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    重庆时时彩平台赠送彩金: 一种基于近场散射的颗粒粒度测量装置及方法.pdf

    关 键 词:
    一种 基于 近场 散射 颗粒 粒度 测量 装置 方法
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    摘要
    申请专利号:

    CN201510119862.0

    申请日:

    2015.03.18

    公开号:

    CN104697906A

    公开日:

    2015.06.10

    当前法律状态:

    撤回

    有效性:

    无权

    法律详情: 发明专利申请公布后的视为撤回IPC(主分类):G01N 15/02申请公布日:20150610|||实质审查的生效IPC(主分类):G01N 15/02申请日:20150318|||公开
    IPC分类号: G01N15/02 主分类号: G01N15/02
    申请人: 东南大学
    发明人: 许传龙; 谭浩; 张彪
    地址: 210096江苏省南京市四牌楼2号
    优先权:
    专利代理机构: 江苏永衡昭辉律师事务所32250 代理人: 王斌
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201510119862.0

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2018.03.02|||2015.07.08|||2015.06.10

    法律状态类型:

    发明专利申请公布后的视为撤回|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明公开了一种基于近场散射的颗粒粒度测量装置及方法,其中测量装置包括激光器、空间滤波器、准直透镜、透镜组、CCD相机以及计算机,激光器用于发出相干光束;空间滤波器对激光器发出的相干光速进行滤除并得到高斯光束;准直透镜用于将高斯光束转换成直光束;透镜组用于设定焦距,将距离测量区域Z处的散斑进行成像; CCD相机用于采集透镜组成像的近场散斑图像;计算机对CCD相机采集的近场散斑图像进行处理得到颗粒粒度分布。与现有技术相比,本发明在无需添加去除中心光强的复杂装置的情况下,使系统设备简单,可以实现被测颗粒粒度及分布的测量;不需要任何角分辨检测,扩展了散射角范围,实现了纳米颗粒粒度测量。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  一种基于近场散射的颗粒粒度图像采集装置,其特征在于:包括激光器、 空间滤波器、准直透镜、透镜组以及CCD相机,所述空间滤波器位于所述激光 器的输出光路上,所述准直透镜位于所述空间滤波器的输出光路上,在所述准直 透镜的后端依次设置所述的透镜组和CCD相机,所述透镜组的像平面在所述 CCD相机的靶面上。

    2.  根据权利要求1所述的一种基于近场散射的颗粒粒度图像采集装置,其 特征在于:所述的激光器为连续发光的He-Ne激光器。

    3.  一种基于近场散射的颗粒粒度测量装置,其特征在于:包括激光器、空 间滤波器、准直透镜、透镜组、CCD相机以及计算机,所述的激光器用于发出 相干光束;所述空间滤波器对所述激光器发出的相干光速进行滤除并得到高斯光 束;所述准直透镜用于将所述高斯光束转换成直光束;所述透镜组用于设定焦距, 将距离测量区域Z处的散斑进行成像;所述CCD相机用于采集所述透镜组成像 的近场散斑图像;所述计算机对所述CCD相机采集的近场散斑图像进行处理得 到颗粒粒度分布。

    4.  根据权利要求3所述的一种基于近场散射的颗粒粒度测量装置,其特征 在于:所述计算机对近场散斑图像进行处理的具体方法是:把采集获得的每帧近 场散斑图像转换为灰度值矩阵,并对采集到的N帧独立的图像作归一化处理, 得到无量纲的近场散斑强度;对归一化后的近场散斑强度进行快速傅里叶变化, 得到近场散斑强度的功率谱;通过近场散斑强度的功率得到包含颗粒粒度信息的 散射光强度;再根据Mie散射理论反演出颗粒粒度分布。

