專利名稱：基于圖像監測微顆粒形狀與散射的裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及光學領域，具體是基于圖像監測微顆粒形狀與散射的裝置。
背景技術：
作為影響和表征微顆粒物理特性的重要參數，粒形研究受到越來越多的重視。相對于已經比較成熟的粒度測量技術來說，粒形測量的發展要滯后地多，目前國內尚未見諸報道。通過測量粒形的數據可以為過程動力學研究提供更為豐富的信息；在生產過程中考慮到粒形參數的影響能夠監控產品品質、降低生產成本，如制藥、造紙、水泥等行業；顆粒形狀還可以從一定程度上反應來源從而有效控制污染；吸入性顆粒的沉淀位置和粒形密切相關，對于粒形的詳細監測可以使吸入性顆粒和疾病之間的關系更為明了；被認為是天氣和氣候研究中一大難題的卷云，其冰晶粒子不規則形狀的探討具有重要作用；因此粒形研究具有極為廣闊的前景。對于粒形分析來說，過去很難發展一種快速和常規的方法來達到。由于顆粒的散射光是粒形等多個因素的函數，因此是經常被嘗試的技術，然而要得到精確的反演形狀，運算量是比較大的；傳統上，顯微鏡也常用來進行該工作，并作為唯一可以觀察單獨顆粒并分析其大小和形狀的儀器，由于其絕對性，顯微技術常用來確認其他技術的結果，然而要得到統計學上有意義的結果，需要花費大量的時間進行樣品制備、人工觀察。本專利試圖從兩者結合的角度，簡化顆粒形狀的監測，并利用圖像輔助測量任意形狀顆粒的散射信號，一方面可以總結已有散射理論的適用條件，另一方面詳細的散射信號反演所得到的粒形信息也可以和顯微圖像比對，使反演理論得到修正。
發明內容
本發明的目的是提供一種基于圖像監測微顆粒形狀與散射的裝置，本發明通過顯微鏡放大CCD攝像設備拍出微顆粒的三視圖，同時極角和方位角圓面上的光纖在中心對稱的四十個角度收集顆粒的全部或部分散射信號，快速測量通過散射腔腔心的1～20um尺度內的任意顆粒并對其形狀做出分類。
本發明的技術方案基于圖像監測微顆粒形狀與散射的裝置，其特征在于包括有球形的散射腔體，其內表面經過粗糙化和發黑處理，散射腔體的頂部與底部分別有位于徑線上的進樣管與出氣管，從進樣管入射的微顆粒流經過腔心再進入出氣管，所述的進樣管的側壁上聯通有鞘流管，在與進樣管、出氣管中心軸線垂直的散射腔體徑向面上，有均勻排布的四個安裝孔，各安裝孔均指向散射腔體腔心，其中一個安裝孔中安裝有半導體激光器，其余三孔中安裝有顯微鏡放大CCD攝像裝置，半導體激光器的激光出射到飛過腔心的微顆粒上；位于散射腔體前、后方有兩個相互平行且與激光出射方向垂直的方位角光纖插孔圓面，其圓面上各均勻分布有10個指向腔心的方位角光纖插孔，其中方位角光纖插孔圓面和沿著激光出射方向的散射腔體垂直徑向面之交點處，均有方位角光纖插孔，各方位角光纖插孔和腔心之間的連線與激光出射線成45°夾角；散射腔體上有相互垂直且相交于激光出射方向的45°極角光纖插孔圓面和135°極角光纖插孔圓面，45°極角光纖插孔圓面和135°極角光纖插孔圓面與所述的散射腔體的水平的徑向面分別呈45°夾角、135°夾角，45°極角光纖插孔圓面和135°極角光纖插孔圓面與垂直于激光出射方向的散射腔體徑向面之交點處均有極角光纖插孔，在45°極角光纖插孔圓面和135°極角光纖插孔圓面上每個交點處之極角光纖插孔兩側各有二個極角光纖插孔，兩兩間隔27°，由此45°極角光纖插孔圓面和135°極角光纖插孔圓面上各有10個極角光纖插孔且均指向腔心；所述的方位角、極角光纖插孔中均安裝有采樣光纖。
所述的采樣光纖端部安裝有凸透鏡，方位角、極角光纖插孔前端有一環形內沿，所述的凸透鏡安置在環形內沿的內側。
