專(zhuān)利名稱(chēng)：用ccd或cmos為光電探測(cè)器件的粒度對(duì)中測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光粒度儀顆粒粒度測(cè)量方法，特別涉及一種激光粒度儀對(duì)中 測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
激光粒度儀已廣泛應(yīng)用在許多領(lǐng)域，它的基本原理是當(dāng)一束激光入射到被測(cè)顆粒 樣品時(shí)，由于散射作用，入射光會(huì)偏離原入射方向，向各個(gè)方向散射。光散射的空間分布與 顆粒的大小有關(guān)。顆粒較小時(shí)，前向散射光相對(duì)較弱，在顆粒較大時(shí)前向散射光相對(duì)較強(qiáng)。 激光粒度儀就是利用該原理測(cè)量散射光在不同方向角是分布，然后根據(jù)光散射理論和反演 算法得到被測(cè)顆粒的粒度分布。圖1是經(jīng)典的激光粒度儀原理示意圖。在該光路結(jié)構(gòu)中，由激光器發(fā)出的測(cè)量光束通過(guò)測(cè)量區(qū)或樣品池后，散射光被接 收透鏡接收，然后聚焦到多元光電探測(cè)器件，光電探測(cè)器的信號(hào)通過(guò)信號(hào)通道選通電路后 經(jīng)信號(hào)放大電路放大被數(shù)據(jù)采集卡(AD卡)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到被測(cè) 顆粒的粒度分布。為得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，激光器及光學(xué)系統(tǒng)，接收透鏡、多元光電探測(cè)器 件必須同心。即激光器經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)發(fā)出的測(cè)量光束必須通過(guò)接收透鏡的中心，聚焦在多元 光電探測(cè)器件的中心，即同心。這是因?yàn)樵诩す饬６葍x中的散射理論計(jì)算是以多元光電探 測(cè)器的中心為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算的。如不同心，則實(shí)際測(cè)得的散射光能分布與理論計(jì)算的散射 光能分布不吻合，會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差。該誤差的大小與不同心程度有關(guān)。一般在多元 光電探測(cè)器件中心有個(gè)小孔或光陷，當(dāng)激光器及光學(xué)系統(tǒng)、接收透鏡和多元光電探測(cè)器件 同心時(shí)，聚焦的激光束可以通過(guò)該小孔或入射到該光陷中。此時(shí)可以保證得到準(zhǔn)確的測(cè)量 結(jié)果。圖2是常用的多元光電探測(cè)器的示意圖。多元光電探測(cè)器可以是半圓形的，如圖2， 也可以是扇形的，或2者結(jié)合的。近來(lái)有研究采用線陣CCD或面陣CCD或CMOS作為光電探 測(cè)器件的。而在激光粒度儀實(shí)際使用中由于各種原因，這3者很可能會(huì)不同心。為此，激光粒 度儀都設(shè)置了手動(dòng)或自動(dòng)同心調(diào)整系統(tǒng)，以保證在測(cè)量時(shí)激光束正好入射到光電探測(cè)器的 中心。這增加了儀器的復(fù)雜性和成本。在采用CCD或CMOS作為光電探測(cè)器件時(shí)，因聚焦的激光強(qiáng)度很高，為防止高強(qiáng)度 激光損壞CCD或CMOS，并防止高強(qiáng)度激光匯聚點(diǎn)落在CCD或CMOS表面時(shí)發(fā)生強(qiáng)烈反射，其 雜散光對(duì)其他像素產(chǎn)生干擾(如飽和等)影響，一般使激光匯聚點(diǎn)落在CCD或CMOS光敏區(qū)以 外。此時(shí)，也需要調(diào)整C⑶或CMOS的位置，保證匯聚的激光落在設(shè)定的位置上。這同樣會(huì) 增加儀器的復(fù)雜性和成本，所以在商用激光粒度儀中鮮有采用面陣CCD或CMOS作為光電探 測(cè)器件的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有激光粒度儀中激光器及光學(xué)系統(tǒng)，接收透鏡、多元 光電探測(cè)器件調(diào)整同心時(shí)的困難，提出一種采用CCD或CMOS為光電探測(cè)器件時(shí)不需調(diào)整同心的顆粒粒度測(cè)量方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種用CCD或CMOS為光電探測(cè)器的粒度對(duì)中測(cè)量方法，由 激光器發(fā)出的測(cè)量光束通過(guò)測(cè)量區(qū)或樣品池后，散射光被接收透鏡接收，然后聚焦到多元 光電探測(cè)器，多元光電探測(cè)器的信號(hào)通過(guò)信號(hào)通道選通電路后經(jīng)信號(hào)放大電路放大被數(shù)據(jù) 