光纖測量粒子直徑的方法及設備的製作方法

2023-07-25 09:57:46

專利名稱：光纖測量粒子直徑的方法及設備的製作方法
技術領域：
本發明是關於測量粒子或液滴直徑及分布的方法和設備。
眾所周知，人們對廣泛存在於工業、醫藥、食品及生活等領域的液滴、油滴、顆粒、小顆粒及粉末大小的測量一般是採用照相法或高速攝影法。這類方法數據處理工作量大，處理時間長，需要大量人力物力，而且對細小粒子的測量其精度受到限制。
另一類典型方法是用前散射方法(forwardScatteringmethod)測粒子直徑。如測量透平中的液滴(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行測量比照相法簡便，但測量過程仍比較複雜而且麻煩，處理時間也較長，成本高。
近年來，較好的測量粒子直徑分布的方法及裝置在美國專利US4595291中公開，它也是用前散射方法進行測量。它是通過測量在預定散射角方向上的散射光強，利用Mie散射理論計算被測粒子的粒子直徑分布。其測量方法是通過光纖引導的雷射束，經多塊透鏡形成平行光束，然後發射到被測粒子群中，引起多方向散射，透射光進入排得與入射雷射束方向一致的光纖。散射角與入射雷射束方向有關，接收散射光的光纖在小散射角範圍內是緊密排列的，在大散射角範圍內是稀疏排列的。散射光強與散射角、粒子密度及分布有關。光強用照相探測器檢測，並被轉換成電信號輸出，由數據處理機計算粒子直徑分布。當在散射角為0°-30°時進行測量，此裝置可準確地測量0.5-50um的粒子直徑分布;在散射角為0°-60°時進行測量，它可以測量直徑小於0.5um的粒子分布。由於受到光纖及加工條件限制，對大於50um的粒子測量有一定困難，此裝置精度要求高，結構複雜，加工裝配都較困難。
本發明的目的是為了提供一個能精確、快速測量大於20um粒子直徑及分布，並且結構簡單，加工裝配容易，省工省時，成本低的方法和設備。
本發明的目的是通過下列措施來實現的本發明是用光纖測量粒子直徑及分布的方法，使通過光纖探頭內的若干根光纖傳輸的光信號，直接發射到發射端與光信號接收端之間的被測粒子上，用在光纖探頭上設置的光纖接收裝置內的光纖接收粒子產生的遮擋光信號，再把光信號轉換成電信號，經信號處理，送入計算機計算顯示。
為要實現光纖測量粒子直徑的設備，是在光纖探頭內設置一個與光源相連的光纖發射裝置，一個光纖接收裝置，兩裝置的發射端與接收端之間在光纖探頭外構成間隙，用粘接劑、固定元件固定兩裝置及外殼，在固定元件上還設置光電轉換元件。
所用的光纖發射裝置是通過發射管的若干根光纖，一端與光源發生器相連，光源可以是雷射，也可以是冷光源，另一端A作為光信號發射端，若干根傳輸光纖的選取可以根據光纖探頭接收端前方產生的光點要均勻來選取。
在光纖探頭內設置的光纖接收裝置是通過接收套管的光纖，它可以採用三根，在管內橫截面上可以呈三角形排列，也可以採用四根，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。光纖粗細可以按被測粒子大小來選取，光纖粗細一般可以是粒子大小的1/3以下。光纖一端B作為光信號接收端。發射端A與接收端B之間構成的間隙大小最好為0.5-10mm。光纖另一端Ⅳ及發射管適當位置Ⅰ通過固定元件固定在光纖探頭內靠基座一端，這端固定元件採用光纖接頭、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與發射管的適當部位Ⅱ通過固定元件固定於外殼另一端，該固定元件可以用固定板，固定板與光纖外殼的連接可以採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套裝空心管，若干根光纖通過的發射管可以為空心管。而且在光信號發射端與光信號接收端之間設置了間隙調節元件，用於調節間隙大小，方便了不同大小粒子的測量。
本發明的另一特點是採用了計算機系統實現了信號採集和選擇以及粒子直徑的量算方法。光信號採集、挑選的量算方法是由預先編制好並存入計算機的程序完成，挑選出的一個粒子的完整信號應該由5個有一定排列次序的時間信號組成，可以根據這5個時間信號計算出粒子通過光纖探頭間隙的運動方向及速度，得到確定一個園所需要的兩根弦長及其之間的距離，從而算出粒子的直徑及分布。
因此本發明比一般測量粒子大小的設備速度快、精度高，計算方便，操作簡便，功能多，本計算機還可作他用。
根據本發明的方法和實現該方法所用的設備，現參照附圖和實施例，進一步詳細描述

圖1是本發明光纖探頭設備實施例的示意圖;
圖2是光纖探頭的主視圖、C-C及D-D剖面圖;
圖3是本實施例光柵盤示意圖;
圖4是本實施例粒子通過光纖示意圖;
圖5是粒子運動速度及方向的分析;
圖6是本實施例中粒子直徑計算圖;
圖7是本實施例信號分析示意圖;
圖8是本實施例採樣程序框圖;
圖9是本實施例粒子直徑計算程序框圖。
請參閱圖1至圖2，本發明所用設備包括光源、光纖探頭、信號轉換設備及計算機系統等部分。
