專利名稱：光纖測(cè)量粒子直徑的方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于測(cè)量粒子或液滴直徑及分布的方法和設(shè)備。
眾所周知，人們對(duì)廣泛存在于工業(yè)、醫(yī)藥、食品及生活等領(lǐng)域的液滴、油滴、顆粒、小顆粒及粉末大小的測(cè)量一般是采用照相法或高速攝影法。這類方法數(shù)據(jù)處理工作量大，處理時(shí)間長(zhǎng)，需要大量人力物力，而且對(duì)細(xì)小粒子的測(cè)量其精度受到限制。
另一類典型方法是用前散射方法(forwardScatteringmethod)測(cè)粒子直徑。如測(cè)量透平中的液滴(直徑為0.1-10um)，燃料噴咀的燃料油滴(直徑為2-200um)。用這樣的方法及裝置進(jìn)行測(cè)量比照相法簡(jiǎn)便，但測(cè)量過程仍比較復(fù)雜而且麻煩，處理時(shí)間也較長(zhǎng)，成本高。
近年來，較好的測(cè)量粒子直徑分布的方法及裝置在美國(guó)專利US4595291中公開，它也是用前散射方法進(jìn)行測(cè)量。它是通過測(cè)量在預(yù)定散射角方向上的散射光強(qiáng)，利用Mie散射理論計(jì)算被測(cè)粒子的粒子直徑分布。其測(cè)量方法是通過光纖引導(dǎo)的激光束，經(jīng)多塊透鏡形成平行光束，然后發(fā)射到被測(cè)粒子群中，引起多方向散射，透射光進(jìn)入排得與入射激光束方向一致的光纖。散射角與入射激光束方向有關(guān)，接收散射光的光纖在小散射角范圍內(nèi)是緊密排列的，在大散射角范圍內(nèi)是稀疏排列的。散射光強(qiáng)與散射角、粒子密度及分布有關(guān)。光強(qiáng)用照相探測(cè)器檢測(cè)，并被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，由數(shù)據(jù)處理機(jī)計(jì)算粒子直徑分布。當(dāng)在散射角為0°-30°時(shí)進(jìn)行測(cè)量，此裝置可準(zhǔn)確地測(cè)量0.5-50um的粒子直徑分布;在散射角為0°-60°時(shí)進(jìn)行測(cè)量，它可以測(cè)量直徑小于0.5um的粒子分布。由于受到光纖及加工條件限制，對(duì)大于50um的粒子測(cè)量有一定困難，此裝置精度要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工裝配都較困難。
本發(fā)明的目的是為了提供一個(gè)能精確、快速測(cè)量大于20um粒子直徑及分布，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工裝配容易，省工省時(shí)，成本低的方法和設(shè)備。
本發(fā)明的目的是通過下列措施來實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明是用光纖測(cè)量粒子直徑及分布的方法，使通過光纖探頭內(nèi)的若干根光纖傳輸?shù)墓庑盘?hào)，直接發(fā)射到發(fā)射端與光信號(hào)接收端之間的被測(cè)粒子上，用在光纖探頭上設(shè)置的光纖接收裝置內(nèi)的光纖接收粒子產(chǎn)生的遮擋光信號(hào)，再把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理，送入計(jì)算機(jī)計(jì)算顯示。
為要實(shí)現(xiàn)光纖測(cè)量粒子直徑的設(shè)備，是在光纖探頭內(nèi)設(shè)置一個(gè)與光源相連的光纖發(fā)射裝置，一個(gè)光纖接收裝置，兩裝置的發(fā)射端與接收端之間在光纖探頭外構(gòu)成間隙，用粘接劑、固定元件固定兩裝置及外殼，在固定元件上還設(shè)置光電轉(zhuǎn)換元件。
所用的光纖發(fā)射裝置是通過發(fā)射管的若干根光纖，一端與光源發(fā)生器相連，光源可以是激光，也可以是冷光源，另一端A作為光信號(hào)發(fā)射端，若干根傳輸光纖的選取可以根據(jù)光纖探頭接收端前方產(chǎn)生的光點(diǎn)要均勻來選取。