    5.  根据权利要求3或4所述的一种基于近场散射的颗粒粒度测量装置,其 特征在于:所述的激光器为连续发光的He-Ne激光器。

    6.  一种采用权利要求3所述的一种基于近场散射的颗粒粒度测量装置测量 颗粒粒度的方法,其特征在于,包括如下步骤:
    步骤一、激光器发出的相干光束照射含有颗粒的待测溶液,CCD相机采集 距离测量区域Z处的由透射光和散射光干涉形成的散斑图像I(x,y);
    I ( x , y ) = I 0 + 2 Re [ E 0 E s * ( x , y ) ] - - - ( 1 ) ]]> 式中,I0是透射光强度,E0是透射光场,Es是散射光场,Re表示取实部运算,* 号是取共轭运算,x,y代表的是数字图像上像素点的排列序号,Z的选取必须满 足特征数D*=2Z·NA<D,NA是透镜的数值孔径,D是相干光源的光束尺寸;
    步骤二、将CCD相机采集的N帧散斑图像I1(x,y)、I2(x,y)……IN(x,y)作归 一化处理:
    首先对采集的一系列的散斑图像I1(x,y)、I2(x,y)……IN(x,y)做平均,得到平 均光强:
    I &OverBar; ( x , y ) = 1 N Σ i = 1 N I i ( x , y ) - - - ( 2 ) ]]>
    然后,归一化得到散斑强度的归一化值i(x,y),
    i ( x , y ) = I 1 ( x , y ) - I &OverBar; ( x , y ) I &OverBar; ( x , y ) - - - ( 3 ) ]]>
    步骤三、对步骤二获得的归一化强度值选取图像尺寸为m×n的区域进行快 速傅里叶变换得到功率谱值S(qx,qy):
    S ( q x , q y ) = | FFYT ( i ( x , y ) ) | 2 = | 1 m 1 m Σ x = 0 m - 1 Σ y = 0 n - 1 i ( x , y ) e - i ( q x x m + q y y n ) | 2 - - - ( 4 ) ]]> 式中,FFT表示快速傅里叶变换算子,与空间频率有关的傅里叶向 量, q x = 2 π f x = 2 π x mΔx , q y = 2 π f y = 2 π y nΔy , ]]>Δx为CCD横向像素尺寸, Δy为纵向像素尺寸;
    步骤四、对步骤三得到的散斑强度的功率谱按平均得到平均功率 谱S(q),其中S(q)为内径为q外径为q+Δq的圆环内各值的平均值;根据平均功 率谱S(q)计算散射光强Is(Q):
    Is(Q)=S(q)=<S(qx,qy)>q   (5) 式中,<…)表示求平均值运算,表示散射传递波矢,定义为散射波矢和入射波 矢之差,射传递波矢模量 Q = 2 k [ 1 - 1 - ( q / k ) 2 ] 2 = 4 π λ sin ( θ / 2 ) , ]]>θ为散射角,λ为激光器波长;
    散射传递波矢模量Q的范围具体计算公式如下:
    [ Q min , Q max ] = [ 2 π L , 4 π λ sin ( θ max / 2 ) ] - - - ( 6 ) ]]> 其中,M表示透镜的放大倍率,θmax=arcsin(NA);
    步骤五、根据步骤四得到的散热光强度,利用对式(7)积分方程采用反演算 法得到被测溶液的粒径分布:
    I s ( Q ) = I Mie ( Q , R ) [ M ( R ) ] - 1 W ( R ) dR - - - ( 7 ) ]]> 式中,IMie(Q,R)是半径为R的颗粒在散射传递波失大小为Q时Mie散射光强, M(R)是颗粒的质量(M(R)=(4/3)ρπR3,ρ为颗粒密度),W(R)即需要反演出的 粒径分布。

