一種納米顆粒粒度測(cè)量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于動(dòng)態(tài)光散射原理的顆粒粒度測(cè)量裝置及方法，特別涉及一種 采用采用相關(guān)算法分析2幅納米顆粒動(dòng)態(tài)光散射信號(hào)圖像的相關(guān)關(guān)系得到納米顆粒粒度 及分布的測(cè)量方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前基于光散射原理的顆粒測(cè)量方法可分成靜態(tài)光散射和動(dòng)態(tài)光散射2類。
[0003] 靜態(tài)光散射測(cè)量方法中最主要的是激光粒度儀，其基本原理是當(dāng)激光入射到被測(cè) 顆粒時(shí)，顆粒會(huì)散射入射激光，其散射光能的空間分布與顆粒的大小有關(guān)，測(cè)量其散射光能 的空間分布，然后應(yīng)用光散射理論和反演算法可W獲得被測(cè)顆粒的粒度分布。在該種測(cè)量 方法及基于該方法發(fā)展的激光粒度儀中，因?yàn)橹豢紤]顆粒的散射光強(qiáng)與顆粒大小的關(guān)系， 所W稱為靜態(tài)光散射法測(cè)量。受靜態(tài)光散射原理的限制，該種方法不能測(cè)量納米顆粒的粒 度。
[0004] 動(dòng)態(tài)光散射測(cè)量原理是基于納米顆粒在液體中的布朗運(yùn)動(dòng)，當(dāng)一束激光入射到息 浮的納米顆粒溶液時(shí)，由于納米顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)，致使其散射光會(huì)發(fā)生脈動(dòng)，其脈動(dòng)頻率的 高低與顆粒的擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)，而擴(kuò)散系數(shù)A與顆粒的粒度大小有關(guān)，顆粒的擴(kuò)散與粒度的 關(guān)系可W用Stocks-Einstein公式描述： 〇T 二'Z J ( 1) 3mjd 式中每是波爾茨曼常數(shù)，7是絕對(duì)溫度，是粘度，〇愛(ài)待測(cè)顆粒的粒度。
[0005] 基于該理論已發(fā)展的多種動(dòng)態(tài)光散射納米顆粒粒度測(cè)量方法，其中最主要的是光 子相關(guān)光譜法化oton correlation spectroscopy,簡(jiǎn)稱PCS。經(jīng)典的PCS納米顆粒粒度方 法在入射光90度方向用1個(gè)光電倍增管或雪崩二極管測(cè)量其散射光脈沖，采用相關(guān)器處理 數(shù)據(jù)，得到顆粒的擴(kuò)散系數(shù)巧，然后根據(jù)上述理論得到納米顆粒的粒度分布。該種測(cè)量方法 已有許多年的歷史，是目前納米顆粒測(cè)量的最主要方法，但仍存在一些不足，如為得到足夠 的顆粒信息，采樣時(shí)間要求很長(zhǎng)，儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求被測(cè)顆粒濃度極低，造成樣品制備困 難等。
[0006] 專利W02010/149887改進(jìn)了該測(cè)量方法，采用后向180度角測(cè)量納米顆粒的后向 散射光，并改用光纖入射和接收測(cè)量光，可W測(cè)量高濃度的納米顆粒。
[0007] 由于納米顆粒的散射光強(qiáng)較弱，為得到足夠強(qiáng)度的信號(hào)，必須采用較大功率的激 光器。日本化ima化U公司提出了一種新的納米顆粒測(cè)量方法及儀器IG-1000 Particle Size Analyzer。在該種方法中，光敏探測(cè)器件不是測(cè)量納米顆粒的散射光，而是先用梳狀 電極產(chǎn)生的電場(chǎng)將被測(cè)納米顆粒形成光柵，將一束激光入射到該光柵，測(cè)量其衍射光。然后 去掉電場(chǎng)，顆粒會(huì)發(fā)生擴(kuò)散，此時(shí)再測(cè)量衍射光的變化過(guò)程，將測(cè)量數(shù)據(jù)處理后得到顆粒的 粒度分布。
