專利名稱:厚樣品池反傅立葉變換顆粒在線測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種測量技術(shù),特別涉及一種厚樣品池反傅立葉變換顆粒在 線測量裝置。
背景技術(shù):
光散射顆粒測量方法中前向散射法可測量分散在氣體中的固體粉塵和液 滴,也可測量分散在液體中的固體粉末和氣泡。反傅立葉變換技術(shù)是光散射 測量技術(shù)中的一種,具有對光束寬度要求小、可測最小顆粒粒徑小、無需接 收透鏡、測量裝置簡單等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是傳統(tǒng)的反傅立葉變換技術(shù)要求樣 品池厚度控制在2毫米左右或者更小。因此,基于該技術(shù)的測量裝置要求所 測顆粒樣品滿足一定的濃度范圍,這限制了該技術(shù)還無法實(shí)現(xiàn)在線測量。目 前主要發(fā)展為實(shí)驗(yàn)室儀器。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對現(xiàn)在反傅立葉變換技術(shù)中樣品池有尺寸的限制,并且無法 實(shí)現(xiàn)在線測試的問題,提出了一種厚樣品池反傅立葉變換顆粒在線測量裝 置,可同時測量顆粒的粒度分布和濃度信息,采用了集成探針結(jié)構(gòu),適合于 在線和離線使用。
本發(fā)明的技術(shù)方案為 一種厚樣品池反傅立葉變換顆粒在線測量裝置, 包括光源模塊、樣品池、探測模塊、嵌入式信號處理模塊,所述模塊集成在 一個探針內(nèi),所述光源模塊包括半導(dǎo)體激光、擴(kuò)束器、針孔濾光器和會聚透 鏡;探測模塊包括環(huán)狀多單元探測器和透射光探測器;嵌入式信號處理模塊
包括信號放大模塊、信號采集與數(shù)據(jù)處理模塊、顯示與控制面板模塊和數(shù)據(jù)傳送接口;半導(dǎo)體激光器輸出的光束經(jīng)擴(kuò)束器擴(kuò)束、針孔濾光器過濾雜散光 后經(jīng)過會聚透鏡形成張角為2-20度的單色會聚同心光束,單色匯聚光照射 到位于測量區(qū)的樣品池上,產(chǎn)生散射光和透射光,環(huán)狀多單元光探測器位于 會聚透鏡的焦平面上,散射光被位于透鏡焦平面上的環(huán)狀多單元光探測器所 探測,透射光被位于透鏡焦點(diǎn)上的光探測器接收,探測器接受的散射光信號 和透射光信號經(jīng)信號放大模塊放大處理后經(jīng)信號采集與數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換和內(nèi)部處理得到顆粒的粒度分布和濃度,測量結(jié)果可通過數(shù)據(jù)傳送 接口送計(jì)算機(jī)儲存,同時被顯示與控制面板模塊調(diào)用和顯示。
所述環(huán)狀多單元探測器由數(shù)個單元構(gòu)成,其形狀可為半圓形或者扇形。 所述會聚透鏡的焦距在100_1000毫米之間選取。所述樣品池為一長方 體,厚度可達(dá)到30毫米。
本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明厚樣品池反傅立葉變換顆粒在線測量裝 置,采用了集成探針形式、厚樣品池和嵌入式信號處理系統(tǒng),厚樣品池允許 測量對象順暢流經(jīng)測量區(qū)從而提高采樣準(zhǔn)確性和提高測量精度,集成探針結(jié) 構(gòu)縮小了測量裝置的體積,實(shí)現(xiàn)便攜化,使得本裝置可應(yīng)用于在線測量場合 之外,還可進(jìn)行野外作業(yè)。
圖1為本發(fā)明厚樣品池反傅立葉變換顆粒在線測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明厚樣品池反傅立葉變換顆粒在線測量裝置環(huán)狀多單元探測器示
