一種多方法融合的顆粒粒度儀的製作方法

2023-06-11 18:05:06 1

專利名稱：一種多方法融合的顆粒粒度儀的製作方法
技術領域：
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，特別涉及一種測量範圍可以從納米、亞微米到微米的顆粒粒度儀。
背景技術：
近年來隨CXD和CMOS數字相機的發展，採用數字相機代替傳統顯微鏡上的目鏡構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解析度的限制，圖像法顆粒粒度儀的測量下限一般在0.5微米以上，上限可以根據使用的顯微物鏡的放大倍率而確定。動態光散射顆粒粒度儀主要用於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範圍內的顆粒測量，但在需要測量顆粒的粒度範圍從納米到數十至數百微米時，2者就無法滿足要求。靜態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，基於靜態光散射原理的顆粒粒度儀已成為現在顆粒測量的最主要方法，測量範圍可以從亞微米到數百微米。現有圖像法顆粒粒度儀是在顯微鏡上改進，用CCD或CMOS數字攝像頭或數字相機替代顯微鏡上原有目鏡，顆粒樣品放在載玻片上，數字攝像機或數字相機拍攝到顆粒的顯微圖像後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體得到顆粒的粒度分布，形狀等參數。在測量不同大小顆粒時可以用顯微鏡上的旋轉式物鏡機構換用不同放大倍率的物鏡，但照明光源系統仍是同一個，並不因更換物鏡而變化。動態光散射顆粒粒度儀採用雷射作光源，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係可以用Mocks-Einstein公式描述D = ^bt(1)
t βπτ^Μ式中久是擴散係數，Kb是波爾茨曼常數，T是絕對溫度，η是粘度，R是待測顆粒的半徑。根據布朗運動理論，在T時刻顆粒相對原點位移平方的期望值是Ir2^j= SDtT(2)因此，如果能測得納米顆粒在經過T時間後的位移，就可以得到擴散係數久，然後用公式(1)得到被測顆粒的粒徑 /。連續快速拍攝顆粒散射光質點的布朗運動圖像，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量顆粒的動態散射的連續時間序列信號。靜態光散射顆粒粒度儀同樣採用雷射作為光源，入射到被測顆粒上，顆粒會產生光散射，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，然後用 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光散射強度，不涉及到顆粒運動對光散射強度變化產生的動態影響，所以測量信號不是時間序列信號。
發明內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，該顆粒粒度儀測量範圍可以從納米到數百微米，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測量功能的面陣數字相機或攝像機，如CCD或CMOS數字相機或數字攝像機作為檢測傳感器件，在圖像法測量時，將微型光源，如發光二極體，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，面陣數字相機或攝像機布置在顯微物鏡的焦面上， 這樣構成圖像法顆粒粒度測量儀。在動態光散射測量時，將雷射作為光源，雷射束從樣品池下方入射，樣品池上布置一個透鏡，顆粒的動態散射光信號由面陣數字相機或攝像機接收拍攝圖像。可以採用二種方式記錄顆粒的動態光散射信號，一種是連續記錄多幀顆粒散射光的空間分布圖像，然後分析這些圖像中顆粒的動態散射光點的布朗運動特性來獲得顆粒的粒度；另一種是控制數字相機的快門速度使得拍攝到的一幀圖像中的顆粒動態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據處理，由式(2)得到擴散係數，然後由式(1)得到顆粒的粒度。