專利名稱：顆粒粒徑、濃度光學(xué)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種光學(xué)傳感器，特別是一種顆粒粒徑、濃度光學(xué)傳感器，屬于測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中，某些應(yīng)用場合需要對顆粒的粒徑和濃度進(jìn)行測量。由于顆粒物質(zhì)幾乎涉及到所有的工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域，近幾十年來國內(nèi)外大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)和公司在這一方面作了大量研究工作，取得了一定的研究成果，開發(fā)出了許多顆粒測量技術(shù)和儀器，其中有些已經(jīng)實現(xiàn)商品化和系列化。目前常用的原理和技術(shù)上成熟的多相流顆粒測量方法主要有光學(xué)法、靜電(電容或電感)法、超聲法、放射性同位素法、計算機(jī)圖像法和其它利用流體力學(xué)、熱學(xué)特性實現(xiàn)的顆粒參數(shù)測量方法。顆粒測量技術(shù)中最具代表性的是衍射式激光粒度儀，經(jīng)文獻(xiàn)檢索，Malvern公司最新產(chǎn)品信息，刊登在www.malvern.co.uk上，衍射式激光粒度儀是利用顆粒衍射光能的分布反算出顆粒粒徑分布情況，這種顆粒粒度儀，習(xí)慣上稱之為Malvern儀，現(xiàn)在已有用于工業(yè)現(xiàn)場在線測量的報告，但這種以衍射原理進(jìn)行測量的粒度儀用于在線測量時存在一個無法克服的缺點因為要接收顆粒的衍射光，需要一個尺寸較大的接收透鏡和衍射光接收光靶，這使得探頭體積很大，在線測量時對多相流流場產(chǎn)生很強的干擾；由于鏡頭尺寸大，易被顆粒污染，鏡頭保護(hù)難度大；測量中必須保證顆粒衍射光同環(huán)形光靶同心，使用時調(diào)節(jié)難度大。檢索中還發(fā)現(xiàn)另一種粒子動態(tài)分析儀(英文縮寫PDA)，DanTec公司產(chǎn)品消息，網(wǎng)址www.dantecmt.com，它是利用兩束光相交后在顆粒上散射光的相位差實現(xiàn)顆粒粒徑測量，因為要處理散射光的相位信息，儀器成本非常高，儀器調(diào)節(jié)難度大，對環(huán)境要求高，光路布置缺乏靈活性，這些限制了它在惡劣環(huán)境下的使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，提供一種顆粒粒徑、濃度光學(xué)傳感器，使其具有體積小、測量對象廣、可測顆粒粒徑和濃度范圍寬、對環(huán)境要求低、使用和調(diào)節(jié)方便等特點，從根本上解決上述顆粒測量技術(shù)中的不足。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明采用分離組對結(jié)構(gòu)——每個傳感器由發(fā)射端和接收端兩部分組成，發(fā)射端包括限束器、透射—反射鏡、空間濾波器、半導(dǎo)體激光器、參考光接收器件、柱形筒體，其連接方式為限束器、透射—反射鏡、空間濾波器、半導(dǎo)體激光器依次排列，它們之間的配合精度由機(jī)加工保證，然后將其封裝在一個柱形筒體內(nèi)，固定在柱形筒體側(cè)壁的參考光由接收器件將透射—反射鏡上反射的參考光接收并轉(zhuǎn)換為電信號，該信號在發(fā)射端內(nèi)部經(jīng)過初步放大后由導(dǎo)線傳送到外部的電路進(jìn)一步進(jìn)行處理，發(fā)射端柱形筒體既可以起到保護(hù)上述器件的作用，又可以起到傳感器發(fā)射端同其他設(shè)備連接和固定的作用。柱形筒體前端開有小孔，測量工作所需的光束通過此小孔照射到帶粒流中，同時它還是保護(hù)流體的通道。接收端包括凸透鏡及金屬框架、光闌、二維調(diào)節(jié)裝置、光電接收器件、封裝體和初步信號放大電路，其連接方式為同發(fā)射端相似，這些元器件也被封裝在柱形圓筒體內(nèi)；凸透鏡及金屬框架通過螺紋連接在封裝體上，光闌固定在調(diào)節(jié)裝置上，光電接收器件也設(shè)置在二維調(diào)節(jié)裝置上，位于光闌之后，光電接收器件轉(zhuǎn)換的光電流輸入到封裝體內(nèi)部的初步信號放大電路中，放大后的信號通過導(dǎo)線輸出進(jìn)行后續(xù)處理。同發(fā)射端一樣，封裝體前端開有小孔，它構(gòu)成了光束和保護(hù)流體的通道。