    说明书

    说明书一种基于近场散射的颗粒粒度测量装置及方法
    技术领域
    本发明属于颗粒粒度测量技术领域,具体涉及一种基于近场散射的颗粒粒度 测量装置及方法。
    背景技术
    随着社会文明的进步、科学技术的快速发展,颗粒问题在工业、农业、医学、 科研及环境等领域中越来越受到关注??帕A6燃胺植际悄壳翱帕2饬康闹饕?容之一。在测量颗粒粒度的众多方法中,光散射法以其适用性强、粒度测量范围 宽、测量重复性好、快速实时、自动化和智能化程度高、干扰因素少、在线测量 等因而得到充分重视,是目前应用最广泛和最有发展前景的颗粒测量技术。
    常见的光散射测量方法主要有动态光散射法和小角静态光散射法。动态光散 射法是通过在不同方向上建立散射光强度与时间的关联从而得到待测颗粒粒度 及分布,这种方法所需要的物理参数少,但对实验装置技术性能要求高,并且价 格昂贵。小角静态光散射法是通过测量远场的散射光强度从而反演出颗粒粒度及 分布,但是这种方法存在一些限制,其中最大的缺点是中心光强的去除需要光路 上严格对准,而且周围杂散光的存在需要进行空白测量,使装置更复杂,测量精 度降低,稳定性不高。
    发明内容
    技术问题:本发明针对小角散射技术测量颗粒粒度时易受杂散光影响、装置 复杂、稳定性低等缺点,提出一种区别于传统小角散射颗粒粒度测量技术的近场 散射方法及装置测量颗粒粒度及分布。
    技术方案:一种基于近场散射的颗粒粒度测量装置,其特征在于:包括激光 器、空间滤波器、准直透镜、透镜组、CCD相机以及计算机,所述的激光器用 于发出相干光束;所述空间滤波器对所述激光器发出的相干光速进行滤除并得到 高斯光束;所述准直透镜用于将所述高斯光束转换成直光束;所述透镜组用于设 定焦距,将距离测量区域Z处的散斑进行成像;所述CCD相机用于采集所述透 镜组成像的近场散斑图像;所述计算机对所述CCD相机采集的近场散斑图像进 行处理得到颗粒粒度分布。
    所述计算机对近场散斑图像进行处理的具体方法是:把采集获得的每帧近场 散斑图像转换为灰度值矩阵,并对采集到的N帧独立的图像作归一化处理,得 到无量纲的近场散斑强度;对归一化后的近场散斑强度进行快速傅里叶变化,得 到近场散斑强度的功率谱;通过近场散斑强度的功率得到包含颗粒粒度信息的散 射光强度;再根据Mie散射理论反演出颗粒粒度分布。
    所述的激光器为连续发光的He-Ne激光器。
    一种基于近场散射的颗粒粒度测量装置测量颗粒粒度的方法,其特征在于, 包括如下步骤:
    步骤一、激光器发出的相干光束照射含有颗粒的待测溶液,CCD相机采集 距离测量区域Z处的由透射光和散射光干涉形成的散斑图像I(x,y);
    I ( x , y ) = I 0 + 2 Re [ E 0 E s * ( x , y ) ] - - - ( 1 ) ]]>
    式中,I0是透射光强度,E0是透射光场,Es是散射光场,Re表示取实部运算,* 号是取共轭运算,x,y代表的是数字图像上像素点的排列序号,Z的选取必须满 足特征数D*=2Z·NA<D,NA是透镜的数值孔径,D是相干光源的光束尺寸;
    步骤二、将CCD相机采集的N帧散斑图像I1(x,y)、I2(x,y)……IN(x,y)作归 一化处理:
    首先对采集的一系列的散斑图像I1(x,y)、I2(x,y)……IN(x,y)做平均,得到平 均光强:
    I &OverBar; ( x , y ) = 1 N Σ i = 1 N I i ( x , y ) - - - ( 2 ) ]]>
    然后,归一化得到散斑强度的归一化值i(x,y),
    i ( x , y ) = I 1 ( x , y ) - I &OverBar; ( x , y ) I &OverBar; ( x , y ) - - - ( 3 ) ]]>
    步骤三、对步骤二获得的归一化强度值选取图像尺寸为m×n的区域进行快 速傅里叶变换得到功率谱值S(qx,qy):
    S ( q x , q y ) = | FFT ( i ( x , y ) ) | 2 = | 1 m 1 n Σ x = 0 m - 1 Σ y = 0 n - 1 i ( x , y ) e - i ( q x x m + q y y n ) | 2 - - - ( 4 ) ]]>
