[发明专利]一种基于光散射的湿性颗粒形状参数在线测量系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于光学测量领域，具体涉及一种湿性颗粒的形状参数的在线测量装置及应用该装置的测量方法。

背景技术

颗粒的形状参数（包括粒径）是颗粒几何特性中最为重要的参数，在海洋微生物探测、环境监测、医药、化工等众多领域有广泛的应用。

传统的测量颗粒形状参数的方法有直接观察法、沉降法、筛分法等。随着激光技术、光电探测技术和计算机技术的发展，基于光散射原理的颗粒粒度测量方法得到了极大发展。用激光散射法测量颗粒粒度，具有可测粒径范围宽、操作方便、响应速度快等优势，已被广泛应用于海洋微生物探测、环境监测、医药、化工等众多领域。

目前介于微米和亚微米的光散射式粒度测量方法主要有动态光散射法和静态光散射法。

动态光散射法通过测量颗粒在某一角度下的散射光强度随时间的变化，由面阵数字相机或摄像机连续记录颗粒的动态光散射信号；或是控制相机的快门速度，拍摄颗粒布朗运动造成的散射光点的运动轨迹线，并送入计算机，根据颗粒的布朗运动理论和Stocks-Einstein公式进行处理，得到颗粒的粒度分布。该方法的测量下限可达纳米级，上限3～5微米，测量范围不够宽，仅能得到颗粒的流体力学半径，不能得到颗粒形状等参数。

静态光散射法通过测量颗粒的静态散射光强分布，根据Mie理论进行处理，得到颗粒的粒度分布，测量范围在亚微米到数百微米。已有的大角度散射光强分布测量装置有两大类型：一种是在不同方位放置多个光电接收器，探测各个角度的散射光强，缺点在于结构复杂，用到多个光电接收器的一致性差，影响测量精度；另一种是利用一个或多个探测器，通过使接收系统旋转或沿导轨滑动等方法，逐点探测各个散射角上的光强，缺点是测量过程中有机械运动，测量速度慢，不适于实时在线测量。

另外，现有的静态光散射反演算法是基于Mie散射理论，它是以经典的波动光学理论为基础，在适当的边界条件下，求解迈克斯韦方程组，得到均匀球形颗粒的散射场分布。然而在实际应用中，很多被测颗粒为非球形。如果用球形颗粒模型近似，测量误差较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光散射的湿性颗粒形状参数在线测量系统，可适用于非球形颗粒的测量，测量速度快，精度高。

实现本发明目的所采用的具体技术方案如下。

一种基于光散射的湿性颗粒形状参数在线测量系统，用于实时测量位于测量管道流体中的湿性颗粒的形状参数，其特征在于，该测量系统包括：

激光器，其产生用于对湿性颗粒进行照射的连续激光；

抛物面反射镜，其具有呈抛物面的反射面，该反射面的焦点位于测量管道的中心轴线上，所述连续激光经该反射面反射后汇聚于焦点处，位于该焦点处的湿性颗粒产生散射光；

ICCD探测器，所述散射光经所述抛物面反射镜反射后平行入射到其上，该ICCD探测器获取该湿性颗粒的散射图案，经处理得到该湿性颗粒的三维体散射函数，即可获得所述湿性颗粒的形状参数。

所述测量系统还包括具有PIN管的光电探测及信号发生电路，所述湿性颗粒产生的散射光一部分入射到该PIN管上产生电信号，该光电探测及信号发生电路根据电信号产生数字触发信号用于控制所述ICCD探测器的启闭。

作为本发明的改进，所述PIN管前设置有斜置聚光透镜，湿性颗粒产生的散射光一部分通过其会聚后入射到所述PIN管上。

作为本发明的改进，所述抛物面反射镜和ICCD探测器之间设置有望远镜物镜组，所述抛物面反射镜反射后的平行光经该望远镜镜组进行光束束宽压缩，再入射到ICCD探测器上。

作为本发明的改进，所述望远镜镜组的共焦平面上还设置有空间滤波器，用于滤去杂散光。

作为本发明的改进，所述抛物面镜和望远镜物镜之间还设置有第一平面反射镜，用于将所述抛物面反射镜反射后的平行光中的一部分导向离开ICCD探测器，使其不被探测器接收，以避免该ICCD探测器饱和。

作为本发明的改进，所述测量系统还包括第二平面反射镜，所述连续激光经该第二平面反射镜反射后入射到抛物面反射镜的反射面上。

作为本发明的改进，所述激光器之前设置有准直透镜和非线性衰减片，激光器产生的连续激光先经该准直透镜和非线性衰减片进行整形和功率调节后再入射到抛物面反射镜。

作为本发明的改进，所述抛物面反射镜镜腔中充满折射率与测量管道管壁折射率相等的折射率匹配溶液，用于减弱管壁产生的杂散光。

作为本发明的改进，所述抛物面反射镜侧壁上有两个通孔与抛物面焦点共线，测量管道从侧壁通孔中穿过，被测流体经测量管道进入测量区域。