在光纖探頭內(nèi)設(shè)置的光纖接收裝置是通過接收套管的光纖，它可以采用三根，在管內(nèi)橫截面上可以呈三角形排列，也可以采用四根，可以呈四邊形排列，其中有一根光纖端面與另外三根光纖端面可以在不同橫截面上。光纖粗細(xì)可以按被測(cè)粒子大小來選取，光纖粗細(xì)一般可以是粒子大小的1/3以下。光纖一端B作為光信號(hào)接收端。發(fā)射端A與接收端B之間構(gòu)成的間隙大小最好為0.5-10mm。光纖另一端Ⅳ及發(fā)射管適當(dāng)位置Ⅰ通過固定元件固定在光纖探頭內(nèi)靠基座一端，這端固定元件采用光纖接頭、光纖在光纖接頭面上的固定位置可以任意分布，最好為均勻分布。在光纖接頭的另一面固定有光電轉(zhuǎn)換元件，可以用加有活性炭的粘接劑固定。希望在接收套管靠近Ⅲ與發(fā)射管的適當(dāng)部位Ⅱ通過固定元件固定于外殼另一端，該固定元件可以用固定板，固定板與光纖外殼的連接可以采用耐腐蝕又能起密封作用的粘接劑固定。另外光纖通過的接收套管可以為管內(nèi)套裝空心管，若干根光纖通過的發(fā)射管可以為空心管。而且在光信號(hào)發(fā)射端與光信號(hào)接收端之間設(shè)置了間隙調(diào)節(jié)元件，用于調(diào)節(jié)間隙大小，方便了不同大小粒子的測(cè)量。
本發(fā)明的另一特點(diǎn)是采用了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)采集和選擇以及粒子直徑的量算方法。光信號(hào)采集、挑選的量算方法是由預(yù)先編制好并存入計(jì)算機(jī)的程序完成，挑選出的一個(gè)粒子的完整信號(hào)應(yīng)該由5個(gè)有一定排列次序的時(shí)間信號(hào)組成，可以根據(jù)這5個(gè)時(shí)間信號(hào)計(jì)算出粒子通過光纖探頭間隙的運(yùn)動(dòng)方向及速度，得到確定一個(gè)園所需要的兩根弦長(zhǎng)及其之間的距離，從而算出粒子的直徑及分布。
因此本發(fā)明比一般測(cè)量粒子大小的設(shè)備速度快、精度高，計(jì)算方便，操作簡(jiǎn)便，功能多，本計(jì)算機(jī)還可作他用。
根據(jù)本發(fā)明的方法和實(shí)現(xiàn)該方法所用的設(shè)備，現(xiàn)參照附圖和實(shí)施例，進(jìn)一步詳細(xì)描述

圖1是本發(fā)明光纖探頭設(shè)備實(shí)施例的示意圖;
圖2是光纖探頭的主視圖、C-C及D-D剖面圖;
圖3是本實(shí)施例光柵盤示意圖;
圖4是本實(shí)施例粒子通過光纖示意圖;
圖5是粒子運(yùn)動(dòng)速度及方向的分析;
圖6是本實(shí)施例中粒子直徑計(jì)算圖;
圖7是本實(shí)施例信號(hào)分析示意圖;
圖8是本實(shí)施例采樣程序框圖;
圖9是本實(shí)施例粒子直徑計(jì)算程序框圖。
請(qǐng)參閱圖1至圖2，本發(fā)明所用設(shè)備包括光源、光纖探頭、信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)備及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等部分。
所用光纖探頭詳細(xì)描述如下，它包括外殼7、基座3、固定元件4及8、光纖發(fā)射裝置、光纖接收裝置、光電轉(zhuǎn)換元件等。發(fā)射裝置是通過發(fā)射管6和若干根光纖5，一端與光源1相連，例如與激光發(fā)生器1相通，另一端A作為光信號(hào)發(fā)射端，發(fā)射管6在探頭外部分可加工成彎曲形狀，它可以選用空心管6。而若干根傳輸光信號(hào)的光纖的選取是根據(jù)光纖探頭接收端前方產(chǎn)生均勻光點(diǎn)，例如本實(shí)施例選用一千多根光纖組成，把激光束直接發(fā)射到發(fā)射端與光信號(hào)接收端之間AB間隙的被測(cè)粒子上。接收裝置是通過接收套管9的一定數(shù)量光纖10，例如采用三根或四根最好采用三根，在管內(nèi)橫截面上呈三角形排列或呈四邊形排列，后一種排列是其中一根光纖端面與另外三根光纖端面不在同一平面上。B端作為信號(hào)接收端，光纖10通過接收套管9，例如選用管內(nèi)套裝空心管或代用空心管是為了便于固定光纖10在光纖接頭4上。光纖大小由所測(cè)粒子大小選取，一般接收光纖10的粗細(xì)是被測(cè)粒子大小的1/3以下。測(cè)量細(xì)小粒子或密度很大的粒子，光纖10越細(xì)就可使測(cè)量范圍擴(kuò)大，測(cè)量誤差越小，提高測(cè)量精度，用細(xì)光纖測(cè)量對(duì)測(cè)量誤差的影響可忽略不計(jì)。選用較細(xì)的光纖時(shí)，為了固定光纖，還要根據(jù)套管9的大小再增用內(nèi)層空心管或代用內(nèi)層空心管。例如光纖粗細(xì)為10μm，可測(cè)粒子大小為30μm以上，由于受現(xiàn)有光纖粗細(xì)及空心管大小限制，本發(fā)明現(xiàn)在更多用于測(cè)量20um-8mm粒子直徑及分布。