采集卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字量由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到被測(cè)顆粒的粒度分布，其特征在于，方法 步驟為1、采用面陣CCD或CMOS作為多元光電探測(cè)器，激光器用可調(diào)功率激光器，在顆粒粒度 測(cè)量前，先調(diào)低激光器功率，使該低功率激光束聚焦到CCD或CMOS上時(shí)CCD或CMOS不發(fā)生 飽和，記錄該激光光斑落在CXD或CMOS上的像素位置，以測(cè)得光斑的這些像素作為顆粒測(cè) 量時(shí)的散射中心位置；2、調(diào)整激光器功率到以信號(hào)最強(qiáng)的像素不發(fā)生飽和為限的功率，開(kāi)始測(cè)量，記錄下顆 粒散射光能的分布；3、再以初始確定的散射中心位置為基礎(chǔ)，進(jìn)行理論計(jì)算(需補(bǔ)充如何進(jìn)行計(jì)算的說(shuō) 明)，得到顆粒的粒度分布。根據(jù)光散射理論，當(dāng)入射激光照射到被測(cè)顆粒時(shí)，其散射光能的 分布Isca可以由下式描述Isea = ^-y Ifs ti(β, Oi,m)+i2 (θ, ￠2;](1)上式中，10為入射光強(qiáng)，$為散射角，α(=π /Λ)為無(wú)因次尺寸參數(shù)，其中D是顆粒粒 度，m為顆粒相對(duì)于周?chē)橘|(zhì)的折射車(chē)ι為入射光波長(zhǎng)為顆粒到CCD或CMOS的距離，而 ^1^ 是散射強(qiáng)度函數(shù)。當(dāng)CXD或CMOS測(cè)得Isca后，就可以根據(jù)上式求解出被測(cè)顆粒粒度D。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是克服了現(xiàn)有激光粒度測(cè)量裝置對(duì)中復(fù)雜和采用CCD或CMOS作為光電 探測(cè)器時(shí)像素易飽和或損壞的缺點(diǎn)，取消了硬件的對(duì)中裝置，不需要調(diào)整同心，能進(jìn)行顆粒 粒度測(cè)量。


圖1為激光粒度儀原理示意圖；圖2為半圓形多元光電探測(cè)器的示意圖； 圖3為本發(fā)明實(shí)施例1原理圖； 圖4為匯聚激光光斑落在CCD或CMOS左下角示意圖； 圖中1為C⑶或CMOS，2為匯聚激光光斑 圖5為本發(fā)明實(shí)施例2示意圖。
具體實(shí)施例方式圖1為激光粒度儀原理示意圖，激光器發(fā)出的平行測(cè)量光入射到測(cè)量區(qū)，穿過(guò)測(cè) 量區(qū)后被接收透鏡匯聚到光電探測(cè)器中心，被顆粒散射的散射光被接收透鏡接收后落到光 電探測(cè)器的表面，光電探測(cè)器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)放大后由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到顆粒的粒度分布。圖2為半圓形多元光電探測(cè)器的示意圖，該光電探測(cè)器由若干個(gè)同心圓環(huán)構(gòu)成， 中心是個(gè)很小的小孔。測(cè)量時(shí)匯聚的激光束即通過(guò)該小孔，這表示測(cè)量系統(tǒng)處于同心。若 匯聚的激光束沒(méi)有通過(guò)該小孔，而是落在小孔附近位置，這表示探測(cè)器與光束不同心，將會(huì) 產(chǎn)生測(cè)量誤差，尤其是在大顆粒測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的誤差較大。實(shí)施例1 由圖3所示，采用面陣CCD或CMOS作為多元光電探測(cè)器，激光器用可調(diào)功率激光器， 激光器供電及功率調(diào)整電路和激光器相連接，在顆粒粒度測(cè)量前，打開(kāi)儀器電源后，計(jì)算機(jī) 采集CCD或CMOS的輸出信號(hào)，根據(jù)CCD或CMOS的信號(hào)控制激光器供電及功率調(diào)整電路來(lái) 調(diào)整激光功率，當(dāng)CCD或CMOS所有像素中最大輸出信號(hào)達(dá)到略低于飽和時(shí)，如達(dá)到飽和信 號(hào)的95%時(shí)，停止調(diào)整激光器的輸出功率，計(jì)算機(jī)記錄CCD或CMOS的輸出信號(hào)，根據(jù)記錄的 CCD或CMOS各像素輸出信號(hào)的大小，確定輸出信號(hào)最大的像素點(diǎn)為匯聚激光點(diǎn)的位置，將 此作為顆粒散射光能空間分布的中心點(diǎn)作為后面理論計(jì)算的基礎(chǔ)，如圖4所示。然后在測(cè) 量區(qū)中加入被測(cè)顆粒樣品，由于顆粒的散射和吸收作用，透射光強(qiáng)將會(huì)減弱，此時(shí)，再次調(diào) 整激光器的輸出功率，逐步增大激光功率，并調(diào)整CCD或CMOS電子快門(mén)的速度來(lái)增大CCD 或CMOS輸出的散射光信號(hào)，同時(shí)匯聚激光點(diǎn)(散射中心點(diǎn))的像素信號(hào)略低于飽和，如達(dá)到 飽和的98%，記錄此時(shí)的散射光信號(hào)，就可以由光散射理論得到被測(cè)顆粒的粒度分布。