[0008] 專利GB2318889 (NanoSi曲t)提出了一種根據(jù)納米顆粒布朗運(yùn)動(dòng)軌跡跟S示測(cè)量每 個(gè)納米顆粒粒度的方法。在該方法中，樣品池的一半底面鍛上極薄的金屬層，另一半透明 樣品池底面不鍛膜，匯聚激光束從樣品池的從側(cè)面入射到樣品池鍛膜區(qū)與不鍛膜去的邊界 間，被測(cè)顆粒在激光照射下受衍射效應(yīng)和等離子諧振作用會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)散射光，被在入射光 90度角用顯微物鏡接收。由于顆粒作布朗運(yùn)動(dòng)，激光照射下顆粒作布朗運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的散射 光會(huì)隨機(jī)漂移，用帶有CCD相機(jī)的數(shù)字顯微物鏡記錄每個(gè)顆粒動(dòng)態(tài)散射的隨機(jī)漂移運(yùn)動(dòng)軌 跡，即被測(cè)納米顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)軌跡，就可W根據(jù)Stocks-Einstein公式（1)得到每個(gè)顆粒 的粒度。
[0009] 中國(guó)發(fā)明專利ZL 2011 1 0064276. 2提出了一種采用面陣光敏元件測(cè)量納米顆 粒動(dòng)態(tài)光散射信號(hào)的空間分布來(lái)獲得納米顆粒粒度的方法，在該方法中首先連續(xù)拍攝納米 顆粒動(dòng)態(tài)光散射信號(hào)空間分布的多幅圖像，將獲得的圖像劃分網(wǎng)格，再將連續(xù)采集獲得的 圖像中相應(yīng)網(wǎng)格的信號(hào)構(gòu)成時(shí)間序列信號(hào)，得到N個(gè)脈動(dòng)信號(hào)序列，對(duì)該N個(gè)脈動(dòng)信號(hào)序 列進(jìn)行分析處理，得到納米顆粒的粒度。為得到準(zhǔn)確的結(jié)果，該方法需要連續(xù)拍攝數(shù)千幅圖 像，耗時(shí)較長(zhǎng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的目的是為了減少測(cè)量時(shí)間，提供一種僅根據(jù)2幅圖像間相關(guān)性測(cè)量納米 顆粒粒度的裝置和測(cè)量方法。
[0011] 本發(fā)明的基本原理；當(dāng)激光入射到被測(cè)納米顆粒樣品時(shí)，所有照射到的顆粒都會(huì) 發(fā)生散射，并且散射光隨顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)發(fā)生脈動(dòng)，即動(dòng)態(tài)光散射信號(hào)。該些顆粒的動(dòng)態(tài)散 射光信號(hào)形成空間分布，采用面陣光敏器件相機(jī)，如CCD或CMOS相機(jī)或攝像機(jī)W間隔時(shí)間 A X拍攝2幅納米顆粒的動(dòng)態(tài)散射光信號(hào)的空間分布圖像。由于面陣光敏器件，如CCD或 CMOS有數(shù)W百萬(wàn)計(jì)的像素，一幅圖像就紀(jì)錄了眾多納米顆粒的動(dòng)態(tài)光散射信號(hào)的空間分 布。由于布朗運(yùn)動(dòng)，納米顆粒始終處于不停的運(yùn)動(dòng)中，致使2幅圖像獲得的動(dòng)態(tài)光散射信號(hào) 的分布是不同的。納米顆粒粒度越小，布朗運(yùn)動(dòng)越劇烈，2幅圖像獲得的動(dòng)態(tài)光散射信號(hào)的 分布差異也越大，即相關(guān)性越小。納米顆粒粒度越大，布朗運(yùn)動(dòng)越緩慢，2幅圖像獲得的動(dòng)態(tài) 光散射信號(hào)的分布差異越小，即相關(guān)性越大。因此，分析2幅圖像的相關(guān)性，根據(jù)動(dòng)態(tài)光散 射理論就可W得到納米顆粒的粒度。
[0012] 基于上述的發(fā)明原理，本發(fā)明的技術(shù)方案是；一種納米顆粒粒度測(cè)量裝置，其特點(diǎn) 是，該測(cè)量裝置由激光源、第一透鏡、樣品池、第二透鏡、面陣光敏器件和計(jì)算機(jī)構(gòu)成，激光 源發(fā)出的激光束經(jīng)第一透鏡匯聚后照射到樣品池中的納米顆粒，在入射激光照射下樣品池 中作布朗運(yùn)動(dòng)的顆粒產(chǎn)生動(dòng)態(tài)光散射信號(hào)，該些顆粒的動(dòng)態(tài)光散射信號(hào)經(jīng)過(guò)第二透鏡后匯 聚，被布置在透鏡焦面上的面陣光敏器件相機(jī)W A X時(shí)間間隔記錄，獲得2幅納米顆粒運(yùn) 動(dòng)的動(dòng)態(tài)光散射信號(hào)圖像信號(hào)輸送到計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)采用相關(guān)算法計(jì)算該2幅圖像的相 關(guān)系數(shù)，根據(jù)相關(guān)系數(shù)的大小，確定納米顆粒的粒度。
