ApplicationofOpticsandElectricsTechnologyinSmallParticlesMeasurement

SUNHao

(CollegeofElectricalEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)

Abstract:Theapplicationofopticsandelectricstechnologyinsmallparticlesmeasurementwasintroducedinthispaper.

Keywords:laser;opticsandelectricsconversion;interfacetechnology

1光學部分

雖然測量微小顆粒的方法很多，如顯微鏡法、沉降法等，但是用光學的方法測量具有更多優點：

(1)由于光的透射性，可以實現非接觸測量；(2)光電轉換頻響時間很短，且可與計算機配合使用；(3)對被測微小顆粒的物理特性(密度、粘度等)要求低；(4)適用固體、液體及氣體。

本裝置用光學中光的夫瑯和費衍射現象測量顆粒。根據夫瑯和費衍射的理論，當一束平行光照射到測量區中的顆粒群時，便會產生光的衍射現象，因此，衍射光的強度分布與測量區中被照射的顆粒直徑和顆粒數有關。圖1是微小顆粒測量的示意圖。

當一束平行光通過一個直徑為d的小孔或微粒時，在光電探測器的屏幕上的衍射光強分布為

式中，I0為平行入射光強度；f為接收透鏡的焦距；λ為入射光的波長；X=πdsinθ/λ，θ為衍射角，當衍射角比較小時，sinθ=θ；J1為一階Bessel函數。

從式(1)可知，在其他參數不變的情況下，I(θ)的大小與被照射的顆粒的粒徑d有一定的對應關系，粒徑越大衍射光的強度越大。衍射圖形與顆粒直徑之間存在著完全確定的對應關系。由于我們所用的是光電探測器，因此，對于光電探測器的第n環(設環半徑從rn～rn+1對應的衍射角從θn到θn+1)，其光能量為

將式(1)、(3)代入(2)，通過積分變量變換并化簡：

實際測量區中的顆粒數往往很多，而且所有顆粒的粒徑大小又不同。設顆粒直徑為di，顆粒有Ni個，這時光電探測器每一環的衍射光能量為：

探測器有30環，對其中每一環都可按式(6)寫出其衍射光能，e1、e2…e30。反之，如果光電探測器能探測到e1、e2…e30各環光能，就能算出與這個光能分布相對應的顆粒尺寸。以上所述就是用光的衍射理論，測量微小顆粒粒徑及顆粒分布的方法。

2電學部分

圖3是30環光電探測器的示意圖。光通過顆粒群產生衍射光能，在光電探測器光環上轉換成電信號。

圖4是數據采集系統方框圖。它由光電探測器、多路模擬開關、I/V轉換器、放大器、采/保器、A/D轉換器和CPU等組成。系統通過觸發器及譯碼器分別控制多路模擬開關的地址端及禁止端，分時接通來自光電探測器的1至30環電信號，進行I/V轉換；由于轉換后電信號非常微弱，需經放大器進行放大。考慮到各種顆粒在衍射后的光能強弱不同，因此放大器的放大倍數設計成可調的，通過模擬開關，分別改變放大倍數。通過放大器的電信號進入采樣/保持電路，對高速變化的模擬信號進行瞬時采樣，并把采樣值保存下來，直到轉換完為止。通過各種邏輯門分別控制A/D芯片。把采樣來的信號轉換成數字信號，與接口電路通信，便于微機控制。

3結束語

本文介紹的應用光學、電學及計算機接口原理，研究微小顆粒粒徑及其分布規律的技術有著廣泛應用前景。