根據(jù)光散射理論，當(dāng)入射激光照射到被測(cè)顆粒時(shí)，其散射光能的分布Isca可以由 下式描述ι逝=^j/oh^ a,m)+i2(&, a,m))(2)上式中，10為入射光強(qiáng)^力散射角，為無(wú)因次尺寸參數(shù)，其中D是顆粒粒 度，m為顆粒相對(duì)于周?chē)橘|(zhì)的折射車(chē)^為入射光波長(zhǎng)，r為顆粒到CCD或CMOS的距離，而 '1^ 是散射強(qiáng)度函數(shù)。當(dāng)CXD或CMOS測(cè)得Isca后，就可以根據(jù)上式求解出被測(cè)顆粒粒度D。為防止在儀器打開(kāi)電源供電時(shí)激光器的功率過(guò)大時(shí)損壞CCD或CMOS，激光器的功 率可以預(yù)先設(shè)定在最小功率，然后逐漸增大。圖4中CXD左下角的黑點(diǎn)即表示匯聚激光光斑照射到CXD或CMOS該位置上，在理 論計(jì)算時(shí)就以該點(diǎn)作為散射光能分布的中心進(jìn)行計(jì)算。實(shí)施例2:由圖5所示，與實(shí)施例1不同的是激光器功率不是由計(jì)算機(jī)自動(dòng)根據(jù)CCD或CMOS測(cè)得 的信號(hào)大小來(lái)調(diào)整，而是操作人員手動(dòng)調(diào)整激光器功率到最合適的大小。采用手動(dòng)調(diào)整激 光器功率可以簡(jiǎn)化儀器的結(jié)構(gòu)，尤其適合需要低成本儀器的場(chǎng)合。
權(quán)利要求
1. 一種用CCD或CMOS為光電探測(cè)器的粒度對(duì)中測(cè)量方法，由激光器發(fā)出的測(cè)量光束通 過(guò)測(cè)量區(qū)或樣品池后，散射光被接收透鏡接收，然后聚焦到多元光電探測(cè)器，多元光電探測(cè) 器的信號(hào)通過(guò)信號(hào)通道選通電路后經(jīng)信號(hào)放大電路放大被數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字量由計(jì) 算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到被測(cè)顆粒的粒度分布，其特征在于，方法步驟為(1)采用面陣CCD或CMOS作為多元光電探測(cè)器，激光器用可調(diào)功率激光器，在顆粒粒度 測(cè)量前，先調(diào)低激光器功率，使該低功率激光束聚焦到CCD或CMOS上時(shí)CCD或CMOS不發(fā)生 飽和，記錄該激光光斑落在CXD或CMOS上的像素位置，以測(cè)得光斑的這些像素作為顆粒測(cè) 量時(shí)的散射中心位置；(2)調(diào)整激光器功率到以信號(hào)最強(qiáng)的像素不發(fā)生飽和為限的功率，開(kāi)始測(cè)量，記錄下顆 粒散射光能的分布；(3)再以初始確定的散射中心位置為基礎(chǔ)，由光散射理論進(jìn)行理論計(jì)算；根據(jù)光散射理論，當(dāng)入射激光照射到被測(cè)顆粒時(shí)，其散射光能的分布Isca由下式描述4 = ^rO PiC^arm)](1)上式中，10為入射光強(qiáng)^力散射角，為無(wú)因次尺寸參數(shù)，其中D是顆粒粒 度，m為顆粒相對(duì)于周?chē)橘|(zhì)的折射車(chē)^為入射光波長(zhǎng)，r為顆粒到CCD或CMOS的距離，而 是散射強(qiáng)度函數(shù)；當(dāng)CCD或CMOS測(cè)得Isca后，就可以根據(jù)上式求解出被測(cè)顆粒粒度D。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用CCD或CMOS為光電探測(cè)器的粒度對(duì)中測(cè)量方法，方法步驟為1、采用面陣CCD或CMOS作為多元光電探測(cè)器，用可調(diào)功率激光器，在顆粒粒度測(cè)量前，先調(diào)低激光器功率，使該低功率激光束聚焦到CCD或CMOS上時(shí)不發(fā)生飽和，記錄該激光光斑落在CCD或CMOS上的像素位置，以測(cè)得光斑的這些像素作為顆粒測(cè)量時(shí)的散射中心位置；2、調(diào)整激光器功率到以信號(hào)最強(qiáng)的像素不發(fā)生飽和為限的功率，開(kāi)始測(cè)量，記錄下顆粒散射光能的分布；3、再以初始確定的散射中心位置為基礎(chǔ)，由光散射理論計(jì)算得到顆粒的粒度分布。本發(fā)明克服了現(xiàn)有激光粒度儀對(duì)中復(fù)雜和采用CCD或CMOS作為光電探測(cè)器時(shí)像素易飽和或損壞的缺點(diǎn)，取消了硬件的對(duì)中裝置，不需要調(diào)整同心，能進(jìn)行顆粒粒度測(cè)量。
文檔編號(hào)G01N15/02GK102053050SQ20101057575
公開(kāi)日2011年5月11日 申請(qǐng)日期2010年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月7日
發(fā)明者蘇明旭, 蔡小舒 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)