所述的散射腔用硬鋁制作，由兩個內外徑分別為20mm和30mm的發黑半球腔組成。定義可調節半導體激光器和其對面的顯微鏡放大CCD攝像裝置軸心線為I，進樣管和出氣管軸心線為II，另二個顯微鏡放大CCD攝像裝置軸心線為III，I、II、III交于同一點即散射腔的腔心。I和II組成側視基準面，I和III組成上視基準面，II和III組成前視基準面(見圖3)。以前視基準面和垂直于激光出射方向的散射腔徑向面的交點處的極角光纖插孔為基準，在基準插孔兩側對稱每隔27°設置極角光纖插孔，形成兩個各含10個光纖插孔的測量極角散射光的圓面，測量極角散射光圓面與散射腔體的水平的徑向面相交所成角度分別為45°和135°；在與激光光束成45°和135°的錐面上，以側視基準面和散射腔的交點處光纖插孔為基準，兩側每隔36°設置光纖插孔，形成兩個各含10個光纖插孔的測量方位角散射光的圓面。四個圓面共含40個光纖插孔，且所有光纖插孔均指向中空散射腔的腔心，每一個光纖插孔均有一個以腔心為中心對稱的光纖插孔。為便于光纖定位，散射腔上的光纖插孔接近內表面處為直徑3mm的光纖接頭留出厚1mm直徑2.5mm的環形內沿。
1、散射腔的加工本發明用來測量微顆粒的形狀及其散射信號，因此散射腔內壁對入射光的反射須盡量小，應對其內壁進行粗糙化處理和發黑處理，目的是使每個角度的測量更加接近真實值。其他零部件與散射腔內表面的結合處以及伸進腔內的部分也應做類似處理。考慮到裝置的自身重量，散射腔體材料選用硬鋁。光纖插孔均指向腔心，并注意光纖插孔之間的對稱關系。
2、可調裝置的處理半導體激光器和顯微鏡放大CCD攝像裝置的顯微鏡頭位置均可以調節。半導體激光器的頂部螺絲用來微調激光器的垂直位置，以便使出射激光正對腔心。出光孔做成水平方向長而垂直方向短的矩形或橢圓形。顯微鏡頭外部攻絲，以微調顯微鏡頭和飛過散射腔腔心的微顆粒的距離。需要注意的是，與光束正對的顯微鏡頭前要加裝光增透和防反射的裝置。
3、光纖靈敏度的提高為提高散射信號的探測靈敏度，在采樣光纖端頭安裝了φ2.5mm的凸透鏡，令其散射光接收面擴大到原接收面的17倍。
4、組裝與校準為避免外界干擾，組裝過程中應密封散射腔體本身以及所有附屬零件與散射腔體的結合處，用進氣量等于出氣量的標準來檢驗以散射腔為主體的儀器密封程度。用純凈的干燥空氣吹掃散射腔體內部，直到沒有對實驗結果帶來影響的顆粒存在為止。由于機械加工或光纖安裝中的輕微誤差，可能導致標準球形顆粒同方位角的前向或后向散射信號不同，通過校準，使同一方位角接收散射光的能力相同。
本發明優點1.利用顯微鏡放大CCD攝像技術篩選出通過光束的單顆微粒。
2.40個方位角全面檢測微顆粒散射信號。
3.對顆粒形狀進行快速統計分類。
4.總結已有散射理論的適用條件，并使反演理論得到修正。
圖1為本發明外形結構示意圖；圖2散射腔體上各圓面分布結構示意圖；圖3散射腔體上部件組裝示意圖；圖4微顆粒形狀與散射測量流程圖；圖5實驗拍攝的10um棉絮的三視圖；圖6實驗測得的極角光纖圓面的散射信號。
具體實施例方式
參見附圖。
基于圖像監測微顆粒形狀與散射的裝置，其特征在于包括有球形的散射腔體1，其內表面經過粗糙化和發黑處理，散射腔體1的頂部與底部分別有位于徑線上的進樣管2與出氣管3，從進樣管2入射的微顆粒流經過腔心再進入出氣管3，所述的進樣管2的側壁上聯通有鞘流管4，在與進樣管2、出氣管3中心軸線垂直的散射腔體1徑向面上，有均勻排布的四個安裝孔5，各安裝孔5均指向散射腔體1腔心，其中一個安裝孔5中安裝有半導體激光器6，其余三孔中安裝有顯微鏡放大CCD攝像裝置7，半導體激光器6的激光出射到飛過腔心的微顆粒上；位于散射腔體1前、后方有兩個相互平行且與激光出射方向垂直的方位角光纖插孔圓面，其圓面上各均勻分布有10個指向腔心的方位角光纖插孔8，其