所用光纖探頭詳細描述如下，它包括外殼7、基座3、固定元件4及8、光纖發射裝置、光纖接收裝置、光電轉換元件等。發射裝置是通過發射管6和若干根光纖5，一端與光源1相連，例如與雷射發生器1相通，另一端A作為光信號發射端，發射管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的光纖的選取是根據光纖探頭接收端前方產生均勻光點，例如本實施例選用一千多根光纖組成，把雷射束直接發射到發射端與光信號接收端之間AB間隙的被測粒子上。接收裝置是通過接收套管9的一定數量光纖10，例如採用三根或四根最好採用三根，在管內橫截面上呈三角形排列或呈四邊形排列，後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端作為信號接收端，光纖10通過接收套管9，例如選用管內套裝空心管或代用空心管是為了便於固定光纖10在光纖接頭4上。光纖大小由所測粒子大小選取，一般接收光纖10的粗細是被測粒子大小的1/3以下。測量細小粒子或密度很大的粒子，光纖10越細就可使測量範圍擴大，測量誤差越小，提高測量精度，用細光纖測量對測量誤差的影響可忽略不計。選用較細的光纖時，為了固定光纖，還要根據套管9的大小再增用內層空心管或代用內層空心管。例如光纖粗細為10μm，可測粒子大小為30μm以上，由於受現有光纖粗細及空心管大小限制，本發明現在更多用於測量20um-8mm粒子直徑及分布。
接收套管9末端附近Ⅲ及發射管6接近Ⅱ處與固定元件用粘接劑固定，例如固定板8，用既耐腐蝕又防洩漏起密封作用的粘接劑，例如市場上出售的環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便，容易固定，密封性好。
光纖探頭與被測粒子接觸部分都要求密封。通過光纖探頭位置改變，可以測量容器內不同位置的粒子。用它測量含油性的液滴，最好外加塗有聚乙烯醇的透明薄膜，以免探頭被油滴汙染。空心管最好由耐腐蝕的材料製成，例如塑料管、尼龍管及不鏽鋼等。
三根光纖10從接收套管9內引出進入套管11，同時與發射管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。從發射管6末端Ⅰ引出的發射光纖5與雷射發生器相通。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相互幹擾的活性炭的環氧樹脂固定光電轉換元件，例如光敏電阻，通過光敏電阻實現光電轉換，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。電信號通過基座3及光纖接頭上的保護套2被引出到計算機系統12。
通過發射管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端在光纖探頭外構成間隙，為了方便地測量不同大小的粒子，在A或B端有一端設有帶玻璃片的間隙調整元件，例如用螺紋連接。間隙可在0.5-10mm範圍內調節。間隙的調節也可以把發射管改成活動的來進行調節。
參照圖3至圖5，當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，就會在接收端有三個不同的光遮擋信號經光纖10導引到光電轉換元件，產生的電信號經信號轉換儀放大、濾波、整形會產生誤差，而且三路光纖10信號本身就有差別，因此須對信號進行標定，以扣除儀器產生的誤差，本發明實施例是採用能轉動的光柵盤進行標定的。
參照圖4至圖9，詳細描述了計算機實現自動採樣、挑選及計算。信號採集是通過信號接口卡來完成的，例如6522卡，它採集並記錄接收端三根光纖產生的所有信號。一個通過AB間隙的粒子產生的完整信號應該至少有5個時間信號組成(t1、t2、t3及t4、t5、t6)。對於不規則的其它信號應以剔除，例如粒子並沒有擋住三根光纖，而只擋住了一根或兩根光纖，這樣就會產生粒子不完整信號。信號的挑選要求信號出現的次序為t1、t2、t3，然後再是t4、t5、t6的各種排列，並記錄前面5個信號。
根據5個時間信號，可以算出粒子通過AB間隙的運動方向及速度，得到確定一個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。所用公式粒子運動方向α=arctg［(1- (t12)/(t12+t23) )/3]]>］粒子運動速度v＝(S23/t23)·Cos(π/3-α)弦長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本發明與現有技術相比具有顯著的優點和效果能快速、精確地對粒子運動速度、方向、粒子直徑及其分布進行測量，可以廣泛用於工業，包括軍工、石油、化工、輕工、醫藥、食品及生活等領域的粒子如乳滴、油滴、顆粒、小顆粒及粉末直徑的測量，如霧滴、水泥及冶金粉末等。操作簡便，省時省力，設備結構簡單，容易加工裝配，使用可靠，成本低。該設備還可用於其他控制。
符號說明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μmt12從光纖1產生信號到光纖2產生信號時間μst23從光纖2產生信號到光纖3產生信號時間μst14在光纖1產生一個上升沿信號到一個下降沿信號時間μst25在光纖2產生一個上升沿信號到一個下降沿信號時間μst36在光纖3產生一個上升沿信號到一個下降沿信號時間μsv粒子運動速度μm/μsα粒子運動方向
