、凸透鏡、和樣品池組成，接收光路由樣品池、針孔光闌和濾光片組成，散射信號的采集和處理單元由光電探測器、光子計數(shù)板和計算機組成。測量步驟為1.用激光器作為光源，照射到盛有顆粒的樣品池內(nèi)；2.用光電倍增管作為光探測器以90度的散射角連續(xù)測量顆粒產(chǎn)生的散射光信號；3.用光子計數(shù)板對光電倍增管輸出的脈沖信號進行計數(shù)，隨著采樣周期的提高，信號的時間相干度逐漸降低；4.計算機根據(jù)所計算的信號時間相干度的變化求得顆粒的粒徑。本實用新型的優(yōu)點是成本低、步驟簡單、測量速度快、裝置簡單。
文檔編號G01N21/47GK201145664SQ200820054408
公開日2008年11月5日 申請日期2008年1月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月2日
發(fā)明者平 孔, 暉 楊, 剛 鄭 申請人:楊 暉;鄭 剛;孔 平