中方位角光纖插孔圓面和沿著激光出射方向的散射腔體垂直徑向面之交點處，均有方位角光纖插孔8，各方位角光纖插孔和腔心之間的連線與激光出射線成45°夾角；散射腔體1上有相互垂直且相交于激光出射方向的45°極角光纖插孔圓面和135°極角光纖插孔圓面，45°極角光纖插孔圓面和135°極角光纖插孔圓面與所述的散射腔體1的水平的徑向面分別呈45°夾角、135°夾角，45°極角光纖插孔圓面和135°極角光纖插孔圓面與垂直于激光出射方向的散射腔體徑向面之交點處均有極角光纖插孔9，在45°極角光纖插孔圓面和135°極角光纖插孔圓面上每個交點處之極角光纖插孔9兩側各有二個極角光纖插孔9，兩兩間隔27°，由此45°極角光纖插孔圓面和135°極角光纖插孔圓面上各有10個極角光纖插孔9且均指向腔心；所述的方位角、極角光纖插孔中均安裝有采樣光纖10。
所述的采樣光纖端部安裝有凸透鏡，方位角、極角光纖插孔前端有一環形內沿，所述的凸透鏡安置在環形內沿的內側。
一.密封散射腔以及散射腔與附屬零件的結合處，使其不受外界大氣的影響，密封的散射腔及其結合處同時光封以消除外界光的影響。用純凈空氣吹掃散射腔內部，直到沒有對實驗帶來影響的顆粒為止。調節散射腔頂部的進樣管氣流量，配合鞘流，使兩者的比例達到1∶6左右(參考粒子計數器的比例)，產生沿進樣器軸心線直線飛行的單顆粒微粒子流。
二.定義可調節半導體激光器和其對面的顯微鏡放大CCD攝像裝置軸心線為I，進樣管和出氣管軸心線為II，另二個顯微鏡放大CCD攝像裝置軸心線為III，I、II、III交于同一點即散射腔的腔心。I和II組成側視基準面，I和III組成上視基準面，II和III組成前視基準面(見圖3)。可以重新組合半導體激光器和顯微鏡頭的安裝位置，例如可以將顯微鏡頭和半導體激光器調換，重新定義基準面，多角度觀察顆粒的形狀和散射信號。半導體激光器的輸出光束為長2mm、寬0.5mm的矩形，原因在于①單顆粒飛行的微粒子流宏觀上間距是很小的，為保證收集到盡可能多的單顆粒圖像和散射信號，激光束的高度在滿足測量要求的前提下應盡量小；②單顆粒飛行的微顆粒流盡管有鞘流的限制，仍會有偏離軸心線的誤差。半導體激光器支架的頂部螺絲用來調節激光器的微小位移，以使其發出的激光正對腔心。
三.散射腔體的內部是一個標準的圓球空腔，在散射腔體的表面打有40個光纖插孔，所有的光纖插孔均指向散射腔體內部圓球空腔的腔心，且每一個光纖插孔均有且僅有一個和它正對的在同一直徑的光纖插孔。方位角光纖插孔有兩組，每組含10個。以前視基準面形成面對稱，定義側視基準面和散射腔交點處的插孔為基準插孔，則光纖插孔成等角間隔均布在與激光光束成45°和135°的圓錐角上。極角光纖插孔形成兩個相互垂直的圓面，每個圓面含有10個插孔且與上視基準面和側視基準面均成45°面夾角，定義前視基準面與散射腔的交點處插孔為基準插孔，插孔兩側以前視基準面為對稱每隔27°夾角設置光纖插孔。為便于光纖定位，散射腔上的所有光纖插孔接近內表面處為直徑3mm的光纖接頭留出1mm直徑2.5mm的臺階。
四.如果測量的是標準球形顆粒的話，同一側方位角光纖插孔處的光纖所測信號應該全部相同，否則便不是球形顆粒。用此方法可以快速監測微顆粒中球形粒子的含量百分比。
五.為節省采集卡的數據存儲負荷，本發明從硬件和軟件兩個方面入手。硬件可調節半導體激光器是脈沖式的，脈沖頻率和占空比通過信號發生器調整。脈沖低電平時，激光器關閉，由于采集閾值的限制，采集卡默認數據無效；脈沖高電平到來時，激光射入散射腔，采集卡采集光纖數據。軟件可調節半導體激光器可以是常開的，微顆粒圖像和散射信號的采集是通過程序軟件控制的，調試程序軟件，使信號采集達到最佳效果。
