專利名稱：沉降式激光反射像點粒度測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及粉體科學與工程領域，具體涉及顆粒測試技術。
現有的顆粒粒度測量方法有多種，主要包括直接觀察法，如光學顯微鏡或電子顯微鏡的靜態(tài)圖像分析法；篩分法，如振動篩分和音波篩分發(fā)；沉降法，如比重計、比重天平、沉降天平、光透過和X光透過等重力沉降法，或光透過和X射線透過等離心力沉降法；激光法，如激光衍射、激光散射和激光光子相干法；電感應法，如小孔通過電感應法；以及光散射法、聲散射法、流體透過法和吸附法等粒度測量法。此外，還包括超聲波衍射法、光脈動法和消光法等粒度在線測試方法。
在以上各種粒度測量方法中，光透過重力沉降法和X光透過重力沉降法，以及激光衍射、散射法的測量原理、粒徑特征和分布基準及適用范圍說明如下光透過重力沉降法和X光透過重力沉降法，兩者均以光透過被測顆粒懸浮液的光強變化，獲得確定沉降高度和時間點上的懸濁液濃度變化值，由此得出顆粒的重量百分比，而與此重量百分比相對應的顆粒粒徑則由Stokes沉降速度定律求出，即獲得顆粒粒度與分布值。光透過重力沉降法和X光透過重力沉降法，兩者的區(qū)別僅在于光源前者是白色光，后者是白色光的自然延伸X光；兩者具有共同的測量原理測出懸浮液濃度變化獲得顆粒的相對含量，通過Stokes沉降速度定律求出顆粒粒徑，由此測得顆粒粒度和分布值；兩者具有共同的粒徑特征和分布基準Stokes粒徑，重量基準百分比；兩者的測量時間較長。
激光法是以激光為光源，將小直徑激光束照射到被測顆粒組成的固液(或固氣)混合體系中，通過對顆粒的衍射或散射角的測量，利用Mie氏理論或Fraunhoffer理論計算顆粒的粒徑，并計取所有測量顆粒的尺寸與相對數量，即獲得顆粒粒度與分布值。受原理和技術條件所限，現有的激光粒度測獲得方法，其衍射或散射光角只能取自激光穿透面(與激光入射面背向)，因此，激光法限于低固相濃度的粒度測量量，且測量容器的厚度受到限制，否則顆粒的衍射或散射角，將受信號接受光路上其它顆粒的折射和反射，導致衍射或散射角失真。這也使得激光法在目前的技術條件下，難以用于顆粒的在線測試。激光法測得的是等體積粒徑，其分布基準為體積基準百分比；測量時間短。
本發(fā)明采用的技術方案是沉降式激光反射像點粒度測量方法，其特征是將激光擴束成平面光束，照射由被測顆粒組成的液固(或氣固)混合重力沉降體系，使位于平面光束上的顆粒因反射激光，形成高光強像點，進而采用攝像和視頻動態(tài)圖像處理手段，獲得每一個像點在鉛垂方向上的運動速度，即為顆粒的沉降速度，根據Stokes沉降速度定律求出與沉降速度相對應的顆粒粒度與分布值。
本發(fā)明與現有的顆粒粒度測量方法相比，具有以下優(yōu)點其一，克服現有粒度測量方法高固相濃度和快速測量不能兼顧的缺陷，即可測量高固相濃度的方法，測量速度慢；可快速測量的方法，測量濃度低。前者影響測量效率，后者給試樣的縮分苛以高要求。
其二，現有粒度測量方法在原理和實際中能應用于在線檢測的極少，且需要或尚處于完善階段，本發(fā)明可以用于粒度的在線檢測，其原理更為簡單、可靠。
其三，與現有的光透過重力沉降法和X光透過重力沉降法相比，本發(fā)明以激光擴束平面光為光源，其光強和平面集約性提高，使顆粒的激光反射像點易于采集和背景電噪的抑制處理；本發(fā)明采用攝像和視頻動態(tài)圖像處理技術，通過直接獲得每一個顆粒反射像點的沉降速度，來計算顆粒的Stokes粒徑值，測量迅捷。而現有的沉降法，其原理是基于測量懸濁液澄清過程的濃度變化來獲取粒度分布信息，導致測量時間長，尤其對微細顆粒測量時間特別冗長。
其四，與現有的激光法相比，本發(fā)明以激光擴束平面光為光源，只是為了使顆粒的激光反射像點易于采集和更有效地抑制背景電噪，而其粒徑測量原理是基于對反射像點的運動速度的測量分析。因此，本發(fā)明不受現有的激光法因測取衍射或散射角而對固相濃度有嚴格要求的限制，測量濃度比激光法更高。