發(fā)射端和接收端結(jié)構(gòu)上各成一體，相互間完全獨立，測量時發(fā)射端和接收端同軸布置，帶粒流通過兩者之間的空間即可實現(xiàn)測量。采用這種結(jié)構(gòu)可以根據(jù)被測對象的濃度、現(xiàn)場條件和所要測量部位隨意調(diào)節(jié)傳感器對的間距、安裝方式和位置，使用上非常靈活方便。
發(fā)射端利用了半導(dǎo)體激光器作傳感器的光源，不但光源體積很小，而且還可以用普通穩(wěn)壓電源、甚至電池供電，大大減小了光源和供電電路體積，使光源集成到傳感器內(nèi)部的設(shè)計成為可能。
從激光器發(fā)出的光首先通過空間濾波器，形成高質(zhì)量的光束，利用限束器，得到測量工作所需光束直徑；這一光束經(jīng)過透射—反射鏡，分出部分光作為參考光，用來計算入射光的強度，而其余部分穿越被測多相流流場。
空間濾波器可以過濾激光中的雜散光，進(jìn)一步提高光束的品質(zhì)，提高測量系統(tǒng)的總體性能。為了使測量系統(tǒng)有最好的性能，應(yīng)根據(jù)測量對象的粒徑范圍，選擇合適的光束直徑，調(diào)整限束器可以達(dá)到此目的；同時限束器還可用于調(diào)節(jié)傳感器可測粒徑的范圍。
根據(jù)測量原理，測量消光數(shù)據(jù)時先要測量同樣光路條件下無帶粒多相流時光束的光強，即原始光強，這在實際測量工作中有時難以實現(xiàn)，如在工業(yè)現(xiàn)場測量時，不可能為了測量原始光強而暫停生產(chǎn)；同時，由于電源電壓的波動、光源長期使用后可能產(chǎn)生的輸出特性變化等因素都可能造成原始光強的改變，因此必須設(shè)法解決原始光強的測量問題。對于固定的透射—反射鏡，它的透射—反射光強比是固定的，可以將反射光作為參考光，測量時根據(jù)透射—反射光強比和反射光強計算出原始入射光強，這樣不但解決了現(xiàn)場測量原始入射光強的問題，而且還可以克服由于電源電壓波動等因素造成的測量誤差。透射光強與放射光強比的推薦值約為9∶1，這樣既可以得到參考光強，又不損失過多測量所需的光能量。
接收端中的凸透鏡及金屬框架由凸透鏡、金屬框架組成，凸透鏡固定在金屬框架中，該金屬框架通過螺紋連接在封裝體上，通過螺紋可以調(diào)節(jié)凸透鏡與光闌間的距離；二維調(diào)節(jié)裝置由兩塊用燕尾槽相聯(lián)的滑塊組成，其中一個滑塊同兩根螺栓固定連接，螺栓通過螺紋孔同封裝體連接，并可以通過該對螺栓調(diào)節(jié)該滑塊在一維方向上的位置，在與這一螺栓對垂直的方向上有另外一對螺栓，它們同另一滑塊以摩擦方式相連接，使滑塊可以在另一維方向上自由移動，這樣構(gòu)成了一個二維調(diào)節(jié)裝置。
計算顆粒粒徑時需要顆粒的消光系數(shù)，消光系數(shù)的取值與透射光接收方式密切相關(guān)。本發(fā)明采用透鏡、光闌組合來實現(xiàn)遠(yuǎn)場散射效果利用透鏡將透射、散射光變換到其焦平面上，獲得遠(yuǎn)場散射效果；再通過光闌的作用，剔除所有的散射光，從而與Mie理論計算的消光系數(shù)結(jié)果相對應(yīng)。透射信號經(jīng)光電接收器件接收后轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)放大后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，輸入計算機(jī)進(jìn)行處理，最終給出其相應(yīng)的顆粒測量結(jié)果。
