基于光散射的微粒检测

摘要

微粒检测技术广泛应用于化工、医药、环保、大气等领域，有效地测量与控制颗粒粒度及其分布，对控制环境污染、提高产品质量、降低能源消耗等具有重要意义。利用光散射技术测量微粒大小及其分布，以其具有适用性广、粒径测量范围宽、测量准确、精度高、重复性好、测量速度快，并且特别适宜于在线测量等优点在小颗粒测量领域得到广泛重视，是一种先进的、具有广泛发展前景的测量方法。1908年，德国科学家Gustav Mie用经典波动光学理论的麦克斯韦方程组及适当的边界条件，解出了任意直径、任意介电常数的均匀介质球颗粒在单色平面波照射下散射光强角分布的严格数学解。目前，很多种光散射检测技术的基本原理就是基于Mie 散射理论及其近似理论。本文在基于Mie 理论的光散射微粒检测方面做了理论及实验研究。
　　 首先，充分调研了目前各种测粒仪器的测量原理、测量方法及发展状况，给出了颗粒测量的相关概念，分析了光散射的产生机理和光散射微粒检测技术的研究现状。
　　 然后介绍了光的电磁波性质及Mie 散射理论，给出了Mie 理论的数值计算方法及散射光能量的计算公式，用Mie 理论相关公式及递推条件进行了数值模拟。
　　 最后，分析了物质校准过程中经常用到的聚苯乙烯微球的光散射性质；在实验方面，与前人所做工作不同，使用环形扫描光束作为入射光，根据探测器光敏面尺寸、收集透镜的口径及焦距等参数，设计有效检测体积，克服了测量区域小、测量不准确的缺点；使用高灵敏度光电探测器接收，克服了散射光微弱的缺点。在实验装置条件下应用Mie 理论对微球体颗粒散射光能量进行了理论模拟，在误差允许的范围内，实验验证了数值模拟结果与实验结果的一致性，也证明了实验中粒子散射遵从Mie 散射理论模型。基于光散射理论利用粒子计数法测定了粒子的浓度。扫描光束入射到样品瓶内，光敏感区内的颗粒散射入射的光，将收集到的散射光强转换成电压脉冲信号，经前置放大、A/D转换后变成数字信号。经过噪声处理后，测量的电压脉冲个数即为粒子个数，电压脉冲信号的幅度反映了颗粒光学等效粒径的大小。用校准物质确定敏感体积内粒子散射强度的阈值，用阈值界定实验装置设计的敏感体积内的粒子散射强度便可确定液体中颗粒物的浓度。检测结果表明，
　　 本文所设计的方法具有测量相对准确、测粒范围广、重复性好以及无接触等优点，能满足实测的要求，验证了这套装置的可行性。