接收套管9末端附近Ⅲ及發(fā)射管6接近Ⅱ處與固定元件用粘接劑固定，例如固定板8，用既耐腐蝕又防泄漏起密封作用的粘接劑，例如市場(chǎng)上出售的環(huán)氧樹脂或快速粘接劑等固定在外殼7一端。用這類粘接劑操作簡(jiǎn)便，容易固定，密封性好。
光纖探頭與被測(cè)粒子接觸部分都要求密封。通過光纖探頭位置改變，可以測(cè)量容器內(nèi)不同位置的粒子。用它測(cè)量含油性的液滴，最好外加涂有聚乙烯醇的透明薄膜，以免探頭被油滴污染?？招墓茏詈糜赡透g的材料制成，例如塑料管、尼龍管及不銹鋼等。
三根光纖10從接收套管9內(nèi)引出進(jìn)入套管11，同時(shí)與發(fā)射管6末端Ⅰ用粘接劑固定在光纖探頭上靠基座3一端的光纖接頭4一面。從發(fā)射管6末端Ⅰ引出的發(fā)射光纖5與激光發(fā)生器相通。接收光纖10在光纖接頭4面上的固定位置為近似均布。在光纖接頭4另一面最好用加有能避免光信號(hào)相互干擾的活性炭的環(huán)氧樹脂固定光電轉(zhuǎn)換元件，例如光敏電阻，通過光敏電阻實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，光纖接頭4這面可以是圖2所示的凹槽也可以是平面形狀。電信號(hào)通過基座3及光纖接頭上的保護(hù)套2被引出到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)12。
通過發(fā)射管6的若干根光纖5的A端與通過接收套管9的三根光纖10的B端在光纖探頭外構(gòu)成間隙，為了方便地測(cè)量不同大小的粒子，在A或B端有一端設(shè)有帶玻璃片的間隙調(diào)整元件，例如用螺紋連接。間隙可在0.5-10mm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。間隙的調(diào)節(jié)也可以把發(fā)射管改成活動(dòng)的來進(jìn)行調(diào)節(jié)。
參照?qǐng)D3至圖5，當(dāng)有一定速度的粒子例如化工上乳液、油滴、顆粒、小顆粒或呈球形的粉末通過AB間隙時(shí)，就會(huì)在接收端有三個(gè)不同的光遮擋信號(hào)經(jīng)光纖10導(dǎo)引到光電轉(zhuǎn)換元件，產(chǎn)生的電信號(hào)經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換儀放大、濾波、整形會(huì)產(chǎn)生誤差，而且三路光纖10信號(hào)本身就有差別，因此須對(duì)信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定，以扣除儀器產(chǎn)生的誤差，本發(fā)明實(shí)施例是采用能轉(zhuǎn)動(dòng)的光柵盤進(jìn)行標(biāo)定的。
參照?qǐng)D4至圖9，詳細(xì)描述了計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采樣、挑選及計(jì)算。信號(hào)采集是通過信號(hào)接口卡來完成的，例如6522卡，它采集并記錄接收端三根光纖產(chǎn)生的所有信號(hào)。一個(gè)通過AB間隙的粒子產(chǎn)生的完整信號(hào)應(yīng)該至少有5個(gè)時(shí)間信號(hào)組成(t1、t2、t3及t4、t5、t6)。對(duì)于不規(guī)則的其它信號(hào)應(yīng)以剔除，例如粒子并沒有擋住三根光纖，而只擋住了一根或兩根光纖，這樣就會(huì)產(chǎn)生粒子不完整信號(hào)。信號(hào)的挑選要求信號(hào)出現(xiàn)的次序?yàn)閠1、t2、t3，然后再是t4、t5、t6的各種排列，并記錄前面5個(gè)信號(hào)。
