專利名稱：一種顆粒粒度測量儀的制作方法
技術(shù)領域：
本實用新型涉及一種融合圖像法和光散射法的顆粒粒度測量裝置，特別涉及一種測量范圍可以從納米、亞微米到微米的顆粒粒度測量儀。
背景技術(shù)：
近年來隨CXD和CMOS數(shù)字相機的發(fā)展，采用數(shù)字相機代替?zhèn)鹘y(tǒng)顯微鏡上的目鏡構(gòu)成的圖像法顆粒粒度分析儀已得到廣泛應用。受光學顯微鏡理論圖像分辨率的限制，圖像法顆粒粒度儀的測量下限一般在0.5微米以上，上限可以根據(jù)使用的顯微物鏡的放大倍率而確定。動態(tài)光散射顆粒粒度儀主要用于納米顆粒的粒度測量，一般測量下限在1納米左右，上限在3-5微米。這2種顆粒粒度儀雖可以滿足在各自粒度范圍內(nèi)的顆粒測量，但在需要測量顆粒的粒度范圍從納米到數(shù)十至數(shù)百微米時，2者就無法滿足要求。靜態(tài)光散射顆粒粒度儀則是測量大量顆粒的散射光強，不考慮顆粒做布朗運動造成的散射光強的脈動，基于靜態(tài)光散射原理的顆粒粒度儀已成為現(xiàn)在顆粒測量的最主要方法，測量范圍可以從亞微米到數(shù)百微米?，F(xiàn)有圖像法顆粒粒度儀是在顯微鏡上改進，用CCD或CMOS數(shù)字攝像頭或數(shù)字相機替代顯微鏡上原有目鏡，顆粒樣品放在載玻片上，數(shù)字攝像機或數(shù)字相機拍攝到顆粒的顯微圖像后將輸出信號送到計算機進行處理，得到顆粒的圖像，進一步用顆粒粒度分析軟件得到顆粒的粒度分布，形狀等參數(shù)。在測量不同大小顆粒時可以用顯微鏡上的旋轉(zhuǎn)式物鏡機構(gòu)換用不同放大倍率的物鏡，但照明光源系統(tǒng)仍是同一個，并不因更換物鏡而變化。動態(tài)光散射顆粒粒度儀采用激光作光源，入射到含有被測顆粒的液體(通常是水) 中，微小顆粒在液體中受周邊液體分子的撞擊，會產(chǎn)生布朗運動，這種隨機的布朗運動使得顆粒散射光的強度也發(fā)生隨機脈動，其脈動頻率與顆粒大小有關，較大顆粒的隨機運動頻率較低，擴散運動速度較慢，而較小顆粒的隨機運動頻率較高，擴散運動速度較快。顆粒的擴散與粒度的關系可以用Mocks-Einstein公式描述D = ^bt(1)
t βπτ^Μ式中久是擴散系數(shù)，Kb是波爾茨曼常數(shù)，T是絕對溫度，η是粘度，R是待測顆粒的半徑。根據(jù)布朗運動理論，在T時刻顆粒相對原點位移平方的期望值是(r2)= 6DtT(2)因此，如果能測得納米顆粒在經(jīng)過T時間后的位移，就可以得到擴散系數(shù)久，然后用公式(1)得到被測顆粒的粒徑 /。連續(xù)快速拍攝顆粒散射光質(zhì)點的布朗運動圖像，分析記錄下顆粒的隨機運動，就可以由Mocks-Einstein公式得到顆粒的粒度。但在顆粒較大時， 布朗運動很小，無法檢測，也就不能再用這種方法測量顆粒的粒度。在這種測量方法中是測
3量顆粒的動態(tài)散射的連續(xù)時間序列信號。靜態(tài)光散射顆粒粒度儀同樣采用激光作為光源，入射到被測顆粒上，顆粒會產(chǎn)生光散射，這種散射可以用Mie’ s光散射理論描述。測量顆粒散射光的空間分布，然后用 Mie’s光散射理論和反演算法可以得到被測顆粒的粒度。在該方法中測量的是與顆粒大小有關的靜態(tài)光散射強度，不涉及到顆粒運動對光散射強度變化產(chǎn)生的動態(tài)影響，所以測量信號不是時間序列信號。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是為了提供一種將圖像法顆粒粒度測量和光散射法顆粒粒度測量融合在一起的顆粒粒度測量儀，使得基于該技術(shù)的顆粒粒度儀測量范圍可以從納米到數(shù)百微米，滿足各種測量要求。本實用新型的基本原理用具有快門速度可控且可連續(xù)測量功能的面陣數(shù)字相機或攝像機，如CCD或CMOS數(shù)字相機或數(shù)字攝像機作為檢測傳感器件，在圖像法測量時，將微型光源，如發(fā)光二極管，布置在樣品池的下方，作為透射法圖像測量的光源，或布置在顯微物鏡周圍，作為反射法圖像測量的光源，面陣數(shù)字相機或攝像機布置在顯微物鏡的焦面上， 這樣構(gòu)成圖像法顆粒粒度測量儀。