    式中,FFT表示快速傅里叶变换算子,与空间频率有关的傅里叶向 量, q x = 2 π f x = 2 x mΔx , q y = 2 πf y = 2 π y nΔy , ]]>Δx为CCD横向像素尺寸, Δy为纵向像素尺寸;
    步骤四、对步骤三得到的散斑强度的功率谱按平均得到平均功率 谱S(q),其中S(q)为内径为q外径为q+Δq的圆环内各值的平均值;根据平均功 率谱S(q)计算散射光强Is(Q):
    Is(Q)=S(q)=<S(qx,qy)>q   (5)
    式中,<…>表示求平均值运算,表示散射传递波矢,定义为散射波矢和入射波 矢之差,散射传递波矢模量 Q = 2 k [ 1 - 1 - ( q / k ) 2 ] 2 = 4 π λ sin ( θ / 2 ) , ]]>θ为散射角,λ为激光器波长;
    散射传递波矢模量Q的范围具体计算公式如下:
    [ Q min , Q max ] = [ 2 π L , 4 π λ sin ( θ max / 2 ) ] - - - ( 6 ) ]]>
    其中,M表示透镜的放大倍率,θmax=arcsin(NA);
    步骤五、根据步骤四得到的散热光强度,利用对式(7)积分方程采用反演算 法得到被测溶液的粒径分布:
    Is(Q)=∫IMie(Q,R)[M(R)]-1W(R)dR   (7)
    式中,IMie(Q,R)是半径为R的颗粒在散射传递波失大小为Q时Mie散射光强, M(R)是颗粒的质量(M(R)=(4/3)ρπR3,ρ为颗粒密度),W(R)即需要反演出的 粒径分布。
    本发明基于近场散射光学原理,提出一种基于近场散射的颗粒粒度测量方法 及装置,其基本思路为:激光器发出相干光束,经由空间滤波器,滤除大部分由 激光器产生的杂散光,再由透镜组的准直透镜,对激光进行准直,准直光束照射 待测溶液发生散射,然后调节测量区域后的透镜焦距,使得距离测量区域Z处 的透射光与散射光的叠加所成的散斑图像,经透镜组,被CCD相机所记录,最 后CCD相机采集的近场散斑图像经由所述计算机处理得到待测颗粒粒度分布, 完成一次测量。
    有益效果:传统的小角散射技术在被测对象散射的远场获取散射光强度,并 且采用光学装置实现传感器位置和散射角的一对一映射。然而,近场散射技术在 被测对象散射的近场处获取散射光强度,不需要任何角分辨检测。采用近场散射 最终得到的散射光强度和传统小角散射的具有一致性,但近场光散射测量装置简 单紧凑、精度高、易消除杂散光的影响,是小角散射技术的一种很好的替代方法。
    近场散射颗粒粒度测量技术无需去除中心光强的复杂装置的情况下,使系统 设备简单,可以实现被测对象粒度的测量;扩展散射角范围,使得其可以测量纳 米颗粒粒度,并且克服了光学系统中的杂散光对散射光强的影响,提高了测量精 度;在图像处理算法中可去除近场散斑中杂散光成分,因此对使用环境的要求低。
    附图说明
    图1为本发明所述基于近场散射的颗粒粒度测量装置的结构示意图;
    图2为散斑图像的功率谱求解平均值方法示意图。
    其中,激光器1、空间滤波器2、准直透镜3、透镜组4、CCD相机5、计算 机6。
    具体实施方式
    下面结合附图和具体实施例,进一步阐明本发明。应理解这些实施例仅用于 说明本发明而不用于限制本发明的范围,在阅读了本发明之后,本领域技术人员 对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
    本发明的工作原理:激光器发出相干光束,经由空间滤波器,滤除大部分由 激光器产生的杂散光,再由准直透镜,对激光进行准直,准直光束照射待测溶液, 因颗粒的存在而发生散射,然后调节测量区域后的透镜焦距,使得距离测量区域 Z处的透射光与散射光的叠加所成的散斑图像,被CCD相机所记录,最后所述 CCD相机采集的近场散斑图像经由所述计算机处理得到颗粒粒度分布
    如图1所示,本发明所述基于近场散射的颗粒粒度测量装置主要包括激光器 1、空间滤波器2、准直透镜3、透镜组4、CCD相机5、计算机6。光源可采用 连续激光器线光源1(如He-Ne激光器1,波长为632.8nm,光束尺寸D~10mm)。 透镜组2为普通光学镜头(如透镜放大倍数40x,NA~0.65,具体参数可以根据实 验需求进行选择)。CCD相机5通过信号电缆与计算机6相连。在计算机6内的 图像数据处理软件的控制下,可完成图像采集、存储与处理等整体协调。