在靜態光散射測量時，光路布置與動態光散射測量同，但僅分析顆粒的靜態光散射特性來獲得顆粒的粒度。在對顯微物鏡的焦距和光散射測量中的透鏡焦距，象差，色差等參數綜合考慮設計時，可以將這兩個透鏡合為一個。基於上述發明原理，本實用新型的技術方案是一種多方法融合的顆粒粒度儀，其特徵在於，該顆粒粒度儀由雷射光源、非單色照明光源、顯微物鏡、道威稜鏡或2個90度折轉稜鏡或2個全反射鏡構成180度折轉光路、半透半反鏡、面陣數字相機或攝像機、樣品池和透鏡組合成兩光路結構，一路是從非單色照明光源發出的光照射到樣品池中的樣品，樣品池位於顯微物鏡的觀察面上，顯微物鏡將放大的圖像經過道威稜鏡後再經過半透半反鏡後到面陣數字相機或攝像機；另一路是雷射光源發出的光照射到樣品池中的樣品，透鏡將放大的圖像經過半透半反鏡後到面陣數字相機或攝像機。所述的雷射光源由第一雷射光源和第二雷射光源組成，所述的第一雷射光源和第二雷射光源成90度垂直布置。所述第二雷射光源與第一雷射光源布置成60度角或135度角。所述照明光源採用發光二極體或微型燈泡。所述的面陣數字相機為CXD或CMOS數字相機。[0021 ] 本實用新型的有益效果是利用同一個傳感器件-CCD或CMOS數字相機將多種測量方法融合在一起，用簡單結構擴大了粒度儀的粒度測量上下限，使得基於本實用新型的粒度儀的測量範圍可以從納米級到數百微米級，滿足寬範圍粒度分布測量的要求，並可同時用圖像法給出顆粒的形貌參數。

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2中兩雷射光源示意圖；圖4為本實用新型實施例3示意圖；圖5為本實用新型實施例4示意圖。
具體實施方式
結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，該顆粒粒度儀由第一雷射光源1、第一照明光源2、第二照明光源3、顯微物鏡4、道威稜鏡5、半透半反鏡6、面陣數字相機或攝像機7、樣品池8和透鏡9組合成兩光路結構，一路是從第一照明光源2發出的光照射到樣品池8中的樣品，樣品池8位於顯微物鏡4的觀察面上，顯微物鏡4將放大的圖像經過道威稜鏡5後再經過半透半反鏡6後到面陣數字相機或攝像機7 ；另一路是第一雷射光源1發出的光照射到樣品池8中的樣品，透鏡9將放大的圖像經過半透半反鏡6後到面陣數字相機或攝像機7，面陣數字相機或攝像機7將圖像轉換成電信號送入計算機進行處理得到顆粒的粒度分布。本實用新型在用圖像法測量時，置於樣品池8下的第一照明光源2發光，布置在顯微物鏡周圍的第二照明光源3不發光，作為透射法圖像測量；置於樣品池8下的第一照明光源2不發光，布置在顯微物鏡周圍的第二照明光源3發光作為反射法圖像測量；所述第一照明光源2和第二照明光源3均採用發光二極體或微型燈泡，也可以是其他光源，當需要觀察或測量被測顆粒表面特性及形貌時，第二照明光源3從樣品的斜上方或上方照亮樣品顆粒，顯微物鏡將放大的圖像經過道威稜鏡5和半透半反鏡6後到面陣數字相機或攝像機7， 面陣數字相機或攝像機7將圖像轉換成電信號送入計算機進行處理得到顆粒的表面特性和形貌信息。本實用新型在用動態光散射法測量時，由第一雷射光源1發出的雷射束照射到樣品池8中的樣品顆粒，顆粒的前向動態散射光被透鏡9接收後經半透半反鏡6到面陣數字相機或攝像機7，面陣數字相機或攝像機7連續記錄顆粒的動態光散射信號，並送入計算機，根據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；或控制相機的快門速度L使得拍攝到的圖像上由於長時間曝光出現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，然後送入計算機，根據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；本實用新型在用靜態光散射法測量時，由第一雷射光源1發出的雷射束照射到樣品池8中的樣品顆粒，顆粒的前向靜態散射光被透鏡9接收後經半透半反鏡6到面陣數字相機或攝像機7，面陣數字相機或攝像機7將測得的顆粒靜態散射信號送入計算機，根據 Mie' s光散射理論進行處理，得到顆粒的粒度分布。實施例2 在實施例1中，靜態光散射和動態光散射測量的都是前向散射光。