在動態(tài)光散射測量時，將激光作為光源，激光束從樣品池一方入射，樣品池上前或后布置一個透鏡，顆粒的動態(tài)散射光信號由面陣數(shù)字相機或攝像機接收拍攝圖像。可以采用二種方式記錄顆粒的動態(tài)光散射信號，一種是連續(xù)記錄多幀顆粒散射光的空間分布圖像，然后分析這些圖像中顆粒的動態(tài)散射光點的布朗運動特性來獲得顆粒的粒度；另一種是控制數(shù)字相機的快門速度使得拍攝到的一幀圖像中的顆粒動態(tài)光散射點成為一條軌跡線，對該幀圖像中的所有顆粒光散射點的軌跡進行數(shù)據(jù)處理，由式(2)得到擴散系數(shù)，然后由式(1)得到顆粒的粒度。在靜態(tài)光散射測量時，光路布置與動態(tài)光散射測量同，但僅分析顆粒的靜態(tài)光散射特性來獲得顆粒的粒度?；谏鲜霭l(fā)明原理，本實用新型的技術(shù)方案是一種多方法融合的顆粒粒度儀，其特征在于，該顆粒粒度儀由激光光源、非單色照明光源、顯微物鏡、半透半反鏡、面陣數(shù)字相機或攝像機、樣品池和透鏡組合成兩光路結(jié)構(gòu)，一路是從第一照明光源發(fā)出的光照射到第一樣品池中的樣品，第一樣品池位于顯微物鏡的觀察面上，顯微物鏡將放大的圖像經(jīng)過半透半反鏡后到面陣數(shù)字相機或攝像機；另一路是激光光源發(fā)出的光照射到第二樣品池中的樣品，經(jīng)透鏡將放大的圖像經(jīng)過半透半反鏡后到面陣數(shù)字相機或攝像機。所述的樣品池為一個樣品池，半透半反鏡布置在樣品池的下方，激光光源和照明光源分別布置在半透半反鏡的兩側(cè)面，共用一個透鏡，顆粒的圖像和散射光信號都被面陣數(shù)字相機或攝像機所接收。所述的作為光散射測量的第二樣品池位置設置在透鏡與半透半反鏡之間。所述非單色照明光源采用發(fā)光二極管或燈泡。所述的面陣數(shù)字相機為CCD或CMOS數(shù)字相機。本實用新型的有益效果是利用同一個傳感器件-CCD或CMOS數(shù)字相機將多種測量方法融合在一起，用簡單結(jié)構(gòu)擴大了粒度儀的粒度測量上下限，使得基于本實用新型的粒度儀的測量范圍可以從納米級到數(shù)百微米級，滿足寬范圍粒度分布測量的要求，并可同時用圖像法給出顆粒的形貌參數(shù)。

圖1為本實用新型實施例1示意圖；圖2為本實用新型實施例2示意圖；圖3為本實用新型實施例3示意圖。
具體實施方式
結(jié)合附圖對本實用新型作進一步說明。實施例1 一種多方法融合的顆粒粒度儀，由圖1所示，該顆粒粒度儀由激光光源1、非單色照明光源(2、3)、顯微物鏡4、半透半反鏡6、面陣數(shù)字相機或攝像機7、樣品池(8、5)和透鏡 9組合成兩光路結(jié)構(gòu)，一路是從第一非單色照明光源2發(fā)出的光照射到第一樣品池8中的樣品，第一樣品池8位于顯微物鏡4的觀察面上，顯微物鏡4將放大的圖像經(jīng)過半透半反鏡6 后到面陣數(shù)字相機或攝像機7 ；另一路是激光光源1發(fā)出的光照射到第二樣品池5中的樣品，經(jīng)透鏡9將放大的圖像經(jīng)過半透半反鏡6后到面陣數(shù)字相機或攝像機7 ；在圖像法測量時，置于第一樣品池8下的第一非單色照明光源2發(fā)光，布置在顯微物鏡周圍的第二非單色照明光源3不發(fā)光，作為透射法圖像測量；置于第一樣品池8下的第一非單色照明光源2不發(fā)光，布置在顯微物鏡4周圍的第二非單色照明光源3發(fā)光作為反射法圖像測量；在動態(tài)光散射法測量時，由激光光源發(fā)出的激光束照射到樣品池中的樣品顆粒， 顆粒的前向動態(tài)散射光被透鏡接收后經(jīng)半透半反鏡到面陣數(shù)字相機或攝像機，面陣數(shù)字相機或攝像機連續(xù)記錄顆粒的動態(tài)光散射信號，并送入計算機，根據(jù)顆粒的布朗運動理論和 Stocks-Einstein公式進行處理，得到顆粒的粒度分布；或控制相機的快門速度Γ，使得拍攝到的圖像上由于長時間曝光出現(xiàn)顆粒因布朗運動造成的散射光點的運動軌跡線，而不是光點，然后送入計算機，根據(jù)顆粒的布朗運動理論和Mocks-Einstein公式進行處理，得到顆粒的粒度分布；在靜態(tài)光散射法測量時，由激光光源發(fā)出的激光束照射到樣品池中的樣品顆粒， 顆粒的前向靜態(tài)散射光被透鏡接收后經(jīng)半透半反鏡到面陣數(shù)字相機或攝像機，面陣數(shù)字相機或攝像機將測得的顆粒靜態(tài)散射信號送入計算機，根據(jù)Mie’ s光散射理論進行處理，得到顆粒的粒度分布。