(一)技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于單光電探測器的顆粒粒度測量儀，特別涉及一種利用數(shù)字微鏡陣列(digitalmicromirrordevice，簡稱dmd)和單光電探測器組成的光電轉(zhuǎn)換器件，將激光調(diào)制技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用于顆粒粒度測量技術(shù)領(lǐng)域。

(二)

背景技術(shù)：

顆粒粒度的精確測量對于科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)、日常生活等各個方面都有著非常重要的作用，為了對顆粒粒度進(jìn)行測量，人們發(fā)明了許多方法如：沉降法、篩分法、電泳法、顯微鏡法、色譜法、光散射法等。在人們研發(fā)的各類粒徑測量方法中，光散射法以其高精度、非侵入、方便快速等優(yōu)點(diǎn)受到了廣泛的重視。光散射法顆粒粒度儀的理論基礎(chǔ)通常是米氏散射理論，但是由于米氏散射理論計(jì)算復(fù)雜，米氏散射理論的簡化模型——夫瑯禾費(fèi)衍射理論得到了更廣泛的應(yīng)用。無論是基于米氏散射理論，還是基于簡化模型夫瑯禾費(fèi)衍射理論，光散射法顆粒粒度儀的核心技術(shù)都是獲得精確的顆粒衍射光強(qiáng)分布。

為了獲得衍射光強(qiáng)分布，人們設(shè)計(jì)了光電環(huán)作為光電轉(zhuǎn)換元件，并廣泛的應(yīng)用于顆粒粒度測量中(j.swithenbank,j.beer,d.taylor,d.abbot,andg.mccreath,"alaserdiagnostictechniqueforthemeasurementofdropletandparticlesizedistribution,"14thaerospacesciencesmeeting.1976:69.)，具體測量方法為：以激光為光源，將激光擴(kuò)束之后，平行光照射被測顆粒發(fā)生衍射，衍射光經(jīng)過傅立葉透鏡會聚，一個光電環(huán)被放置于傅立葉透鏡的焦平面上，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，測得衍射光強(qiáng)分布。光電環(huán)是一種專門設(shè)計(jì)用于測量衍射光強(qiáng)的環(huán)形光電探測器，一系列圓弧形敏感元件同心排布，圓心處開孔。測量過程中，光電環(huán)中心必須精確對準(zhǔn)衍射光斑的中心，使衍射光斑中心亮點(diǎn)通過光電環(huán)中心的通孔，保證光電環(huán)測量精度、防止中心光強(qiáng)過強(qiáng)導(dǎo)致飽和。光電環(huán)作為光電轉(zhuǎn)換元件，存在的問題有：每次測量前都要精確調(diào)節(jié)光路，操作繁瑣，耗時較長，測量系統(tǒng)易受外界干擾，任何外界擾動都可能導(dǎo)致光路變化、對中不準(zhǔn)，使測量精度降低；光電環(huán)在生產(chǎn)的過程中，難以保證每一環(huán)對光強(qiáng)響應(yīng)的均一性，因此測得的衍射光強(qiáng)分布存在畸變，需要對光電環(huán)進(jìn)行校準(zhǔn)，過程較為復(fù)雜；受到光電環(huán)的結(jié)構(gòu)和加工尺寸的限制，只能排布幾十個半圓形敏感元件，因此只能得到較少的衍射光強(qiáng)值，通常通過迭代的方法求解病態(tài)方程得到顆粒粒度分布，耗時長，計(jì)算復(fù)雜。綜上，優(yōu)化衍射光強(qiáng)獲取方式是改進(jìn)基于前向光散射法的顆粒粒度測量儀的關(guān)鍵，其中優(yōu)化光電轉(zhuǎn)換器件的設(shè)計(jì)是簡化粒度測量操作、提高顆粒粒度分布計(jì)算速度的最有效手段。