為了保護(hù)本發(fā)明內(nèi)部的光學(xué)電子器件不被污染，必須防止污染物進(jìn)入傳感器內(nèi)部。如果直接用光窗隔離，大多數(shù)情況下玻璃窗表面難以避免地被液體或固體污染物所玷污，從而使透射信號產(chǎn)生難以預(yù)測的變化，增大測量誤差。為此，本發(fā)明采用流體保護(hù)方式，即利用多相流中清潔主流流體作為保護(hù)介質(zhì)，讓其從傳感器發(fā)射端柱形筒體和接收端封裝體前的小孔流出，這樣就可以防止顆粒玷污安裝在傳感器內(nèi)部的元器件。為了降低保護(hù)液體對流場的干擾，采取了兩種措施一是減小孔的直徑，這樣可以降低保護(hù)流體的流量；二是控制保護(hù)流體的射流速度，在保證污染物不進(jìn)入傳感器內(nèi)部的前提下，盡量用低的流速。同時透射—反射鏡或凸透鏡也起到了密封作用，限制保護(hù)流體只能在本發(fā)明發(fā)射端流體通道內(nèi)流動而不能進(jìn)入其后面的器件空間內(nèi)。
傳感器安裝時，通過調(diào)節(jié)裝置調(diào)整光闌位置，保證透射光接收良好。調(diào)節(jié)完成后便將調(diào)節(jié)裝置鎖死，至此傳感器可以在一個相當(dāng)長時間內(nèi)正常工作。此后僅需定期檢測，保證測量裝置處于良好狀態(tài)。
本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比，對被測對象限制少，只要求多相流介質(zhì)是光學(xué)透明即可；可測粒徑和濃度的范圍寬，由于可測粒徑范圍與光束直徑直接相關(guān)，可以通過改變光束直徑來改變粒徑測量范圍，而且本發(fā)明所依據(jù)的原理原本就有較寬的濃度測量范圍，加上分離組對結(jié)構(gòu)，能夠根據(jù)被測多相流濃度調(diào)整傳感器對間的距離，適應(yīng)對不同顆粒濃度的測量要求；對流場干擾小，盡量避免對流場的干擾，即使必須將傳感器頭部侵入到流場時，由于本發(fā)明傳感器所用的光束直徑較細(xì)，接收的信號是透射光，可以將傳感器頭部體積設(shè)計得很小，對流場的干擾可降至最低程度；適用于在線測量，由于利用的是易于接收和處理的光強信號，價格相對低廉，體積小，能夠作為工業(yè)傳感器大量使用；不涉及放射性元素和高電壓等潛在的危險因素，所采用元器件技術(shù)均已成熟，可以保證使用安全。
本發(fā)明具有實質(zhì)性特點和顯著進(jìn)步，本發(fā)明可用于科學(xué)研究、化工能源、環(huán)境保護(hù)等諸多涉及顆粒測量的領(lǐng)域。另外，它不但可以作為顆粒測量裝置單獨使用，也可以作為其它復(fù)雜儀器中基本器件來使用。如用兩個本發(fā)明中所述傳感器對，結(jié)合相關(guān)分析技術(shù)，便可以構(gòu)成能夠測量多相流場中顆粒相粒徑、濃度和速度的新型儀器；如果用本發(fā)明中傳感器組成陣列對多相流場進(jìn)行測量，結(jié)合層析分析技術(shù)(亦稱為醫(yī)學(xué)CT或工業(yè)PT)，可以獲得顆粒粒徑和濃度在某平面上或空間內(nèi)的分布情況。


圖1本發(fā)明工作原理示意2本發(fā)明發(fā)射端結(jié)構(gòu)示意3本發(fā)明接收端結(jié)構(gòu)示意4為圖3所示A-A剖面示意圖
具體實施例方式
如圖1、圖2、圖3和圖4所示，本發(fā)明采用分離組對結(jié)構(gòu)，即本發(fā)明整體上由發(fā)射端1和接收端2兩部分組成，發(fā)射端1包括限束器3、空間濾波器4、透射—反射鏡5、參考光接收器件6、半導(dǎo)體激光器7和柱形筒體8，其連接方式為限束器3、空間濾波器4、透射—反射鏡5、半導(dǎo)體激光器7依次排列，封裝在柱形筒體8內(nèi)，參考光接收器件6固定在柱形筒體8的側(cè)壁，由導(dǎo)線連接到外部的電路；接收端2包括凸透鏡及金屬框架9、光闌10、二維調(diào)節(jié)裝置11、光電接收器件12、封裝體13和初步信號放大電路14，其連接方式凸透鏡及金屬框架9、光闌10、二維調(diào)節(jié)裝置11、光電接收器件12和初步信號放大電路14封裝在封裝體13內(nèi)部，凸透鏡及金屬框架9通過螺紋連接在封裝體13上，光闌10固定在二維調(diào)節(jié)裝置11上，光電接收器件12設(shè)置在二維調(diào)節(jié)裝置11上，位于光闌10之后，發(fā)射端1和接收端2兩部分各成一體，相互間完全獨立，測量時發(fā)射端1和接收端2同軸布置。
