光电技术在微小颗粒测量中的应用

　　1　光学部分

　　虽然测量微小颗粒的方法很多,如显微镜法、沉降法等,但是用光学的方法测量具有更多优点:

　　(1)由于光的透射性,可以实现非接触测量; (2)光电转换频响时间很短,且可与计算机配合使用; (3)对被测微小颗粒的物理特性(密度、粘度等)要求低;(4)适用固体、液体及气体。

　　本装置用光学中光的夫琅和费衍射现象测量颗粒。根据夫琅和费衍射的理论,当一束平行光照射到测量区中的颗粒群时,便会产生光的衍射现象,因此,衍射光的强度分布与测量区中被照射的颗粒直径和颗粒数有关。图1是微小颗粒测量的示意图。

　　当一束平行光通过一个直径为d的小孔或微粒时,在光电探测器的屏幕上的衍射光强分布为

　　式中,I0为平行入射光强度;f为接收透镜的焦距;λ为入射光的波长;X=πdsinθ/λ,θ为衍射角,当衍射角比较小时,sinθ=θ;J1为一阶Bessel函数。

　　从式(1)可知,在其他参数不变的情况下,I(θ)的大小与被照射的颗粒的粒径d有一定的对应关系,粒径越大衍射光的强度越大。衍射图形与颗粒直径之间存在着完全确定的对应关系。由于我们所用的是光电探测器,因此,对于光电探测器的第n环(设环半径从rn~rn+1对应的衍射角从θn到θn+1),其光能量为

　　实际测量区中的颗粒数往往很多,而且所有颗粒的粒径大小又不同。设颗粒直径为di,颗粒有Ni个,这时光电探测器每一环的衍射光能量为:

　　探测器有30环,对其中每一环都可按式(6)写出其衍射光能, e₁、e₂…e₃₀。反之,如果光电探测器能探测到e₁、e₂…e₃₀各环光能,就能算出与这个光能分布相对应的颗粒尺寸。以上所述就是用光的衍射理论,测量微小颗粒粒径及颗粒分布的方法。

　　2　电学部分

　　图3是30环光电探测器的示意图。光通过颗粒群产生衍射光能,在光电探测器光环上转换成电信号。

　　图4是数据采集系统方框图。它由光电探测器、多路模拟开关、I/V转换器、放大器、采/保器、A/D转换器和CPU等组成。系统通过触发器及译码器分别控制多路模拟开关的地址端及禁止端,分时接通来自光电探测器的1至30环电信号,进行I/V转换;由于转换后电信号非常微弱,需经放大器进行放大。考虑到各种颗粒在衍射后的光能强弱不同,因此放大器的放大倍数设计成可调的,通过模拟开关,分别改变放大倍数。通过放大器的电信号进入采样/保持电路,对高速变化的模拟信号进行瞬时采样,并把采样值保存下来,直到转换完为止。通过各种逻辑门分别控制A/D芯片。把采样来的信号转换成数字信号,与接口电路通信,便于微机控制。