基于面阵CCD的散射式激光粒度测量方法研究-《光学仪器》(2018年3期).docx

龙源版权所有 基于面阵CCD的散射式激光粒度测量方法研究作者：朱宙兵 苏明旭 蔡小舒来源：《光学仪器》2018年第03期 摘要：研究了基于CCD传感的激光粒度测量方法和优化。在系统设计和实验参数优化基础上，设计了CCD传感器的光环尺寸，并基于Mie散射理论，建立了理论计算模型，计算了待测颗粒的理论光能分布。对标称粒径为10.9 μm和57.9 μm的聚苯乙烯乳胶标准颗粒进行实验，获得颗粒散射光能分布图像，提出了一种新的光环中心确定方法，并由编写的图像处理程序分析散射光能分布。颗粒粒径的反演结果与标称尺寸比较表明，用此测量方法得到的颗粒散射光能分布与其理论分布较一致，稳定性与重复性较好。 关键词：CCD传感器； 颗粒测量； 粒度分布； Mie散射理论； 图像处理 中图分类号： TN 249 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2018.03.001 Abstract：The measurement method and optimization of laser particle size measurement based on an array CCD（charge coupled device） sensor was studied.On the basis of system design and experimental parameters optimization，the virtual ring sizes of CCD sensor was determined.The scattering light flux distribution by particles under investigation was subsequently calculated theoretically with the Mie scattering theory.The scattering light flux images were obtained through the experiments for polystyrene latex particles with nominal sizes of 10 . 9 μm and 57 . 9 μm.Afterwards，a novel method was proposed for determining the center of the virtual ring and the corresponding image processing program was implemented in order to analyze the scattering light flux distribution.After an inversion operation，the retrieved results were presented and compared with the known nominal size，which confirms that the particle size distribution from the proposed method and device based on CCD sensor exhibits fair consistence with the theory，and has good stability and repeatability. Keywords：CCD sensor； particle measurement； particle size distribution； Mie scattering theory； image processing 引 言 顆粒（包括固体颗粒、液滴、气泡等）与能源动力、环境、医药、化工、材料、食品、集成电路等多个行业密切相关，颗粒粒径是颗粒的重要参数，许多情况下，颗粒粒径大小不仅直接影响到产品的性能与质量，而且与能源的高效利用、环境保护、工业过程优化等都密切相关[1]。颗粒粒度测量的方法较多，传统方法有筛分法、显微镜法、库尔特法、重力和离心沉降法等，这些方法存在操作繁琐、测试时间较长、不宜在线测量等缺点，难以适应现代工业生产和科研要求。激光粒度仪适用范围广，具有重现性好、测量速度快、操作方便等优点，可实现在线测量，且易于分析如体积平均粒径、区间粒度分布和累计粒度分布等多种数据[2]。不过，现有的激光散射法通常采用多元光电阵列传感器[3]，且采用多通道同步或快速切换测量，对信号放大和处理要求高，同时因传感器成品率低，致其使用中可能出现“坏道”等问题；另外，该种传感器对于光束本身和对中要求较高，对于动态测量和现场环境要求高