在改進(jìn)光電轉(zhuǎn)換器件的嘗試中，采用dmd的測量結(jié)構(gòu)是一種較為有效的方法(j.zhou,z.cao,h.xie,andl.xu,"compressivesensingforparticlesizeretrievalbyusingadigitalmicro-mirrordevice-baseddetector,"powdertechnol.2016,304:27-31.j.zhou,z.cao,h.xie,andl.xu,"digitalmicro-mirrordevice-baseddetectorforparticle-sizinginstrumentsviafraunhoferdiffraction,"appl.opt.2015,54(18):5842-5849.)。dmd是一種基于mems技術(shù)的光開關(guān)陣列，表面排布幾十萬個邊長約10微米的正方形微鏡片，每個微鏡片通過mems工藝制作，受電壓信號控制偏轉(zhuǎn)±12度，對應(yīng)dmd作為光開關(guān)的0、1兩種狀態(tài)，可以通過控制微鏡片偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對入射光線的選通。采用dmd作為測量衍射光強(qiáng)的光電轉(zhuǎn)換器件，利用了其調(diào)制速度快、精度高、光能損失小等優(yōu)點(diǎn)，將dmd放置于光電環(huán)的位置，令dmd微鏡片按照光電環(huán)的形狀進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，由一個探測器進(jìn)行接收，解決了光電環(huán)不同環(huán)之間的不均一問題。然而，由于dmd的微鏡片呈方陣排布，且分辨率是有限的，因此dmd微鏡片排布成的光電環(huán)在每一環(huán)邊緣處存在誤差，而且構(gòu)成的環(huán)形越小，相對誤差越大。

本發(fā)明采用dmd和單光電探測器作為光電轉(zhuǎn)換器件，以條形排布偏轉(zhuǎn)數(shù)字微鏡陣列的微鏡片到反射狀態(tài)，相當(dāng)于對衍射光斑進(jìn)行了阿貝爾變換，充分利用dmd微鏡片方陣排布的結(jié)構(gòu)，減少了由于dmd分辨率有限造成的誤差。測量過程為：激光經(jīng)過擴(kuò)束，照射到被測顆粒發(fā)生衍射；衍射光經(jīng)過傅立葉透鏡，照射到位于透鏡焦平面的dmd鏡陣上；dmd相當(dāng)于一個光開關(guān)，由dmd控制電路驅(qū)動微鏡片偏轉(zhuǎn)，改變光束方向，在dmd反射光路上用單光電探測器接收處于反射狀態(tài)的dmd微鏡片對應(yīng)的反射光，通過逐個微鏡片偏轉(zhuǎn)的方法，搜索到衍射光斑中心，再將微鏡片以條形排布到反射狀態(tài)，對照射到dmd上的衍射光進(jìn)行了阿貝爾變換，得到投影光強(qiáng)。數(shù)據(jù)處理方面，通過利用阿貝爾逆變換從投影光強(qiáng)復(fù)原衍射光強(qiáng)，最后通過積分反演得到粒度分布。

(三)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于前向光散射法的粒度測量儀的核心技術(shù)是如何精確獲取衍射光強(qiáng)分布。市面上大多數(shù)粒度儀都是采用光電環(huán)作為光電轉(zhuǎn)換元件，獲取衍射光強(qiáng)。光電環(huán)環(huán)數(shù)有限，且每次實(shí)驗(yàn)都需要調(diào)節(jié)光路，才能保證衍射光斑中心與光電環(huán)中心精確對準(zhǔn)，操作復(fù)雜。

本發(fā)明提出一種基于單光電探測器的顆粒粒度測量儀，采用dmd和單光電探測器作為光電轉(zhuǎn)換元件，實(shí)現(xiàn)對衍射光強(qiáng)分布的測量。