[0013] 根據(jù)上述的納米顆粒粒度測(cè)量裝置，所述的透鏡后還置有半透半反棱鏡，針對(duì)所 述的半透半反棱鏡的第一出射面B和第二出射面C分別置有第一面陣光敏器件相機(jī)和第二 面陣光敏器件相機(jī)，激光源發(fā)出的激光束先經(jīng)第一透鏡匯聚后入射到樣品池，其顆粒的動(dòng) 態(tài)散射光經(jīng)第二透鏡匯聚后進(jìn)入半透半反棱鏡入射面A，然后分別在第一出射面B和第二 出射面C被第一面陣光敏器件相機(jī)和第二面陣光敏器件相機(jī)接收，第一面陣光敏器件相機(jī) 和第二面陣光敏器件相機(jī)接收到的納米顆粒運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)光散射圖像信號(hào)同時(shí)送到計(jì)算機(jī)， 經(jīng)處理后得到第一幅圖像信號(hào)，由計(jì)算機(jī)再控制第一面陣光敏器件和第二面陣光敏器件W 時(shí)間間隔A X分別拍攝，獲得第二幅圖像；由計(jì)算機(jī)采用相關(guān)算法計(jì)算該兩幅圖像的相關(guān) 系數(shù)，根據(jù)相關(guān)系數(shù)的大小，確定納米顆粒的粒度。
[0014] 一種利用上述裝置的納米顆粒粒度的測(cè)量方法，其特征在于，該方法步驟為： (1) 將由激光光源發(fā)出的激光束經(jīng)匯聚透鏡匯聚后入射到樣品池，樣品 池中加有被測(cè)納米顆粒，納米顆粒會(huì)對(duì)入射激光產(chǎn)生散射，由于布朗運(yùn)動(dòng)，該些散射光 斑是隨機(jī)漲落的； (2) 用面陣光敏器件相機(jī)W間隔時(shí)間為A X拍攝2幅納米顆粒的動(dòng)態(tài)光散射圖像，拍 攝圖像的間隔時(shí)間A X根據(jù)被測(cè)納米顆粒的粒度調(diào)整，從微砂到毫砂； (3) 然后采用2維相關(guān)算法對(duì)2幅圖像的相關(guān)性進(jìn)行分析，得到相關(guān)系 數(shù)G(A T); (4) 根據(jù)動(dòng)態(tài)光散射的自相關(guān)函數(shù)
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種納米顆粒粒度測(cè)量裝置，其特點(diǎn)是，該測(cè)量裝置由激光源（1)、第一透鏡（2)、樣 品池（3)、第二透鏡（4)、面陣光敏器件（5)和計(jì)算機(jī)（6)構(gòu)成，激光源（1)發(fā)出的激光束經(jīng) 第一透鏡（2)匯聚后照射到樣品池（3)中的納米顆粒，在入射激光照射下樣品池（3)中作布 朗運(yùn)動(dòng)的顆粒產(chǎn)生動(dòng)態(tài)光散射信號(hào)，這些顆粒的動(dòng)態(tài)光散射信號(hào)經(jīng)過(guò)第二透鏡（4)后匯聚， 被布置在透鏡焦面上的面陣光敏器件相機(jī)（5)以At時(shí)間間隔記錄，獲得2幅納米顆粒運(yùn) 動(dòng)的動(dòng)態(tài)光散射信號(hào)圖像信號(hào)輸送到計(jì)算機(jī)（6)，由計(jì)算機(jī)（6)采用相關(guān)算法計(jì)算這2幅圖 像的相關(guān)系數(shù)，根據(jù)相關(guān)系數(shù)的大小，確定納米顆粒的粒度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米顆粒粒度測(cè)量裝置，其特征在于，所述的第二透鏡（4)后 還置有半透半反棱鏡（7)，針對(duì)所述的半透半反棱鏡（7)的第一出射面B和第二出射面C分 別置有第一面陣光敏器件相機(jī)（5)和第二面陣光敏器件相機(jī)（8)，激光源（1)發(fā)出的激光束 先經(jīng)第一透鏡（2)匯聚后入射到樣品池（3)，其顆粒的動(dòng)態(tài)散射光經(jīng)第二透鏡匯聚后進(jìn)入 半透半反棱鏡入射面A，然后分別在第一出射面B和第二出射面C被第一面陣光敏器件相 機(jī)（5 )和第二面陣光敏器件相機(jī)（8 )接收，由計(jì)算機(jī)控制第一面陣光敏器件相機(jī)（5 )和第二 面陣光敏器件相機(jī)（8)以時(shí)間間隔At分別拍攝，獲得二幅圖像，送入計(jì)算機(jī)（6);由計(jì)算 機(jī)（6)采用相關(guān)算法計(jì)算這兩幅圖像的相關(guān)系數(shù)，根據(jù)相關(guān)系數(shù)的大小，確定納米顆粒的粒 度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的納米顆粒粒度測(cè)量裝置，其特征在于，納米顆粒粒度測(cè)量 裝置，其特征在于，所述的面陣光敏器件相機(jī)為CCD或CMOS相機(jī)。
