全自动激光粒度分布仪的研制

　　0　引言

　　颗粒特性包括粒度、粒度分布、颗粒形状、孔隙度、比表面积等[1],其中粒度及粒度分布是颗粒最重要的特性。因此,把颗粒粒度及粒度分布的测试作为保证产品质量和开发新产品的重要手段早己成为人们的共识,激光粒度仪也成为粉体行业不可缺少的仪器。目前,市场上的粒度仪大多自动化水平较差,需要分步完成测试工作,为此,研制了全自动激光粒度仪,该仪器能够在电脑控制下自动完成所有操作,具有自动测试、自动光路校准(自动对中)、自动进水、自动排水、自动消除气泡、自动清洗等特殊功能。

　　1　激光粒度测量的基本原理

　　激光器发出的激光束,经滤波、扩束、准直后变成一束平行光,在该平行光束没有照射到颗粒的情况下,光束经过傅里叶透镜后将汇聚到焦点上[2]如图1所示的A点。

　　当通过某种特定的方式把颗粒均匀地放置到平行光束中时,激光将发生衍射和散射现象,一部分光将与光轴成一定的角度向外扩散。Mie散射理论证明:大颗粒引发的散射光与光轴之间的散射角小,小颗粒引发的散射光与光轴之间的散射角大。这些不同角度的散射光通过傅里叶透镜后汇聚到焦平面上将形成半径不同明暗交替的光环,不同半径上光环都代表着粒度和粒度分布信息[3]。

　　2　系统硬件设计

　　全自动激光粒度分布仪由激光器、傅里叶透镜、光电接收器阵列、信号转换与传输系统、样品自动分散循环系统、数据处理系统等组成,如图2所示。单片机控制自动对中系统,使激光光束正对光电探测器的中心,控制自动循环分散系统将样品均匀地分散输送到样品池中的测试区域,激光束照射到样品颗粒后产生光的衍射现象,在焦平面的不同半径上安装的一系列光电接收器将光信号转换成电信号,经过放大、A/D转换传给单片机。单片机通过RS-232接口与上位机通讯,上位机依据Mie散射理论对散射光产生的电信号进行运算处理,得到所测样品的粒度分布数据。

　　系统选用了89C52做为下位机CPU,外带硬件看门狗电路,保证了系统的安全运行。系统共有80个光电探测器,其中前向68个、侧向8个、后向4个,使用6片16路高速模拟开关来切换选通,送给A/D转换芯片将模拟量转换成数字量。系统选用了高速、高精度、最大通过率100 KS/s、带宽1_·5MHz的16位A/D转换芯片AD976;通讯接口芯片MAX232C;使用了固态继电器控制超声波和进水泵的启动和停止;采用了软件控制的PWM直流电机转速控制系统,节省了硬件资源。

　　3　系统软件设计

　　3·1　单片机软件设计

　　下位机程序包括初始化模块、通讯模块、检测模块、控制模块、自诊断模块等,如图3所示。初始化模块定义了单片机工作所需的各端口状态;通讯模块接收上位机发送的检测和控制命令,并将采样数据传送给上位机;检测模块对80个光电探测器的采样信号进行循环采样;控制模块根据上位机命令,控制自动对中系统、进水组件、排水组件、循环系统、超声系统的运行;自诊断模块定期检测系统运行情况。