意圖3為本發(fā)明厚樣品池反傅立葉變換顆粒在線測量裝置信號采集與數(shù)據(jù)處理 模塊框圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明利用顆粒對入射光的散射和吸收作用,探測會聚同心光束照射下 的前向散射光信號和透過率信號,由此得到顆粒的粒度分布和顆粒濃度信 息。這種方法稱為光散射反傅立葉變換顆粒測量法??蓽y量0.3微米到1千 微米之間的顆粒粒徑分布及其濃度。
如圖1所示厚樣品池反傅立葉變換顆粒在線測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖,包括
光源模塊、樣品池4、探測模塊、嵌入式信號處理模塊,這些模塊集成在一 個探針14內(nèi),構(gòu)成穩(wěn)定、緊湊、精密的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),光源模塊包括半導(dǎo)體激 光器l、擴(kuò)束器2、針孔濾光器3和會聚透鏡5,探測模塊包括環(huán)狀多單元探 測器8和透射光探測器9,嵌入式信號處理模塊包括信號放大模塊10、信號 采集與數(shù)據(jù)處理模塊11、顯示與控制面板模塊12和數(shù)據(jù)傳送接口 13。
半導(dǎo)體激光器1輸出的光束經(jīng)擴(kuò)束器2擴(kuò)束、濾光器3過濾雜散光后經(jīng) 過會聚透鏡5形成張角為2-20度的單色會聚同心光束,單色匯聚光照射到 位于測量區(qū)的樣品池4上,產(chǎn)生散射和吸收現(xiàn)象。在光束傳播方向附近的散 射光稱作前向散射光6,入射光經(jīng)過顆粒測量區(qū)后的透射光7減弱,透射光 與入射光的強(qiáng)度之比稱作透過率。環(huán)狀多單元光探測器8位于會聚透鏡5的 焦平面上,前向散射光被位于透鏡焦平面上的環(huán)狀多單元光探測器8所探 測,透射光被位于透鏡焦點(diǎn)上的光探測器9接收,探測器接受的散射光信號 和透射光信號經(jīng)信號放大模塊10放大處理后經(jīng)信號采集與數(shù)據(jù)處理模塊11 進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和內(nèi)部處理得到顆粒的粒度分布和濃度,測量結(jié)果可通過數(shù)據(jù) 傳送接口 13送計(jì)算機(jī)儲存,同時被顯示與控制面板模塊12調(diào)用和顯示。
半導(dǎo)體激光器1輸出的單色光的波長/l,如635納米或650納米,透鏡5的焦距在100—1000毫米之間選取,環(huán)狀多單元探測器由i/個單元(如31 或60)構(gòu)成,如圖2所示,其形狀可為半圓形或者扇形,其某個單元的徑向 尺寸范圍為(^, g),總體尺寸范圍(最小半徑^和最大半徑r^)在0.05
_35毫米之間選取。
環(huán)狀多單元探測器的第J個單元上的散射光能分布&由下式表示
'=1
其中,K(^l,2,…,iV)是顆粒按重量(或者體積)的粒度分布,序號i對應(yīng)的顆
粒粒度為x,。 ^是可理論計(jì)算得到的矩陣元。在測量時,只要測得環(huán)狀多單
元探測器上的散射光能信號Ai7、l,2,…,M),結(jié)合理論計(jì)算矩陣元 ,即可 通過數(shù)值運(yùn)算計(jì)算得到顆粒粒度分布^ (/ = 1,2,…,AO 。
通過測量入射光和透射光強(qiáng)度可得透過率7,再由以下公式計(jì)算可得顆
粒的體積濃度cv。
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中Z為測量區(qū)光程、^為消光系數(shù)由米氏理論計(jì)算、f為顆粒非球形校正
因子根據(jù)待測顆粒設(shè)定數(shù)值。在顆粒密度已知情況下,還可由體積濃度計(jì)算 重量濃度。
以上所述測量原理可編程由嵌入式信號處理系統(tǒng)執(zhí)行,如圖3所示厚樣
品池反傅立葉變換顆粒在線測量裝置信號采集與數(shù)據(jù)處理模塊框圖。