根據(jù)5個(gè)時(shí)間信號(hào)，可以算出粒子通過AB間隙的運(yùn)動(dòng)方向及速度，得到確定一個(gè)圓所需要的兩根弦及其之間距離，由此可算出圓的直徑及分布。所用公式粒子運(yùn)動(dòng)方向α=arctg［(1- (t12)/(t12+t23) )/3]]>］粒子運(yùn)動(dòng)速度v＝(S23/t23)·Cos(π/3-α)弦長(zhǎng)Sa＝v·t14Sb＝v·t25弦之間距離d＝S23·Sin(π/3-α)+S13·Sinα粒子直徑D=2R=2｛［ ((1/2Sb)2-(1/2Sa)2-d2)/(2d)］2+(1/2Sb)2｝1/2本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有顯著的優(yōu)點(diǎn)和效果能快速、精確地對(duì)粒子運(yùn)動(dòng)速度、方向、粒子直徑及其分布進(jìn)行測(cè)量，可以廣泛用于工業(yè)，包括軍工、石油、化工、輕工、醫(yī)藥、食品及生活等領(lǐng)域的粒子如乳滴、油滴、顆粒、小顆粒及粉末直徑的測(cè)量，如霧滴、水泥及冶金粉末等。操作簡(jiǎn)便，省時(shí)省力，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易加工裝配，使用可靠，成本低。該設(shè)備還可用于其他控制。
符號(hào)說明d弦之間距離μmS13光纖1到光纖3之間距離μmS23光纖2到光纖3之間距離μmSa、Sb弦長(zhǎng)μmt12從光纖1產(chǎn)生信號(hào)到光纖2產(chǎn)生信號(hào)時(shí)間μst23從光纖2產(chǎn)生信號(hào)到光纖3產(chǎn)生信號(hào)時(shí)間μst14在光纖1產(chǎn)生一個(gè)上升沿信號(hào)到一個(gè)下降沿信號(hào)時(shí)間μst25在光纖2產(chǎn)生一個(gè)上升沿信號(hào)到一個(gè)下降沿信號(hào)時(shí)間μst36在光纖3產(chǎn)生一個(gè)上升沿信號(hào)到一個(gè)下降沿信號(hào)時(shí)間μsv粒子運(yùn)動(dòng)速度μm/μsα粒子運(yùn)動(dòng)方向
權(quán)利要求
1.一種光纖測(cè)量粒子直徑的方法，其中經(jīng)過光纖探頭的光纖導(dǎo)引激光束，通過發(fā)射端內(nèi)的元件發(fā)射到許多被測(cè)粒子上，光信號(hào)由光纖探頭內(nèi)另外若干根光纖接收，由轉(zhuǎn)換設(shè)備轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，最后由數(shù)據(jù)處理機(jī)處理計(jì)算，其特征在于使通過光纖探頭內(nèi)的若干根光纖傳輸?shù)墓庑盘?hào)，直接發(fā)射到發(fā)射端與光信號(hào)接收端之間的被測(cè)粒子上，用在光纖探頭上設(shè)置的光纖接收裝置內(nèi)的光纖接收粒子產(chǎn)生的遮擋光信號(hào)，再把信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，送入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算顯示。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于傳輸光信號(hào)的若干根光纖是根據(jù)光纖探頭接收端前方產(chǎn)生均勻光點(diǎn)選取。
3.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于通過光纖接收裝置內(nèi)的光纖可以采用三根，可以呈三角形排列。
4.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于通過光纖接收裝置內(nèi)的光纖可以采用四根，可以呈四邊形排列，并有一根光纖端面與另外三根的端面可以在不同的橫截面上。
5.按照權(quán)利要求3或4所述的方法，其特征在于所述通過光纖接收裝置的光纖粗細(xì)可以根據(jù)被測(cè)粒子大小來選取，粒子大小一般可以是光纖粗細(xì)的3倍以上。
6.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于使發(fā)射端與接收端之間形成一個(gè)間隙，間隙大小可以為0.5-10mm。
7.為要實(shí)現(xiàn)光纖測(cè)量粒子直徑的設(shè)備，包括光源和與光源相連并用于測(cè)量粒子直徑的光纖探頭，轉(zhuǎn)換設(shè)備及數(shù)據(jù)處理機(jī)等，其特征在于1)、其中在所述光纖探頭內(nèi)設(shè)置一個(gè)與光源相連的光纖發(fā)射裝置，一個(gè)光纖接收裝置，兩裝置的發(fā)射端與接收端之間在光纖探頭外構(gòu)成間隙，用粘接劑、固定元件固定兩裝置及外殼，在固定元件上還設(shè)置光電轉(zhuǎn)換元件，2)、所述的數(shù)據(jù)處理機(jī)是計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)采集和選擇以及粒子直徑計(jì)算的量算方法。
