光電技術(shù)在微小顆粒測量中的應(yīng)用

ApplicationofOpticsandElectricsTechnologyinSmallParticlesMeasurement

SUNHao

(CollegeofElectricalEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)

Abstract:Theapplicationofopticsandelectricstechnologyinsmallparticlesmeasurementwasintroducedinthispaper.

Keywords:laser;opticsandelectricsconversion;interfacetechnology

1光學(xué)部分

雖然測量微小顆粒的方法很多，如顯微鏡法、沉降法等，但是用光學(xué)的方法測量具有更多優(yōu)點(diǎn)：

(1)由于光的透射性，可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量；(2)光電轉(zhuǎn)換頻響時(shí)間很短，且可與計(jì)算機(jī)配合使用；(3)對被測微小顆粒的物理特性(密度、粘度等)要求低；(4)適用固體、液體及氣體。

本裝置用光學(xué)中光的夫瑯和費(fèi)衍射現(xiàn)象測量顆粒。根據(jù)夫瑯和費(fèi)衍射的理論，當(dāng)一束平行光照射到測量區(qū)中的顆粒群時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生光的衍射現(xiàn)象，因此，衍射光的強(qiáng)度分布與測量區(qū)中被照射的顆粒直徑和顆粒數(shù)有關(guān)。圖1是微小顆粒測量的示意圖。

當(dāng)一束平行光通過一個(gè)直徑為d的小孔或微粒時(shí)，在光電探測器的屏幕上的衍射光強(qiáng)分布為

式中，I0為平行入射光強(qiáng)度；f為接收透鏡的焦距；λ為入射光的波長；X=πdsinθ/λ，θ為衍射角，當(dāng)衍射角比較小時(shí)，sinθ=θ；J1為一階Bessel函數(shù)。

從式(1)可知，在其他參數(shù)不變的情況下，I(θ)的大小與被照射的顆粒的粒徑d有一定的對應(yīng)關(guān)系，粒徑越大衍射光的強(qiáng)度越大。衍射圖形與顆粒直徑之間存在著完全確定的對應(yīng)關(guān)系。由于我們所用的是光電探測器，因此，對于光電探測器的第n環(huán)(設(shè)環(huán)半徑從rn～rn+1對應(yīng)的衍射角從θn到θn+1)，其光能量為

將式(1)、(3)代入(2)，通過積分變量變換并化簡：

實(shí)際測量區(qū)中的顆粒數(shù)往往很多，而且所有顆粒的粒徑大小又不同。設(shè)顆粒直徑為di，顆粒有Ni個(gè)，這時(shí)光電探測器每一環(huán)的衍射光能量為：

探測器有30環(huán)，對其中每一環(huán)都可按式(6)寫出其衍射光能，e1、e2…e30。反之，如果光電探測器能探測到e1、e2…e30各環(huán)光能，就能算出與這個(gè)光能分布相對應(yīng)的顆粒尺寸。以上所述就是用光的衍射理論，測量微小顆粒粒徑及顆粒分布的方法。

2電學(xué)部分

圖3是30環(huán)光電探測器的示意圖。光通過顆粒群產(chǎn)生衍射光能，在光電探測器光環(huán)上轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

圖4是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方框圖。它由光電探測器、多路模擬開關(guān)、I/V轉(zhuǎn)換器、放大器、采/保器、A/D轉(zhuǎn)換器和CPU等組成。系統(tǒng)通過觸發(fā)器及譯碼器分別控制多路模擬開關(guān)的地址端及禁止端，分時(shí)接通來自光電探測器的1至30環(huán)電信號(hào)，進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換；由于轉(zhuǎn)換后電信號(hào)非常微弱，需經(jīng)放大器進(jìn)行放大?？紤]到各種顆粒在衍射后的光能強(qiáng)弱不同，因此放大器的放大倍數(shù)設(shè)計(jì)成可調(diào)的，通過模擬開關(guān)，分別改變放大倍數(shù)。通過放大器的電信號(hào)進(jìn)入采樣/保持電路，對高速變化的模擬信號(hào)進(jìn)行瞬時(shí)采樣，并把采樣值保存下來，直到轉(zhuǎn)換完為止。通過各種邏輯門分別控制A/D芯片。把采樣來的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，與接口電路通信，便于微機(jī)控制。

3結(jié)束語

本文介紹的應(yīng)用光學(xué)、電學(xué)及計(jì)算機(jī)接口原理，研究微小顆粒粒徑及其分布規(guī)律的技術(shù)有著廣泛應(yīng)用前景。