浑浊介质微粒尺寸、浓度变化的动态散斑测量方法

摘要

本发明公开了一种浑浊介质微粒尺寸、浓度变化的动态散斑测量方法。原理是当激光照射在动态变化的浑浊介质溶液上时，在前向散射场和后向散射场形成动态散斑，动态散斑图的散斑尺寸及对比度值与浑浊介质中微粒尺寸成正比、与浓度成反比。因此，通过计算动态散斑图序列散斑尺寸及对比度值的变化可实时、动态监视浑浊介质中微粒尺寸及浓度的变化。该方法是一种非侵入式检测方法，具有操作简单、适用范围广的特点，可广泛应用于医学生物学、大气环境监测及水下探测等领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用动态散斑测量浑浊介质中微粒尺寸、浓度变化的方法。具体的说是涉及一种利用动态散斑测量溶液发生变化时微粒尺寸、浓度的变化监测；该方法易于操作和推广，对医学生物学、大气污染检测及海底探测等都具有非常重要的意义。

背景技术

浑浊介质是指能导致光散射现象的折射率非均匀性介质，生物组织、大气、海水中含有大量微粒，是典型的浑浊介质；光在这些介质中传输时将产生散射和吸收。研究浑浊介质的光学特性对于医学生物学、大气污染及水下目标探测等领域具有重要的学术价值和现实意义，是光学检测领域的研究热点。经文献检索，(授权公告号为CN 1234000C，授权公告日为2005.12.28)的专利“溶液中纳米微粒含量的测定方法”，提供了一种溶液中纳米微粒含量的测定方法，该方法适用于普通纳米浆料、含纳米微粒的镀液、纳米复合镀层等溶液中纳米微粒含量的测定，缺点是需要配制标准溶液、制作工作曲线，配制溶液和测量过程比较繁琐；专利“一种流动溶液浓度的实时测量装置”(授权公告号为CN 1130560C，公告日为2003.12.10)，能实时测量流动溶液的浓度，但需要将光学棱镜侵入液面以下，这是一种侵入式测量，破坏了被测样品环境并限制了其应用范围；专利，“一种非接触测量溶液浓度的装置及方法”(公开号为CN101430275A，公开日为2009.05.13)，其适用对象是无散射的眼睛房水，应用范围很窄，不具有普适性。

分析可知，在对浑浊介质中微粒尺寸、浓度变化的检测技术中，存在的主要问题是：不能同时对浑浊介质溶液中的微粒尺寸及浓度变化进行测量，测量装置复杂、不能实现非接触实时测量，应用范围过窄、方法不具有普适性。

发明内容

本发明要解决的技术问题：对浑浊介质溶液中的微粒尺寸、浓度变化进行动态监视，简化测量方法，实现非接触式实时测量，提出一种适用范围广的检测方法。

若被测样品的微结构或微粒随时间不停的运动变化，则激光照射后形成的散斑也随之不断变化，称之为动态散斑。当激光照射在浑浊介质溶液被测样品上时，由于介质中微粒对光的散射作用，在反射场或透射场将形成散斑图案，通过分析散斑图的特征值(包括散斑微粒尺寸、对比度值等)信息，能解析出浑浊介质溶液中微粒尺寸及浓度的信息；而当浑浊介质溶液中的微粒尺寸、溶液浓度发生变化时，生成的散斑图案也随之变化，通过分析散斑图的特征值的变化，可实现对浑浊介质溶液中微粒尺寸、浓度变化的实时监视和测量。

该发明是一种非接触、无损伤的实时测量方法，可广泛应用于医学生物学、大气污染及水下目标探测等领域。

本发明的方法，主要包括如下步骤：

(1)配制待测浑浊介质溶液：利用分析天平称取一定质量的优级纯待测样品，量取一定体积、密度已知的优级纯溶剂液体，配制成非饱和溶液，计算出溶液中溶质微粒的数量和浓度；

(2)选择合适的激光波长、入射角度及偏振方法：激光光源的工作波长在400nm～700nm的范围内选择，激光器发射的激光束经过一起偏元件后变为线偏振光，然后垂直射入浑浊介质溶液中；

(3)控制浑浊介质溶液中微粒尺寸及浓度变化的条件，以此改变浑浊介质溶液中微粒数量及浓度；

(4)在样品的前向散射场与光轴成一定角度，放置一台CCD相机，记录前向散射散斑场信息；同时，在样品的后向散射场空间也以偏离光轴一定角度放置另一台CCD相机，记录后向散射散斑场的信息；

