[发明专利]一种粒子尺寸和折射率同时测量方法

说明书

本发明公开了一种粒子尺寸和折射率同时测量方法；该方法采用两强度相等的片状光束相向照射粒子，分别在90°散射角区域和侧向散射角区域，同时记录粒子散射光所形成的聚焦像或/和干涉条纹图。其中，在90°散射角区域，记录两相向光束经粒子表面的p＝0阶反射光所形成的聚焦像或干涉条纹图，在侧向散射角区域，记录任一单光束经粒子后产生的p＝0阶反射光和p＝1阶折射光所形成的聚焦像或干涉条纹图。提取90°散射角区域和侧向散射角区域所采集的聚焦两点像间距或/和条纹图的条纹数，结合计算得到粒子尺寸大小d和折射率n。本发明这种非接触测量方法具有原理简单、测量精度高、实用性强等特点，可用于喷雾粒子场、气溶胶粒子尺寸和折射率同时测量。

技术领域

本发明涉及一种粒子参数测量技术，具体涉及一种基于光散射成像的粒子直径、折射率同时测量方法。

背景技术

粒子尺寸及其折射率是粒子的重要参数。折射率实部和尺寸与粒子的散射光特性密切相关，不同化学成分的粒子，其折射率不同，同种粒子，其尺寸越大，散射光越集中在前向小角度范围内。因此，在基于光散射的粒子尺寸测量中，如喷雾场，通常选择合适的散射角，使粒子散射光不敏感折射率，即认为折射率为常数，但由于加热或化学反应，折射率会随粒子尺寸变化而变化，如大气中的粒子、燃烧场中的粒子等，从而影响了粒径测量精度。因此，精确同时测量粒子折射率和粒径是有非常意义的，特别是在气溶胶、环境监测及燃烧场粒子测量中。目前提出的方法如彩虹干涉法、光学粒子计数法、多角度的光散射法、以及各种方法组合等。

彩虹干涉仪是利用Supernumerary结构与粒子尺寸和折射率关系，通过各阶彩虹的Airy峰的角位置测量折射率，Airy峰间的间隔(或Ripple结构)测量粒子直径，具有较高的精度，已用于均匀的、非均匀的球形粒子、柱粒子测量，是目前粒子尺度和折射率测量中常用方法之一。

专利CN103698256A公开了一种全场彩虹在线测量液滴喷雾的方法。该方法是利用垂直偏振的半导体激光照射喷雾流场，喷雾颗粒彩虹角附近的散射光由透镜收集后，经傅里叶成像系统投射到CCD上，并记录彩虹信号的光强。利用Nussenzweig理论和非负最小二乘法反演得到粒子尺寸和折射率信息。

光学粒子计数器(OPC)的基本原理是单粒子的角散射测量，光电探测器将粒子的角散射光强转变为一定高度的电压脉冲，电压脉冲强度与粒子大小的对应关系即OPC的响应曲线。由于该曲线对粒子折射率，特别是复折射率很敏感，因此，采用双散射角区域采集粒子角散射光强，通过两个OPC响应曲线，即可实现粒子尺寸和折射率同时测量。这种方法要求选取最佳的两个散射角。最佳两个散射角满足的条件是：(1)两个散射角上的响应量对折射率很敏感；(2)两个散射角上的响应量对折射率的敏感函数值不能相同，即两个散射角系统的响应量的比值要随折射率变化而变化，(3)对散射角的选择，还要考虑响应曲线的多值性。

发明内容

基于上述的现有技术，本发明提出一种粒子直径及其折射率的同时测量方法，该方法结合两相向光束在90°散射角区域和单光束在侧向散射角区域所记录的粒子聚焦像或/和干涉条纹图，计算得到粒子直径d和折射率n。这种非接触测量方法具有原理简单、测量精度高、实用性强等特点，可用于喷雾粒子场、气溶胶粒子尺寸和折射率同时测量。

本发明的一种粒子尺寸和折射率同时测量方法，该方法具体测量过程包括以下步骤：