基于线阵CCD探测器的激光粒度测量技术研究

摘要

颗粒测量技术广泛应用于社会生产和科学研究领域，对于微米级颗粒粒度测量常用的方法是激光散射法。传统激光散射法采用环形光电二极管阵列探测器，但由于其存在面积大，成本高，空间分辨率低等缺点，导致其应用范围受到限制。因此，本文对基于线阵CCD探测器的激光粒度测量技术进行了研究。主要完成内容如下：
　　1.研究了不同粒径颗粒散射光强分布的主要特征，讨论了采用Mie氏光散射理论计算颗粒散射光强分布的复杂性，分析了夫琅禾费衍射理论描述颗粒散射光强分布的局限性，给出了不同参数颗粒对应不同光散射理论进行反演计算的基本策略。
　　2.设计了全金属结构可开关式流动样品池，完成了基于线阵CCD探测器的前置式傅里叶透镜光学结构的实验装置系统设计,给出了傅里叶透镜焦距以及样品池距傅里叶透镜之间的轴向距离的优化选择方法。
　　3.根据传统环状光电二极管阵列探测器的设计原理，分析了散射角线性划分方式和散射角对数划分方式对于颗粒粒度测量的影响，提出了基于线阵CCD探测器的“动态”散射角划分方式，并给出了不同散射角区间对应的颗粒粒级划分。
　　4.采用基于Mie氏光散射理论的正则化算法对小粒径颗粒的散射光强进行反演计算，在分析正则化算法原理的基础上，根据V曲线准则选取正则化参数α，采用H4正则化算子和逐步超松弛迭代法反演获得颗粒粒度分布，最后对标称颗粒样品的散射光强分布进行反演计算，说明了改进正则化算法的有效性。
　　5.采用基于夫琅禾费衍射理论的积分变换算法对大粒径颗粒的散射光强分布进行反演计算。研究了Chin-Shifrin积分变换反演算法的原理，针对测量噪声对反演算法的影响，提出近似非负约束Chin-Shifrin积分变换反演算法。采用不同算法对实验测量数据进行反演计算，通过对比说明了改进Chin-Shifrin算法可以有效抑制测量噪声对反演粒度分布的影响。
　　本文完成了基于线阵CCD探测器的激光粒度测量系统实验装置的搭建和颗粒散射光数据的采集，并采用不同算法对采集数据进行反演计算。实验结果表明，采用线阵CCD探测器可以克服传统激光粒度仪存在的缺点，使得反演颗粒粒度分布的测量误差小于5%，相对标准偏差小于10%。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要内容

第二章 颗粒测量的基本概念

2.1 颗粒的等效粒径

2.2 颗粒的粒度表征

2.3 常见的颗粒测量参数

2.4 不相关散射与相关散射以及单散射与复散射

第三章 光学模型的适用范围

3.1 光散射理论模型

3.2 Mie氏光散射理论描述颗粒散射的复杂性

3.3 夫琅禾费衍射理论描述述颗粒散射的局限性

3.4 数值模拟分析与结果讨论

第四章 基于线阵CCD探测器的激光粒度仪系统结构

4.1 激光粒度仪的基本测量原理

4.2 基于线阵CCD探测器的激光粒度仪光学结构

4.4 空间滤波器结构

4.3 基于线阵CCD探测器的激光粒度测量系统设计

第五章 改进正则化算法反演颗粒粒度分布

5.1 算法基本原理

5.2 正则化算法参数研究

5.3 逐次超松弛迭代法

5.4 改进正则化算法步骤

5.5 实验分析与讨论

第六章 近似非负约束Chin-Shifrin积分变换反演算法

6.1 Chin-Shifrin算法原理

6.2 Chin-Shifrin算法存在的问题

6.3 改进Chin-Shifrin算法

6.4 改进算法的稳定性分析

6.5 实验分析与讨论

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

在读期间公开发表的论文

致谢