具體實施例方式
本發(fā)明按以下方式具體實施(1)采用市售激光器作為測量光源，激光功率5～20mW，波長無特別要求，通過直線擴束器，將激光束擴束成扇形平面光束；(2)將被測顆粒調制成體積濃度≤10％的固-液懸濁體(固-氣時為氣溶膠)，置入容量為≤300ml測量容器中，器壁設有互為60～110°夾角的入射窗口和攝像窗口，壁面其它部位作光屏蔽處理；(3)懸濁體均勻后靜置，顆粒開始作重力沉降，同時平面激光束經入射窗口照射到容器中，使位于平面光束上的顆粒因反射激光，形成高光強運動像點；(4)采用攝像裝置或數碼相機，通過攝像窗口獲得激光反射像點的視頻信號，以市售視頻動態(tài)圖像處理軟件，獲得每一個像點在鉛垂方向上的運動速度，即為顆粒的重力沉降速度；(5)根據Stokes沉降速度定律，當顆粒的密度、液體或氣體的密度和粘度確定時，通過沉降速度可以計算獲得Stokes粒徑，并以顆粒的個數或體積為相對基準，計取所有測量顆粒的Stokes粒徑所對應的相對百分數，即獲得顆粒粒度與分布值。
整個測量過程的控制、視頻與圖像處理，以及粒度與分布值的計算、修正均由計算機完成。本發(fā)明應用實例被測粉體碳化硅SiC；密度3210kg/m3；沉降介質水(溫度20℃)；粘度1.005×10-3Pa·S；密度；1000kg/m3；固液體積濃度5.5％(超聲波分散3分鐘)；測量容器150ml玻璃量筒；固體激光器波長532nm；功率5mw。
本發(fā)明測得的碳化硅SiC粒度及分布值


權利要求
1.沉降式激光反射像點粒度測量方法，其特征是將激光擴束成平面光束，照射由被測顆粒組成的液固或氣固混合重力沉降體系，使位于平面光束上的顆粒因反射激光，形成高光強像點，進而采用攝像和視頻動態(tài)圖像處理手段，獲得每一個像點在鉛垂方向上的運動速度，即為顆粒的沉降速度，根據Stokes沉降速度定律求出與沉降速度相對應的顆粒粒度與分布值。
2.根據權利要求1所述的沉降式激光反射像點粒度測量方法，其特征是具體方法為(1)采用市售激光器作為測量光源，激光功率5～20mW，波長無特別要求，通過直線擴束器，將激光束擴束成扇形平面光束；(2)將被測顆粒調制成體積濃度≤10％的固液懸濁體或氣溶膠，置入容量為≤300ml測量容器中，器壁設有互為60~110°夾角的入射窗口和攝像窗口，壁面其它部位作光屏蔽處理；(3)懸濁體均勻后靜置，顆粒開始作重力沉降，同時平面激光束經入射窗口照射到容器中，使位于平面光束上的顆粒因反射激光，形成高光強運動像點；(4)采用攝像裝置或數碼相機，通過攝像窗口獲得激光反射像點的視頻信號，以市售視頻動態(tài)圖像處理軟件，獲得每一個像點在鉛垂方向上的運動速度，即為顆粒的重力沉降速度；(5)根據Stokes沉降速度定律，當顆粒的密度、液體或氣體的密度和粘度確定時，通過沉降速度可以計算獲得Stokes粒徑，并以顆粒的個數或體積為相對基準，計取所有測量顆粒的Stokes粒徑所對應的相對百分數，即獲得顆粒粒度與分布值。
3.根據權利要求2所述的沉降式激光反射像點粒度測量方法，其特征是整個測量過程的控制、視頻與圖像處理，以及粒度與分布值的計算、修正均由計算機完成。
全文摘要
本發(fā)明涉及顆粒測試技術。沉降式激光反射像點粒度測量方法，其特征是將激光擴束成平面光束，照射由被測顆粒組成的液固或氣固混合重力沉降體系，使位于平面光束上的顆粒因反射激光，形成高光強像點，進而采用攝像和視頻動態(tài)圖像處理手段，獲得每一個像點在鉛垂方向上的運動速度，即為顆粒的沉降速度，根據Stokes沉降速度定律求出與沉降速度相對應的顆粒粒度與分布值。本發(fā)明實現了高固相濃度、快速及取樣分析和在線檢測均可使用的顆粒粒度與分布測量。
文檔編號G01N15/02GK1475789SQ0312825
公開日2004年2月18日 申請日期2003年7月1日 優(yōu)先權日2003年7月1日
發(fā)明者張聯盟, 葉菁, 李銀祥, 楊中民, 沈強, 王傳彬 申請人:武漢理工大學