六.微顆粒的信號采集過程如下調節進樣量和鞘流的大小，使部分微顆粒在鞘流限制下沿直線單粒飛過散射腔的腔心。調節激光器的光強和光束大小，使其工作狀態穩定且處于最佳。激光和飛過腔心的微顆粒相交，黑背景的CCD亮紋中出現微顆粒帶有散射的顯微鏡放大圖像；與此同時，極角光纖圓面和方位角光纖圓面的40根光纖根據設置采集微顆粒的散射光信號，經光電倍增管和放大器放大，散射光電信號和圖像信號進入數據處理軟件，快速得到微顆粒的形狀分類和對應的散射光序列。如果激光射入或軟件設置采集時，恰好無微顆粒飛過或CCD拍攝到的非單顆粒，則該次信號采集無效。
七.圖5照片是用本發明裝置拍攝的10um棉絮的三視圖，45°光纖圓面散射信號和135°光纖圓面散射信號是用該發明裝置測得的上述10um棉絮的散射信號(見圖6)。
八.幾何光線追蹤法或T-Matrix等理論在其適用范圍內可以計算對稱情況下的微顆粒散射信號，通過對比理論結果和CCD拍攝到的顆粒所處狀態的散射信號，可能總結出散射理論的適用范圍；同時詳細的散射信號反演所得到的粒形信息也可以和顯微圖像比對，使反演理論得到修正(見圖4)。
權利要求
1.于圖像監測微顆粒形狀與散射的裝置，其特征在于包括有球形的散射腔體，其內表面經過粗糙化和發黑處理，散射腔體的頂部與底部分別有位于徑線上的進樣管與出氣管，從進樣管入射的微顆粒流經過腔心再進入出氣管，所述的進樣管的側壁上聯通有鞘流管，在與進樣管、出氣管中心軸線垂直的散射腔體徑向面上，有均勻排布的四個安裝孔，各安裝孔均指向散射腔體腔心，其中一個安裝孔中安裝有半導體激光器，其余三孔中安裝有顯微鏡放大CCD攝像裝置，半導體激光器的激光出射到飛過腔心的微顆粒上；位于散射腔體前、后方有兩個相互平行且與激光出射方向垂直的方位角光纖插孔圓面，其圓面上各均勻分布有10個指向腔心的方位角光纖插孔，其中方位角光纖插孔圓面和沿著激光出射方向的散射腔體垂直徑向面之交點處，均有方位角光纖插孔，各方位角光纖插孔和腔心之間的連線與激光出射線成45°夾角；散射腔體上有相互垂直且相交于激光出射方向的45°極角光纖插孔圓面和135°極角光纖插孔圓面，45°極角光纖插孔圓面和135°極角光纖插孔圓面與所述的散射腔體的水平的徑向面分別呈45°夾角、135°夾角，45°極角光纖插孔圓面和135°極角光纖插孔圓面與垂直于激光出射方向的散射腔體徑向面之交點處均有極角光纖插孔，在45°極角光纖插孔圓面和135°極角光纖插孔圓面上每個交點處之極角光纖插孔兩側各有二個極角光纖插孔，兩兩間隔27°，由此45°極角光纖插孔圓面和135°極角光纖插孔圓面上各有10個極角光纖插孔且均指向腔心；所述的方位角、極角光纖插孔中均安裝有采樣光纖。
2.根據權利要求1所述的基于圖像監測微顆粒形狀與散射的裝置，其特征在于所述的采樣光纖端部安裝有凸透鏡，方位角、極角光纖插孔前端有一環形內沿，所述的凸透鏡安置在環形內沿的內側。
全文摘要
本發明公開了一種基于圖像監測微顆粒形狀與散射的裝置。在內表面經過粗糙化和發黑處理的散射腔體上，頂部與底部分別設置微顆粒流進樣管與出氣管，在散射腔體的水平方向的徑向面上每間隔90°安裝半導體激光器和三個可調節顯微鏡，散射腔有規律的分布有40個指向腔心的方位角與極角光纖插孔，光纖插孔內安裝有采樣光纖，從40個方位角全面檢測微顆粒散射信號，利用顯微鏡放大CCD攝像技術篩選出通過光束的單顆微粒，對顆粒形狀進行快速統計分類，總結已有散射理論的適用條件，并使反演理論得到修正。
文檔編號G01N21/53GK101082562SQ200710023960
公開日2007年12月5日 申請日期2007年6月28日 優先權日2007年6月28日
發明者邵士勇, 姚永幫, 饒瑞中 申請人:中國科學院安徽光學精密機械研究所