[发明专利]一种基于单光电探测器的颗粒粒度测量仪

说明书

本发明设计了一种基于单光电探测器的颗粒粒度测量仪，所用元件包括：数字微镜阵列(DMD)及控制电路、傅立叶透镜、会聚透镜、单光电探测器。该方法包括以下步骤：激光经过扩束形成平行光，照射被测颗粒发生衍射，经过傅立叶透镜会聚后，衍射光照射在位于焦平面的DMD数字微镜上。DMD微镜片逐个偏转到反射状态，单光电探测器收集反射光，确定反射光光强最大的位置为衍射光斑中心。从衍射光斑中心开始，以条形排布偏转数字微镜阵列的微镜片到反射状态，单光电探测器采集对应位置的反射光强，得到一个列向量，即衍射光强的投影光强。最后利用阿贝尔逆变换和积分反演计算颗粒粒径分布。本发明结构简单，操作方便，计算速度快，在颗粒粒径测量领域有较高的使用价值和广阔的应用前景。

(一)技术领域

本发明涉及一种基于单光电探测器的颗粒粒度测量仪，特别涉及一种利用数字微镜阵列 (Digital Micromirror Device，简称DMD)和单光电探测器组成的光电转换器件，将激光调制技术领域应用于颗粒粒度测量技术领域。

(二)背景技术

颗粒粒度的精确测量对于科学研究、工业生产、日常生活等各个方面都有着非常重要的作用，为了对颗粒粒度进行测量，人们发明了许多方法如：沉降法、筛分法、电泳法、显微镜法、色谱法、光散射法等。在人们研发的各类粒径测量方法中，光散射法以其高精度、非侵入、方便快速等优点受到了广泛的重视。光散射法颗粒粒度仪的理论基础通常是米氏散射理论，但是由于米氏散射理论计算复杂，米氏散射理论的简化模型——夫琅禾费衍射理论得到了更广泛的应用。无论是基于米氏散射理论，还是基于简化模型夫琅禾费衍射理论，光散射法颗粒粒度仪的核心技术都是获得精确的颗粒衍射光强分布。

为了获得衍射光强分布，人们设计了光电环作为光电转换元件，并广泛的应用于颗粒粒度测量中(J.Swithenbank,J.Beer,D.Taylor,D.Abbot,and G.Mccreath,A laserdiagnostic technique for the measurement of droplet and particle sizedistribution,14th Aerospace Sciences Meeting.1976:69.)，具体测量方法为：以激光为光源，将激光扩束之后，平行光照射被测颗粒发生衍射，衍射光经过傅立叶透镜会聚，一个光电环被放置于傅立叶透镜的焦平面上，将光信号转换为电信号，测得衍射光强分布。光电环是一种专门设计用于测量衍射光强的环形光电探测器，一系列圆弧形敏感元件同心排布，圆心处开孔。测量过程中，光电环中心必须精确对准衍射光斑的中心，使衍射光斑中心亮点通过光电环中心的通孔，保证光电环测量精度、防止中心光强过强导致饱和。光电环作为光电转换元件，存在的问题有：每次测量前都要精确调节光路，操作繁琐，耗时较长，测量系统易受外界干扰，任何外界扰动都可能导致光路变化、对中不准，使测量精度降低；光电环在生产的过程中，难以保证每一环对光强响应的均一性，因此测得的衍射光强分布存在畸变，需要对光电环进行校准，过程较为复杂；受到光电环的结构和加工尺寸的限制，只能排布几十个半圆形敏感元件，因此只能得到较少的衍射光强值，通常通过迭代的方法求解病态方程得到颗粒粒度分布，耗时长，计算复杂。综上，优化衍射光强获取方式是改进基于前向光散射法的颗粒粒度测量仪的关键，其中优化光电转换器件的设计是简化粒度测量操作、提高颗粒粒度分布计算速度的最有效手段。