專利名稱：基于動態(tài)光散射信號分形的顆粒測量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過顆粒的動態(tài)散射光信號的分形測量顆粒粒徑的方法及裝置。
背景技術(shù)：
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。在多數(shù)情況下，是指粒徑在1000μm以下的顆粒。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)過程中普遍存在。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、全球氣候及作物生長等有重大影響。準確測量顆粒粒度，具有重要的經(jīng)濟和社會意義。顆粒測量有篩分法、顯微鏡法、沉降法、電感應(yīng)法及光散射法等多種方法，這些方法各具特點，但受工作原理的限制，除顯微鏡方法和光散射法中的光子相關(guān)光譜法外，其余方法一般不適于對微米以下的顆粒測量，顯微鏡方法和光子相關(guān)光譜法可以進行微米以下的顆粒測量，但不適于在線應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了測量0.1μm～3μm之間顆粒的平均粒徑，提供一種可實施的利用運動顆粒動態(tài)散射光信號分形進行顆粒粒徑在線測量的方法和裝置。
懸浮液中的顆粒受顆粒周圍進行布朗運動的分子的不斷撞擊，其對固定光源的散射光光強會隨機漲落。這種漲落的快慢與顆粒的粒徑有關(guān)，顆粒越小，漲落越快。因此，所測得的動態(tài)散射光光強信號的波形在時間軸上具有不同的復(fù)雜性。這一復(fù)雜的隨機信號具有分形特征，用分形來表征這種復(fù)雜性，可以獲取影響這種復(fù)雜性的顆粒粒徑信息。根據(jù)上述原理，基于動態(tài)光散射信號分形的顆粒測量方法的具體步驟為1、以激光器作為光源，照射到盛有顆粒的樣品池內(nèi)；2、采用光電倍增管作為光探測器以90°的散射角連續(xù)測量散射光信號；3、采用光子計數(shù)卡對光電倍增管輸出的脈沖信號進行連續(xù)計數(shù)，并將反映散射光信號波動的連續(xù)計數(shù)值送入微機內(nèi)存；4、微機根據(jù)所測得的散射光波動信號求取該信號的分形特征值一分形維數(shù)，根據(jù)分形維數(shù)的大小確定顆粒粒徑。
為實現(xiàn)上述方法而設(shè)計的裝置包括激光器、偏振片、透鏡、樣品池、小孔、濾光片、光探測器、光子計數(shù)卡和微機，由激光器、偏振片、透鏡組成入射光路，由樣品池、小孔、濾光片組成散射光路，由光探測器、光子計數(shù)卡和微機組成動態(tài)散射光信號采集與處理單元。
本方法省去了傳統(tǒng)動態(tài)散射方法所必須的價格昂貴的數(shù)字相關(guān)器，具有成本低，所測數(shù)據(jù)少，計算量小，測量速度快，可在線應(yīng)用等特點。


圖1為顆粒測量裝置原理圖。
具體實施例方式
本方法采用的測量裝置由圖1所示，包括激光器1、偏振片2、透鏡3、樣品池4、小孔A5、小孔B6、濾光片7、光探測器8、光子計數(shù)卡9和微機10。由激光器1、偏振片2、透鏡3組成入射光路，由樣品池4、小孔A5、小孔B5、濾光片7組成散射光路，由光探測器8、光子計數(shù)卡9和微機10組成動態(tài)散射光信號采集與處理單元。光探測器8為光電倍增管，安裝在90°散射角的光路上，使散射光先后經(jīng)由小孔A5、小孔B6和濾光片7，最后進入光探測器8。小孔A5用于限定散射體積以提高散射光強并確定相干面積。小孔B6用于限定探測器的感光面積以保證此面積與相干面積接近1致，因為過大的探測器探測面積的平均作用會影響探測點信號的起伏效果。濾光片7用于濾除外界的雜散光。所測散射光經(jīng)光探測器轉(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。光子計數(shù)卡9將脈沖信號讀入微機10。微機10按下式計算出所測信號的分形維數(shù)D。