實施例2如圖2所示，在本實施例中，所述的作為光散射測量的第二樣品池5位置設置在透鏡9與半透半反鏡6之間。其他同實施例1。這樣的光路布置可以縮小儀器的體積，在采用靜態(tài)光散射法測量顆粒時，可以測量較大顆粒。實施例3 如圖3所示，在本實施例中，樣品池為一個樣品池8，半透半反鏡6布置在樣品池8 的下方，激光光源1和非單色照明光源2照明分別布置在半透半反鏡6的兩側(cè)面，只用一個
5顯微物鏡4，顆粒的圖像和散射光信號都被面陣數(shù)字相機或攝像機7所接收，實現(xiàn)圖像法測量、靜態(tài)光散射法測量和動態(tài)光散射法測量。 上述實施例中非單色照明光源采用發(fā)光二極管或燈泡。面陣數(shù)字相機為CCD或 CMOS數(shù)字相機。
權(quán)利要求1.一種顆粒粒度測量儀，其特征在于，該顆粒粒度儀由激光光源、非單色照明光源、顯微物鏡、半透半反鏡、面陣數(shù)字相機或攝像機、樣品池和透鏡組合成兩光路結(jié)構(gòu)，一路是從第一照明光源發(fā)出的光照射到第一樣品池中的樣品，第一樣品池位于顯微物鏡的觀察面上，顯微物鏡將放大的圖像經(jīng)過半透半反鏡后到面陣數(shù)字相機或攝像機；另一路是激光光源發(fā)出的光照射到第二樣品池中的樣品，經(jīng)透鏡將放大的圖像經(jīng)過半透半反鏡后到面陣數(shù)字相機或攝像機。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顆粒粒度測量儀，其特征在于，所述的作為光散射測量的第二樣品池位置設置在透鏡與半透半反鏡之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顆粒粒度測量儀，其特征在于，所述的樣品池為一個樣品池， 半透半反鏡布置在樣品池的下方，激光光源和照明光源分別布置在半透半反鏡的兩側(cè)面， 共用一個透鏡，顆粒的圖像和散射光信號都被面陣數(shù)字相機或攝像機所接收。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顆粒粒度測量儀，其特征在于，所述非單色照明光源采用發(fā)光二極管或燈泡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顆粒粒度測量儀，其特征在于，所述的面陣數(shù)字相機為CCD或 CMOS數(shù)字相機。
專利摘要本實用新型公開了一種顆粒粒度測量儀，由激光光源、非單色照明光源、顯微物鏡、半透半反鏡、面陣數(shù)字相機或攝像機、樣品池和透鏡組合成兩光路結(jié)構(gòu)，一路是從第一照明光源發(fā)出的光照射到第一樣品池中的樣品，顯微物鏡將放大的圖像經(jīng)過半透半反鏡后到面陣數(shù)字相機或攝像機；另一路是激光光源發(fā)出的光照射到第二樣品池中的樣品，經(jīng)透鏡將放大的圖像經(jīng)過半透半反鏡后到面陣數(shù)字相機或攝像機。本實用新型的有益效果是利用同一個數(shù)字相機將多種測量方法融合在一起，用簡單結(jié)構(gòu)擴大了粒度儀的粒度測量上下限，使得基于本實用新型的粒度儀的測量范圍可以從納米級到數(shù)百微米級，滿足寬范圍粒度分布測量的要求，并可同時用圖像法給出顆粒的形貌參數(shù)。
文檔編號G01N15/02GK201984011SQ20112007044
公開日2011年9月21日 申請日期2011年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月17日
發(fā)明者蘇明旭, 蔡小舒 申請人:上海理工大學