8.按權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其特征在于所述的光纖發(fā)射裝置是通過發(fā)射管的若干根光纖，一端與光源發(fā)生器相通，另一端A作為光信號(hào)發(fā)射端，所述的光纖接收裝置是通過接收套管的光纖，一端B作為光信號(hào)接收端，另一端Ⅳ及發(fā)射管Ⅰ通過固定元件固定在在靠基座一端，接收套管靠Ⅲ端與發(fā)射管靠Ⅱ處通過固定元件固定于外殼另一端上。
9.按照權(quán)利要求7或8所述的設(shè)備，其特征在于靠基座一端的固定元件為光纖接頭，另一端的固定元件為固定板。
10.按照權(quán)利要求7-9中任何一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于通過接收套管的光纖Ⅳ在光纖接頭一面上的固定位置可以任意分布，也可以為近似均勻分布。
11.按照權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其特征在于在光纖接頭的另一面固定的光電轉(zhuǎn)換元件為光敏電阻。
12.按照權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其特征在于所述光敏電阻由加有活性炭的粘接劑固定。
13.按照權(quán)利要求7或8所述的設(shè)備，其特征在于固定板與光纖探頭外殼的連接可以采用耐腐蝕、密封性好的粘接劑，探頭與被測(cè)粒子接觸部位應(yīng)采用該粘接劑進(jìn)行密封。
14.按權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其特征在于光纖通過的接收套管為管內(nèi)套裝空心管，若干根光纖通過的發(fā)射管為空心管。
15.按照權(quán)利要求7或8所述的設(shè)備，其特征在于用該光纖探頭測(cè)量含油性的液滴大小時(shí)，可以外加涂有聚乙烯醇的透明薄膜。
16.按照權(quán)利要求7或8所述的設(shè)備，其特征在于在光信號(hào)發(fā)射端或光信號(hào)接收端有一端設(shè)有帶玻璃片的間隙調(diào)節(jié)元件，用于調(diào)節(jié)間隙大小。
17.按照權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其特征在于所述的計(jì)算機(jī)的光信號(hào)采集與選擇的量算方法是由預(yù)先編制好并存入計(jì)算機(jī)的程序完成，挑選出的一個(gè)粒子的完整信號(hào)應(yīng)該由5個(gè)有一定排列次序的時(shí)間信號(hào)組成。
18.按照權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其特征在于根據(jù)5個(gè)時(shí)間信號(hào)可以計(jì)算出粒子通過光纖探頭間隙的運(yùn)動(dòng)方向及速度，得到確定一個(gè)園所需要的兩根弦長(zhǎng)及其之間距離，可以計(jì)算出粒子的直徑。所用公式粒子直徑D=2R=2｛［ ((1/2Sb)2-(1/2Sa)2-d2)/(2d)］2+(1/2Sb)2｝1/全文摘要
本發(fā)明是關(guān)于光纖測(cè)量大量粒子直徑及分布的方法及所用設(shè)備。把通過光纖探頭內(nèi)的若干根光纖傳輸?shù)墓庑盘?hào)直接發(fā)射到被測(cè)粒子上，再由經(jīng)過光纖探頭上設(shè)置的光纖接收裝置內(nèi)的光纖把信號(hào)傳送到光電轉(zhuǎn)換元件，再經(jīng)處理，由計(jì)算機(jī)采集并計(jì)算出粒子運(yùn)動(dòng)速度、方向及直徑，特別是能精確、快速地測(cè)量大于20μm以上的液滴、油滴、小顆粒、呈球形的粉末直徑，可以測(cè)量容器內(nèi)不同位置粒子直徑及分布，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工裝配容易，操作方便，省工省力，成本低。
文檔編號(hào)G01N15/02GK1045861SQ9010282
公開日1990年10月3日 申請(qǐng)日期1990年3月17日 優(yōu)先權(quán)日1990年3月17日
發(fā)明者賈志軍, 裘元燾, 時(shí)鈞 申請(qǐng)人:江南大學(xué)