D=Σi=0n[ln(1δi-δ‾)][ln(N(δi))-N‾]Σi=0n[ln(1δi)-δ‾]2]]>其中δ‾=1n+1Σi=0nln(1δi)]]>N‾=1n+1Σi=0nln(N(δi))]]>δn＝2n；n＝0，1，2，…m＜r；i＝0，1，…n；N(δi)為δi與散射光光強波動曲線相交的個數(shù)。
根據(jù)標定的顆粒粒徑與分形維數(shù)的關(guān)系曲線，求得顆粒粒徑。
本發(fā)明的方法是通過上述裝置來實現(xiàn)的打開激光器1預(yù)熱，調(diào)整透鏡2使入射光聚焦在樣品池4內(nèi)。調(diào)整小孔A5和小孔B6，使散射光以90°的散射角先后經(jīng)由小孔A5、小孔B6和濾光片7，進入探測器8。將盛有標準樣品的樣品池4放到測量區(qū)。運行微機中的數(shù)據(jù)采集軟件，啟動光子計數(shù)卡對光探測器8輸出的脈沖信號進行連續(xù)計數(shù)，并將連續(xù)的計數(shù)值送入微機內(nèi)存，求出與標準顆粒樣品對應(yīng)的動態(tài)散射光信號的分形維數(shù)。更換不同粒徑的標準顆粒樣品，重復(fù)這一測量過程。標準顆粒的粒徑分別為0.1μm、0.2μm、0.5μm、0.8μm、1μm、2μm、3μm。用所求得的與上述顆粒粒徑對應(yīng)的分形維數(shù)修正顆粒粒徑-分形維數(shù)關(guān)系曲線。取下標準顆粒樣品池，更換成待測顆粒樣品池，調(diào)用顆粒粒度分析軟件，微機根據(jù)分形維數(shù)的大小，通過顆粒粒徑-分形維數(shù)關(guān)系曲線，計算顆粒粒徑，并在屏幕上顯示。
權(quán)利要求
1.基于動態(tài)光散射信號分形的顆粒測量方法，其特征在于，具體步驟為(1)以激光器作為光源，照射到盛有顆粒的樣品池內(nèi)；(2)采用光電倍增管作為光探測器以90°的散射角連續(xù)測量散射光信號；(3)采用光子計數(shù)卡對光電倍增管輸出的脈沖信號進行計數(shù)，并將計數(shù)值送入微機；微機根據(jù)所測的散射光波動信號求取該信號的分形特征值—分形維數(shù)DD=Σi=0n[ln(1δi-δ‾)][ln(N(δi))-N‾]Σi=0n[ln(1δi)-δ‾]2]]>其中δ‾=1n+1Σi=0nln(1δi)]]>N‾=1n+1Σi=0nln(N(δi))]]>δn＝2n；n＝0，1，2，…m＜r；i＝0，1，…n；N(δi)為δi與散射光光強波動曲線相交的個數(shù)。(4)根據(jù)分形維數(shù)的大小確定顆粒粒徑。
2.為實現(xiàn)上述方法而設(shè)計的裝置，其特征在于，它由激光器(1)、偏振片(2)、透鏡(3)、樣品池(4)、小孔A(5)、小孔B(6)、濾光片(7)、光探測器(8)、光子計數(shù)卡(9)和微機(10)組成，由激光器(1)、偏振片(2)、透鏡(3)組成入射光路，由樣品池(4)、小孔A(5)、小孔B(5)、濾光片(7)組成散射光路，由光探測器(8)、光子計數(shù)卡(9)和微機(10)組成動態(tài)散射光信號采集與處理單元。
3.根據(jù)要求1所述的裝置，其特征在于，所述的光探測器(8)為光電倍增管安裝在90°散射角光路上，散射光先后經(jīng)由小孔A(5)、小孔B(6)和濾光片(7)進入光探測器(8)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于動態(tài)光散射信號分形的顆粒測量方法及裝置。裝置由激光器、偏振片、透鏡、樣品池、小孔、濾光片、光探測器、光子計數(shù)卡和微機組成。方法為由激光器、偏振片和透鏡組成的入射光路產(chǎn)生聚焦的偏振光束照射到顆粒樣品池中，樣品池中的顆粒產(chǎn)生的散射光經(jīng)小孔、濾光片進入光探測器，將散射光信號轉(zhuǎn)換成TTL脈沖信號，由光子計數(shù)卡將脈沖信號讀入微機內(nèi)存，計算出所測信號的分形維數(shù)，根據(jù)分形維數(shù)與顆粒粒徑的對應(yīng)關(guān)系求出粒徑。優(yōu)點是成本低、步驟簡單、測量速度快。
文檔編號G01N15/02GK1502981SQ0214549
公開日2004年6月9日 申請日期2002年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月20日
發(fā)明者鄭剛, 申晉, 鄭 剛 申請人:上海理工大學(xué)