    结合图1,下面结合长2mm,壁厚1mm的方管内待测溶液颗粒粒度测量, 以He-Ne激光器(λ~632.8nm,D~10mm)为光源,放大倍数M=20的透镜(NA~0.5), 12位的CCD相机(UI-2230SE,1024×768pixel,pixel size Δl~4.65μm,frame  rate~80fps),对本发明的工作过程及图像处理流程具体说明:
    步骤一、CCD相机采样平面距离方管Z=1.5mm (D*=2Z·NA=2×1.5mm×0.5=1.5mm<D=10mm,满足近场散射条件。)调整CCD 相机位置,使得镜头聚焦在采样平面上。激光器发出的相干光束照射含有颗粒的 待测溶液,由于光的散射作用,CCD相机采集距离测量区域Z处的由透射光和 散射光干涉形成的散斑图像,并传输到计算机上进行存储和处理。设定CCD相 机每隔Δt=1s拍摄一次图像,拍摄N=60帧,总的测量时间T=N×Δt=60s。
    步骤二、将CCD相机采集的N帧散斑图像I1(x,y)、I2(x,y)……IN(x,y)作归 一化处理。首先对采集的一系列的散斑图像I1(x,y)、I2(x,y)……IN(x,y)做平均, 得到平均光强。
    I &OverBar; ( x , y ) = 1 N Σ i = 1 N I i ( x , y ) - - - ( 1 ) ]]>
    然后归一化得到散斑强度的归一化值i(x,y)。
    i ( x , y ) = I 1 ( x , y ) - I &OverBar; ( x , y ) I &OverBar; ( x , y ) - - - ( 2 ) ]]>
    式中x,y代表的是数字图像上像素点的排列序号。
    步骤三、对步骤二获得的归一化强度值选取图像尺寸为m×n的区域进行快 速傅里叶变换得到功率谱值S(qx,qy)。
    S ( q x , q y ) = | FFT ( i ( x , y ) ) | 2 = | 1 m 1 n Σ x = 0 m - 1 Σ y = 0 n - 1 i ( x , y ) e - i ( q x x m + q y y n ) | 2 - - - ( 3 ) ]]>
    式中,FFT表示快速傅里叶变换算子,与空间频率有关的傅里叶向 量, q x = 2 π f x = 2 x mΔx , q y = 2 πf y = 2 π y nΔy . ]]>Δx为CCD横向像素尺寸, Δy为纵向像素尺寸。具体计算结果如下:
    q x = 2 π f x = 2 π x mΔx = 1.76 × 10 - 3 x μm - 1 , q y = 2 π f y = 2 π y nΔy = 1.76 × 10 - 3 m - 1 . ]]>
    步骤四、对步骤三得到的散斑强度的功率谱按平均得到平均功率 谱S(q)。具体操作如图2所示,选取内径为q外径为q+Δq的圆环内各值的平均 值代表q对应的S(q)。二维近场散斑强度分布的功率谱包含着散射光强的信息, 并且平均能量谱S(q)和散射光强Is(Q)存在等价关系。即
    Is(Q)=S(q)=<S(qx,qy)>q   (4)
    式中,<…>表示求平均值运算。表示散射传递波矢,定义为散射波矢和入射波 矢之差,散射传递波矢模量 Q = 2 k [ 1 - 1 - ( q / k ) 2 ] 2 = 4 π λ sin ( θ / 2 ) , ]]>θ为散射角,λ为激光器波长。
    散射传递波矢模量Q的范围具体计算结果如下:
    [ Q min , Q max ] = [ 2 π L , 4 π λ sin ( θ max / 2 ) ] = [ 3.52 × 10 - 2 μm - 1 , 5.14 μm - 1 ] - - - ( 5 ) ]]>
    其中,θmax=arcsin(NA)=arcsin0.5=30°。
    步骤五、实验测量的散射光强度包含着颗粒的粒径信息,对式(7)积分方程 采用反演算法就可得到被测溶液的粒径分布。
    Is(Q)=∫IMie(Q,R)[M(R)]-1W(R)dR   (6)
    式中,IMie(Q,R)是半径为R的颗粒在散射传递波失大小为Q时Mie散射光强, M(R)是颗粒的质量(M(R)=(4/3)ρπR3,ρ为颗粒密度),W(R)即需要反演出的 粒径分布。

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