本發(fā)明的可測顆粒的粒度范圍覆蓋0. 3微米到1千微米;可測透過率信
號7t勺范圍為0. 3 — 0. 98,根據(jù)顆粒粒徑可確定顆粒濃度范圍。測量區(qū)為一個長方體樣品池4,其主要尺寸是光在樣品池中傳播長度,
稱作光程。在傳統(tǒng)的反傅立葉變換技術(shù)中,該樣品池的厚度是2毫米左右。 在本發(fā)明中樣品池厚度可達(dá)到30毫米,突破了測量區(qū)光程2毫米的限制。
權(quán)利要求
1、一種厚樣品池反傅立葉變換顆粒在線測量裝置,其特征在于,包括光源模塊、樣品池、探測模塊、嵌入式信號處理模塊,所述模塊集成在一個探針內(nèi),所述光源模塊包括半導(dǎo)體激光器、擴(kuò)束器、針孔濾光器和會聚透鏡;探測模塊包括環(huán)狀多單元探測器和透射光探測器;嵌入式信號處理模塊包括信號放大模塊、信號采集與數(shù)據(jù)處理模塊、顯示與控制面板模塊和數(shù)據(jù)傳送接口;半導(dǎo)體激光器輸出的光束經(jīng)擴(kuò)束器擴(kuò)束、針孔濾光器過濾雜散光后經(jīng)過會聚透鏡形成張角為2-20度的單色會聚同心光束,單色匯聚光照射到位于測量區(qū)的樣品池上,產(chǎn)生散射光和透射光,環(huán)狀多單元光探測器位于會聚透鏡的焦平面上,散射光被位于透鏡焦平面上的環(huán)狀多單元光探測器所探測,透射光被位于透鏡焦點(diǎn)上的光探測器接收,探測器接收的散射光信號和透射光信號經(jīng)信號放大模塊放大處理后經(jīng)信號采集與數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和內(nèi)部處理得到顆粒的粒度分布和濃度,測量結(jié)果可通過數(shù)據(jù)傳送接口送計(jì)算機(jī)儲存,同時被顯示與控制面板模塊調(diào)用和顯示。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述厚樣品池反傅立葉變換顆粒在線測量裝置,其特征 在于,所述環(huán)狀多單元探測器由數(shù)個單元構(gòu)成,其形狀可為半圓形或者扇 形。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述厚樣品池反傅立葉變換顆粒在線測量裝置,其特征 在于,所述會聚透鏡的焦距在IOO — IOOO毫米之間選取。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述厚樣品池反傅立葉變換顆粒在線測量裝置,其特征 在于,所述樣品池為一長方體,厚度可達(dá)到30毫米。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種厚樣品池反傅立葉變換顆粒在線測量裝置,利用會聚的同心單色光照射下顆粒的光散射和吸收特征,同時探測散射光在前向分布信號和入射光透過率信號,由此得到顆粒的粒徑分布和濃度信息。測量裝置集成在一個探針內(nèi),使用嵌入式信號處理系統(tǒng)代替PC系統(tǒng)進(jìn)行信號采集與數(shù)據(jù)處理,具有體積小、測量實(shí)時、工作狀態(tài)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn),適合在線安裝??蓽y量在0.3微米至1千微米之間的顆粒粒徑分布和濃度。厚樣品池允許測量對象順暢流經(jīng)測量區(qū)從而提高采樣準(zhǔn)確性和提高測量精度??s小了測量裝置體積,實(shí)現(xiàn)便攜化,使得本裝置可應(yīng)用于野外作業(yè)和在線測量。
文檔編號G01N15/02GK101504352SQ20091004731
公開日2009年8月12日 申請日期2009年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月10日
發(fā)明者盧進(jìn)燈, 沈建琪 申請人:上海理工大學(xué)