因為動態光散射是測量納米級到亞微米級顆粒，這些微小顆粒的動態散射光強度相對很弱，但在各個方向的散射光強比較均勻，環境雜散光會對這些微小顆粒的動態散射光產生很大的噪音。而微米級顆粒的前向散射光較強，側向散射光強相對較弱，在前向測量不易受環境雜散光的幹擾。為解決該問題，提出實施例2，由圖2所示。與實施例1不同的是在本實施例中動態光散射和靜態光散射測量分別採用兩個雷射光源第一雷射光源1和第二雷射光源10，由圖2、圖3所示。在動態光散射測量時，第二雷射光源10發出的雷射束照射到樣品池8中的顆粒，側向90度方向的顆粒動態光散射時序信號被面陣數字相機7拍攝記錄，這樣可以避免雷射束很強的前向雜散光的幹擾，提高動態光散射測量信號的信噪比。而在靜態光散射測量時第一雷射光源1發出的雷射束照射到樣品池8中的顆粒，顆粒的前向靜態光散射信號被面陣數字相機7拍攝記錄。圖3表示了本實施例中靜態光散射測量用第一雷射光源1和動態光散射測量用第二雷射光源10 的布置，第一雷射光源1和第二雷射光源10成90度垂直布置。其中動態光散射測量用第二雷射光源10也可以布置在不同角度，第二雷射光源10與第一雷射光源1布置成小於180 度，大於0度。實施例3 在採用靜態光散射測量較大顆粒，如數百微米顆粒時，實施例1中的透鏡9的焦距需要比較長，這樣構成的儀器尺寸較長。為減小儀器的尺寸，在本實施例中，將實施例1 中的道威稜鏡5的布置位置做了更改，如圖4所示。圖像法測量中經顯微物鏡4放大的圖像經半透半反鏡6後直接到面陣數字相機或攝像機7。光散射測量中的動態散射光或靜態散射光被透鏡9接收後經過道威稜鏡5後再經過半透半反鏡6到面陣數字相機或攝像機7。在本實施例中也可以如實施例2中那樣動態光散射測量和靜態光散射測量分別採用2個雷射光源成90度布置，以減少雜散光對側向散射光測量的幹擾。實施例4 在上述實施例中採用了道威稜鏡來改變光的傳播路線，但大尺寸的道威稜鏡成本很高，可以採用成本較低的2個90度折轉稜鏡5來代替道威稜鏡改變光的傳播路線，如圖 5所示。這2個90度折轉稜鏡也可以用2個的全反射鏡代替。在上述實施例中三種測量方法共用一個樣品池和一個面陣數字相機。靜態光散射法測量和動態光散射法測量還共用同一套測量系統，只是測量方法不同，所述的面陣數字相機為CCD或CMOS數字相機。
權利要求1.一種多方法融合的顆粒粒度儀，其特徵在於，該顆粒粒度儀由雷射光源、非單色照明光源、顯微物鏡、道威稜鏡或2個90度折轉稜鏡或2個全反射鏡構成180度折轉光路、半透半反鏡、面陣數字相機或攝像機、樣品池和透鏡組合成兩光路結構，一路是從非單色照明光源發出的光照射到樣品池中的樣品，樣品池位於顯微物鏡的觀察面上，顯微物鏡將放大的圖像經過道威稜鏡後再經過半透半反鏡後到面陣數字相機或攝像機；另一路是雷射光源發出的光照射到樣品池中的樣品，透鏡將放大的圖像經過半透半反鏡後到面陣數字相機或攝像機。
2.根據權利要求1所述的多方法融合的顆粒粒度儀，其特徵在於，所述的雷射光源由第一雷射光源和第二雷射光源組成，所述的第一雷射光源和第二雷射光源間的夾角布置成小於180度，大於0度。
3.根據權利要求1所述的多方法融合的顆粒粒度儀，其特徵在於，所述非單色照明光源採用發光二極體或微型燈泡。
4.根據權利要求1所述的多方法融合的顆粒粒度儀，其特徵在於，所述的面陣數字相機為CCD或CMOS數字相機。
專利摘要本實用新型公開了一種多方法融合的顆粒粒度儀，特點是它由雷射光源、非單色照明光源、顯微物鏡、道威稜鏡或2個90度折轉稜鏡或全反射鏡、半透半反鏡、面陣數字相機或攝像機、樣品池和透鏡組合成兩光路結構，一路是從非單色照明光源照射到樣品池中的樣品，顯微物鏡將放大的圖像經道威稜鏡後再經半透半反鏡後到面陣數字相機；另一路是雷射光源光照射到樣品池中的樣品，透鏡將放大的圖像經半透半反鏡後到面陣數字相機；本實用新型的有益效果是用同一數字相機將多種測量方法融合在一起，用簡單結構擴大了粒度儀測量上下限，使得粒度儀的測量範圍可以從納米級到數百微米級，滿足寬範圍粒度分布測量的要求，並可同時用圖像法給出顆粒的形貌參數。
文檔編號G01N15/02GK202133598SQ201120070350
公開日2012年2月1日 申請日期2011年3月17日 優先權日2011年3月17日
發明者蘇明旭, 蔡小舒 申請人:上海理工大學