所用元件包括：dmd及控制電路、傅立葉透鏡、會聚透鏡、單光電探測器。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：激光經(jīng)過擴(kuò)束之后，照射被測顆粒發(fā)生衍射，衍射光經(jīng)過傅立葉透鏡會聚之后，照射在位于透鏡焦平面的dmd上。dmd相當(dāng)于一個光開關(guān)，在dmd控制電路的控制下偏轉(zhuǎn)，將部分光線反射到位于反射光路的會聚透鏡上。會聚透鏡將反射光會聚到單光電探測器上，單光電探測器接收光強(qiáng)，得到衍射光斑中心及衍射光強(qiáng)的投影光強(qiáng)。通過阿貝爾逆變換，從投影光強(qiáng)還原衍射光強(qiáng)，并通過積分反演，計(jì)算得到顆粒粒度分布。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：1.本發(fā)明中只使用了一個光電探測器，從而解決的多個探測器響應(yīng)特性不均一帶來的誤差，提高了測量的精度；2.傳統(tǒng)的光電環(huán)要求衍射光斑中心精確地穿過光電環(huán)中心小孔，因此需要精準(zhǔn)地調(diào)節(jié)光路；而本發(fā)明采用了dmd，只要衍射光斑中心照射到dmd上，就可以自動尋找中心，dmd面積較大，因此調(diào)節(jié)光路非常容易；3.dmd調(diào)制的方法為若干行微鏡片合并為一組，逐組偏轉(zhuǎn)，經(jīng)過阿貝爾逆變換之后，得到的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于光電環(huán)的數(shù)據(jù)量，即可以得到一條相對連續(xù)的衍射光強(qiáng)分布，因此，不再需要求解欠定方程，轉(zhuǎn)而采用積分反演的方法計(jì)算顆粒粒度分布，大大減小了計(jì)算量，提高了求解速度。

(四)附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

附圖標(biāo)示

1、被測顆粒2、傅立葉透鏡3、dmd數(shù)字微鏡陣列4.會聚透鏡5.單光電探測器

(五)具體實(shí)施方式

在圖1中，被測顆粒(1)、傅立葉透鏡(2)、dmd數(shù)字微鏡陣列(3)放置于一條光軸上，傅立葉透鏡(2)位于被測顆粒(1)和dmd數(shù)字微鏡陣列(3)之間，dmd數(shù)字微鏡陣列(3)位于傅立葉透鏡(2)的焦點(diǎn)處；會聚透鏡(4)、單光電探測器(5)放置于反射光路，會聚透鏡(4)位于dmd數(shù)字微鏡陣列(3)和單光電探測器(5)之間。

步驟1：激光經(jīng)過擴(kuò)束形成平行光，平行光照射被測顆粒發(fā)生衍射，經(jīng)過傅立葉透鏡會聚后，衍射光照射在位于焦平面的dmd的微鏡片上。

步驟2：dmd的微鏡片逐個偏轉(zhuǎn)到反射狀態(tài)，同時單光電探測器收集反射光，確定反射光光強(qiáng)最大的位置為衍射光斑的中心。

步驟3：從衍射光斑中心開始，以條形排布偏轉(zhuǎn)數(shù)字微鏡陣列的微鏡片到反射狀態(tài)，單光電探測器采集對應(yīng)位置的反射光光強(qiáng)，得到一個列向量，即衍射光強(qiáng)的投影光強(qiáng)p。

步驟4：利用阿貝爾逆變換處理投影光強(qiáng)，計(jì)算得到衍射光強(qiáng)

其中，y為投影光強(qiáng)的橫坐標(biāo)，r為衍射光強(qiáng)的橫坐標(biāo)，r為衍射光強(qiáng)的向量長度，p′為p的導(dǎo)數(shù)。

通過衍射光強(qiáng)利用積分反演計(jì)算顆粒粒徑分布

其中，λ為入射激光波長，i0為入射光光強(qiáng)，t為顆粒的光學(xué)尺寸參數(shù)，等于顆粒半徑的2π/λ倍。

圖2是本發(fā)明實(shí)施的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖2中包含兩條曲線作為對比，即原始分布與反演分布。原始分布為通過r-r分布表達(dá)式計(jì)算得到的顆粒粒徑分布，表達(dá)式如下

其中，d為顆粒直徑，d0為分布的位置參數(shù)，ns為分布的散布參數(shù)。

反演分布為原始分布經(jīng)過上述步驟之后，計(jì)算得到的結(jié)果。通過對比可知，反演分布與原始分布基本吻合，說明本方法具有可行性。