凸透鏡及金屬框架9由凸透鏡15、金屬框架16組成，凸透鏡15設(shè)置在金屬框架16中，金屬框架16通過螺紋連接在封裝體上，通過螺紋調(diào)節(jié)凸透鏡15與光闌10間的距離。
二維調(diào)節(jié)裝置11由兩塊用燕尾槽相聯(lián)的滑塊17、18組成，其中滑塊17同兩根螺栓19固定連接，螺栓19通過光孔同封裝體13連接，并通過這對螺栓19調(diào)節(jié)該滑塊17在一維方向上的位置，在與這一螺栓19對垂直的方向上有另外一對螺栓20，螺栓20同另一滑塊18以摩擦方式相連接。
柱形筒體8和封裝體13前端都開有小孔，它們是光束和保護(hù)流體的通道。
防止污染物玷污傳感器內(nèi)部的元器件通過流體保護(hù)方式，即利用多相流中清潔主流液體作為保護(hù)介質(zhì)，讓其從傳感器前端的小孔流出；降低保護(hù)液體對流場的干擾通過兩種措施一是減小孔的直徑，降低保護(hù)流體的流量，二是控制保護(hù)流體的射流速度。
結(jié)合本發(fā)明的內(nèi)容提供以下實施例采用本發(fā)明對霧化噴嘴液滴粒徑進(jìn)行測量，測量中用的是氣液兩相流噴嘴，本發(fā)明被安裝在自動三維坐標(biāo)架的橫梁上，安裝時發(fā)射端1和接收端2處在同一水平面上，通過微調(diào)裝置11使傳感器對處于良好工作狀況。測量工作過程是這樣的從半導(dǎo)體激光器7發(fā)出的光經(jīng)過透射一反射鏡5被分為測量用光束和參考光束，參考光束的總能量占全部光束能量約10％，光束的另一部分經(jīng)過空間濾波器4后質(zhì)量得到提升，該光束通過限束器3，形成測量所需直徑。細(xì)光束通過含有顆粒的多相流，由于顆粒的消光作用和宏觀運動，透射光將被削弱并有一定的脈動性質(zhì)。光束強度的這種變化中含有顆粒的粒徑和濃度信息，透射光進(jìn)入接收端2經(jīng)由凸透鏡9進(jìn)行傅立葉變換，在其焦平面上形成顆粒的遠(yuǎn)場散射場，通過光闌10，僅有透射光被安裝在光闌10后的光電接收器件12所接收，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。電信號經(jīng)放大和A/D轉(zhuǎn)換后輸入計算機(jī)，由計算機(jī)處理得到顆粒的粒徑和濃度。
為了對測量結(jié)果有一定量比較，用PDA(相位多普勒分析儀)對噴霧粒徑進(jìn)行了測量，它們的測量結(jié)果為兩條相距很近的平行線。但本發(fā)明的外形尺寸較PDA大為減小，這使得本發(fā)明可以在很大程度上減小對流場的干擾，而且設(shè)備的調(diào)試比較簡單。本發(fā)明接收的是透射光的能量信號，信號處理設(shè)備價格相對PDA的相位處理設(shè)備便宜許多，為其在工業(yè)生產(chǎn)中大量使用提供了前提條件。本發(fā)明同PDA測量結(jié)果的比較，本發(fā)明的粒徑變化測量結(jié)果與PDA測量趨勢一致，相對偏差在10％以內(nèi)，本發(fā)明粒徑測量結(jié)果同PDA的測量結(jié)果在變化規(guī)律是相同的，定量上的差異是兩種技術(shù)對于顆粒粒徑的定義及對非球形顆粒的認(rèn)可程度的差異造成。
權(quán)利要求