4. 一種利用上述裝置的納米顆粒粒度的測(cè)量方法，其特征在于，該方法步驟為： (1) 將由激光光源發(fā)出的激光束經(jīng)匯聚透鏡匯聚后入射到樣品池，樣品池中加有被測(cè) 納米顆粒，納米顆粒會(huì)對(duì)入射激光產(chǎn)生散射，由于布朗運(yùn)動(dòng)，這些散射光斑是隨機(jī)漲落的； (2) 用面陣光敏器件相機(jī)以間隔時(shí)間為At拍攝2幅納米顆粒的動(dòng)態(tài)光散射圖像，拍 攝圖像的間隔時(shí)間At根據(jù)被測(cè)納米顆粒的粒度調(diào)整，從微秒到毫秒； (3)然后采用2維相關(guān)算法對(duì)2幅圖像的相關(guān)性進(jìn)行分析，得到相關(guān)系數(shù)G( At); (4) 根據(jù)動(dòng)態(tài)光散射的自相關(guān)函數(shù)
式中，r為衰減線寬，t為衰減時(shí)間 以及Stocks-Einstein公式
式中，&是波爾茲曼常數(shù)，r為熱力學(xué)溫度，為分散介質(zhì)的動(dòng)力粘度，d是被測(cè)納米 顆粒的粒度； 衰減線寬r與表征顆粒布朗運(yùn)動(dòng)的擴(kuò)散系數(shù)dt以及散射矢量g存在如下關(guān)系：
散射矢量7與散射角〃以及光波波長(zhǎng)的關(guān)系為：
式中，〃為散射角，是面陣光敏器件相機(jī)中心到測(cè)量區(qū)連線與入射光軸線的夾角，為已 知值;A為光波在真空中的波長(zhǎng);W為分散介質(zhì)的折射率； 將AT代入式（1)中的T，以及相關(guān)系數(shù)G(AT)，由式（1)得到衰減線寬r，再由式 (3)、式（4)和式（2)，由求得的相關(guān)系數(shù)G(At)和已知的測(cè)量時(shí)間間隔At以及溫度T等已知參數(shù)就可以求得Dt; (5)根據(jù)求得的Dt，由式（2)可得到納米顆粒的粒度A
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種納米顆粒粒度測(cè)量裝置及方法，裝置由激光源、樣品池、透鏡、面陣光敏器件和計(jì)算機(jī)構(gòu)成，激光源發(fā)出的激光束匯聚后照射到樣品池中的納米顆粒，在入射激光照射下樣品池中作布朗運(yùn)動(dòng)的顆粒產(chǎn)生動(dòng)態(tài)光散射信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)過(guò)透鏡后匯聚，被布置在透鏡焦面上的面陣光敏器件相機(jī)以Δτ時(shí)間間隔記錄，獲得2幅納米顆粒運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)光散射信號(hào)圖像信號(hào)輸送到計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)采用相關(guān)算法計(jì)算這2幅圖像的相關(guān)系數(shù)，根據(jù)相關(guān)系數(shù)的大小，確定納米顆粒的粒度。本發(fā)明的有益效果是極大減少測(cè)量時(shí)間，測(cè)量時(shí)間可以達(dá)到微秒級(jí)，數(shù)據(jù)處理過(guò)程簡(jiǎn)單，耗時(shí)短，總的測(cè)量時(shí)間可以在毫秒級(jí)或微秒級(jí)時(shí)間內(nèi)完成。
【IPC分類】G01N15-02
【公開(kāi)號(hào)】CN104568683
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410819152
【發(fā)明人】蔡小舒, 周騖, 劉麗麗
【申請(qǐng)人】上海理工大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2014年12月25日