[发明专利]一种基于近场散射的颗粒粒度测量装置及方法

说明书

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。颗粒粒度及分布是目前颗粒测量的主要内容之一。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)=I0+2Re[E0Es*(x,y)]---(1)]]>

式中，I₀是透射光强度，E₀是透射光场，E_s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)……I_N(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)……I_N(x,y)做平均，得到平均光强：