(5)同时，利用(4)中的两台CCD相机以不低于25fps的速率记录散斑图像，经图像采集卡采集后存储进计算机；

(6)根据微粒光散射理论，选择前向散射或后向散射散斑图序列进行分析，利用散斑图光强分布的规范化自协方差函数来计算散斑微粒尺寸随浑浊介质溶液的变化，其中，I(x，y)为在坐标点(x，y)处的光强，|…|表示取绝对值，<…>表示空间平均，FT、FT¹分别表示傅里叶变换与傅里叶反变换；当y＝0时，通过C_I(x，y)＝0.5计算在x方向散斑大小的变化；

(7)利用散斑统计学中的对比度值公式：计算散斑图序列对比度值随浑浊介质溶液的动态变化；其中，V表示对比度值，I表示散斑图的光强分布，<…>表示空间平均，σ为标准偏差；

(8)对同一种浑浊介质溶液进行标定：结合微粒光散射的Mie理论、RTF理论及RTF扩散近似理论，计算在同一条件下浑浊介质中微粒尺寸及浓度的变化规律，验证浑浊介质溶液微粒尺寸和浓度变化的动态散斑方法的可靠性。

与以往技术相比，本发明的优点：本发明采用一个简洁的思想来解决一个复杂的科学问题，能够实时、动态、非接触的测量出浑浊介质溶液动态变化过程中微粒尺寸及浓度的变化；本发明具有实质性特点和显著进步，可广泛应用于医学、生物学、大气监测及水下目标探测等领域，尤其适合于这些领域的动态、无扰、实时监测。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1是本发明公开方法的动态散斑测量方案原理图

图2是动态散斑序列中散斑尺寸随浑浊介质溶液变性时间的变化图

图3是浑浊介质溶液动态变化过程中散斑对比度值随时间的变化图

具体实施方式

分析天平称取直径为0.3μm的一定质量的聚苯乙烯微球4.4075g溶于50ml去离子水制成浑浊介质溶液，置于比色皿中，计算得知溶液中的初始浓度为3.526mM(毫摩尔每升)，按照附图1的结构布置测量光路图；

激光器100选取波长为632.8nm、功率为30mW的He-Ne激光器，激光器发出的光经起偏元件400后变成线偏振光，然后垂直照射在比色皿200的前光学表面上，激光束进入浑浊介质溶液300内部受到聚苯乙烯微粒的散射作用；

在后向散射区域以离开光轴5°的夹角θ₁放置与起偏器400相同偏振方向的偏振片420，后向散射光进入CCD相机500成像后形成后向散斑图，经图像采集600后存储进计算机700；

同时，前向散射区域离开光轴5°的夹角θ₂放置偏振片410，保持与400相同的偏振方向，以保证散斑特征不受偏振的影响；前向散射光进入CCD相机510形成前向散斑图，经图像采集610后也存储进计算机700；

加入浓度为100mM的MgCl₂盐溶液15ml，聚苯乙烯微球开始凝聚；加入的同时利用CCD相机500和510采集形成的动态散斑图像，存储进计算机700；

对存储进计算机的动态散斑图像序列进行分析，确定选用前向散斑作为处理对象；利用上述方法中的(6)(7)分别计算动态散斑图序列的散斑尺寸及对比度值随时间的变化规律，如图2、图3所示。

图2中横坐标是时间轴，单位是秒(s)，纵坐标是散斑的颗粒的平均尺寸，单位是微米(μm)；数据点“■”为通过上述步骤(6)中的公式计算得到的散斑图中散斑颗粒大小的数值；而连续曲线则是利用微粒散射理论得到的计算值，由图可知，微粒尺寸的变化基本与散斑尺寸的变化成正比关系；相应的，微粒团聚后，尺寸变大，数量变少，所以浑浊介质溶液浓度与散斑尺寸成反比。

图3则是散斑对比度值随时间的变化图，数据点“■”为通过上述步骤(7)中的公式计算得到的散斑图平均对比度的数值，而连续曲线则是实验值的拟合曲线；可以看出，散斑图的对比度值的变化与溶液中聚苯乙烯微粒尺寸基本成正比例关系，而与溶液浓度成反比例关系。

该实例证明了利用动态散斑测量浑浊介质微粒尺寸、浓度变化的有效性和可靠性。