光电技术在微小颗粒测量中的应用

ApplicationofOpticsandElectricsTechnologyinSmallParticlesMeasurement

SUNHao

(CollegeofElectricalEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)

Abstract:Theapplicationofopticsandelectricstechnologyinsmallparticlesmeasurementwasintroducedinthispaper.

Keywords:laser;opticsandelectricsconversion;interfacetechnology

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

将式(1)、(3)代入(2)，通过积分变量变换并化简：

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。

3结束语

本文介绍的应用光学、电学及计算机接口原理，研究微小颗粒粒径及其分布规律的技术有着广泛应用前景。