1.一種顆粒粒徑、濃度光學(xué)傳感器，由發(fā)射端(1)和接收端(2)兩部分組成，其特征在于發(fā)射端(1)包括限束器(3)、空間濾波器(4)、透射—反射鏡(5)、參考光接收器件(6)、半導(dǎo)體激光器(7)和柱形筒體(8)，其連接方式為限束器(3)、空間濾波器(4)、透射—反射鏡(5)、半導(dǎo)體激光器(7)依次排列，封裝在柱形筒體(8)內(nèi)，參考光接收器件(6)固定在柱形筒體(8)的側(cè)壁，由導(dǎo)線連接到外部的電路，接收端(2)包括凸透鏡及金屬框架(9)、光闌(10)、二維調(diào)節(jié)裝置(11)、光電接收器件(12)、封裝體(13)和初步信號放大電路(14)，其連接方式凸透鏡及金屬框架(9)、光闌(10)、二維調(diào)節(jié)裝置(11)、光電接收器件(12)、封裝體(13)和初步信號放大電路(14)封裝在封裝體(13)內(nèi)部，凸透鏡及金屬框架(9)通過螺紋連接在封裝體(13)上，光闌(10)固定在二維調(diào)節(jié)裝置(11)上，光電接收器件(12)設(shè)置在二維調(diào)節(jié)裝置(11)上，位于光闌(10)之后，發(fā)射端(1)和接收端(2)兩部分各成一體，相互間完全獨立，測量時發(fā)射端(1)和接收端(2)同軸布置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種顆粒粒徑、濃度光學(xué)傳感器，其特征是凸透鏡及金屬框架(9)由凸透鏡(15)、金屬框架(16)組成，凸透鏡(15)設(shè)置在金屬框架(16)中，金屬框架(16)通過螺紋連接在封裝體(13)上，并通過螺紋調(diào)節(jié)凸透鏡(15)與光闌(10)間的距離。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種顆粒粒徑、濃度光學(xué)傳感器，其特征是二維調(diào)節(jié)裝置(11)由兩塊用燕尾槽相聯(lián)的滑塊(17)、(18)組成，其中一個滑塊(17)同兩根螺栓(19)固定連接，螺栓(19)通過光孔同封裝體(13)連接，并通過這對螺栓(19)調(diào)節(jié)滑塊(17)在一維方向上的位置，在與這一螺栓(19)對垂直的方向上有另外一對螺栓(20)，螺栓(20)同另一滑塊(18)以摩擦方式相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種顆粒粒徑、濃度光學(xué)傳感器，其特征是柱形筒體(8)與封裝體(13)前端都設(shè)有小孔，它們是光束和保護(hù)流體的通道。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種顆粒粒徑、濃度光學(xué)傳感器，其特征是防止顆粒玷污傳感器內(nèi)部的元器件通過流體保護(hù)方式，即利用多相流中清潔主流液體作為保護(hù)介質(zhì)，讓其從傳感器前端的小孔流出；降低保護(hù)液體對流場的干擾通過兩種措施一是減小孔的直徑，降低保護(hù)流體的流量，二是控制保護(hù)流體的射流速度。
全文摘要
一種顆粒粒徑、濃度光學(xué)傳感器屬于測量技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明由發(fā)射端和接收端兩部分組成，發(fā)射端的限束器、空間濾波器、透射－反射鏡、半導(dǎo)體激光器依次排列，封裝在柱形筒體內(nèi)，參考光接收器件固定在柱形筒體的側(cè)壁，接收端的凸透鏡及金屬框架、光闌、二維調(diào)節(jié)裝置、光電接收器件、封裝體和初步信號放大電路封裝在封裝體內(nèi)部，凸透鏡及金屬框架通過螺紋連接在封裝體上，光闌固定在二維調(diào)節(jié)裝置上，光電接收器件設(shè)置在二維調(diào)節(jié)裝置上，位于光闌之后。本發(fā)明測量的顆粒參數(shù)較多，被測對象限制少，對流場干擾小，適用于在線測量，價格相對低廉，體積小，使用安全，可用于科學(xué)研究、化工能源、環(huán)境保護(hù)等諸多涉及顆粒測量的領(lǐng)域。
文檔編號G01N15/02GK1410756SQ02145279
公開日2003年4月16日 申請日期2002年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月14日
發(fā)明者吳偉亮, 陳漢平, 臧述升, 蔡小舒 申請人:上海交通大學(xué)