權利要求
1.一種光纖測量粒子直徑的方法，其中經過光纖探頭的光纖導引雷射束，通過發射端內的元件發射到許多被測粒子上，光信號由光纖探頭內另外若干根光纖接收，由轉換設備轉換成電信號，最後由數據處理機處理計算，其特徵在於使通過光纖探頭內的若干根光纖傳輸的光信號，直接發射到發射端與光信號接收端之間的被測粒子上，用在光纖探頭上設置的光纖接收裝置內的光纖接收粒子產生的遮擋光信號，再把信號轉換成電信號，送入計算機系統計算顯示。
2.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於傳輸光信號的若干根光纖是根據光纖探頭接收端前方產生均勻光點選取。
3.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於通過光纖接收裝置內的光纖可以採用三根，可以呈三角形排列。
4.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於通過光纖接收裝置內的光纖可以採用四根，可以呈四邊形排列，並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.按照權利要求3或4所述的方法，其特徵在於所述通過光纖接收裝置的光纖粗細可以根據被測粒子大小來選取，粒子大小一般可以是光纖粗細的3倍以上。
6.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於使發射端與接收端之間形成一個間隙，間隙大小可以為0.5-10mm。
7.為要實現光纖測量粒子直徑的設備，包括光源和與光源相連並用於測量粒子直徑的光纖探頭，轉換設備及數據處理機等，其特徵在於1)、其中在所述光纖探頭內設置一個與光源相連的光纖發射裝置，一個光纖接收裝置，兩裝置的發射端與接收端之間在光纖探頭外構成間隙，用粘接劑、固定元件固定兩裝置及外殼，在固定元件上還設置光電轉換元件，2)、所述的數據處理機是計算機，實現光信號採集和選擇以及粒子直徑計算的量算方法。
8.按權利要求7所述的設備，其特徵在於所述的光纖發射裝置是通過發射管的若干根光纖，一端與光源發生器相通，另一端A作為光信號發射端，所述的光纖接收裝置是通過接收套管的光纖，一端B作為光信號接收端，另一端Ⅳ及發射管Ⅰ通過固定元件固定在在靠基座一端，接收套管靠Ⅲ端與發射管靠Ⅱ處通過固定元件固定於外殼另一端上。
9.按照權利要求7或8所述的設備，其特徵在於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.按照權利要求7-9中任何一項所述的設備，其特徵在於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.按照權利要求10所述的設備，其特徵在於在光纖接頭的另一面固定的光電轉換元件為光敏電阻。
12.按照權利要求11所述的設備，其特徵在於所述光敏電阻由加有活性炭的粘接劑固定。
13.按照權利要求7或8所述的設備，其特徵在於固定板與光纖探頭外殼的連接可以採用耐腐蝕、密封性好的粘接劑，探頭與被測粒子接觸部位應採用該粘接劑進行密封。
14.按權利要求8所述的設備，其特徵在於光纖通過的接收套管為管內套裝空心管，若干根光纖通過的發射管為空心管。
15.按照權利要求7或8所述的設備，其特徵在於用該光纖探頭測量含油性的液滴大小時，可以外加塗有聚乙烯醇的透明薄膜。
16.按照權利要求7或8所述的設備，其特徵在於在光信號發射端或光信號接收端有一端設有帶玻璃片的間隙調節元件，用於調節間隙大小。
17.按照權利要求7所述的設備，其特徵在於所述的計算機的光信號採集與選擇的量算方法是由預先編制好並存入計算機的程序完成，挑選出的一個粒子的完整信號應該由5個有一定排列次序的時間信號組成。
18.按照權利要求17所述的設備，其特徵在於根據5個時間信號可以計算出粒子通過光纖探頭間隙的運動方向及速度，得到確定一個園所需要的兩根弦長及其之間距離，可以計算出粒子的直徑。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
本發明是關於光纖測量大量粒子直徑及分布的方法及所用設備。把通過光纖探頭內的若干根光纖傳輸的光信號直接發射到被測粒子上，再由經過光纖探頭上設置的光纖接收裝置內的光纖把信號傳送到光電轉換元件，再經處理，由計算機採集並計算出粒子運動速度、方向及直徑，特別是能精確、快速地測量大於20μm以上的液滴、油滴、小顆粒、呈球形的粉末直徑，可以測量容器內不同位置粒子直徑及分布，結構簡單、加工裝配容易，操作方便，省工省力，成本低。
文檔編號G01N15/02GK1045861SQ9010282
公開日1990年10月3日 申請日期1990年3月17日 優先權日1990年3月17日
發明者賈志軍, 裘元燾, 時鈞 申請人:江南大學