[发明专利]一种基于动态光散射技术的悬浮颗粒粒径测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算摄像学领域，具体地说，本发明涉及一种基于动态光散射技术的悬浮颗粒粒径测量装置及方法。

背景技术

通常来说，当被测颗粒的某种物理特性或物理行为与某一直径的同质球体(或其组合)最相近时，就是把该球体的直径(或其组合)作为被测颗粒的等效粒径(或粒度分布)。不同原理的仪器选择不同的物理特性或物理行为作为比较的参考量来测量粒径，例如：沉降仪选用沉降速度、激光粒度仪选用散射光能分布、筛分法选用颗粒能否通过筛孔等等。而对于悬浮颗粒(例如水中悬浮的固体颗粒状物质)的粒径，现有技术中通常采用动态光散射(DLS，dynamic light scattering)技术来检测。

根据Stokes-Einstein等式：

其中，

d(H)表示粒径，

D表示传输扩散系数(单位是m²/s)，该系数需要通过测量和计算得出，

k表示波耳兹曼常数(1.3807*10^-23J/K)，

T表示绝对温度(室温＝298K)，

η表示粘稠度(水的粘稠度＝8.94*10^-4kg/(m*s))。

而动态光散射光强的变化与布朗运动具有如下关系：当相干光从粗糙表面反射或从含有散射物质的介质内部后向散射或透射时，会形成不规则的强度分布，出现随机分布的斑点。粗糙表面和介质中散射子可以看作是由不规则分布的大量面元构成，相干光照射时，不同的面元对入射相干光的反射或散射会引起不同的光程差，反射或散射的光在远场发生相消或相长干涉。当数目很多的面元不规则分布时，可以观察到随机分布的颗粒状结构的图案，这就是光通过散射介质和自由空间传播时形成的散斑(颗粒状结构斑点称为激光散斑)。对于静止不动的粗糙表面或散射物质，光强的分布是不变的。由于悬浮颗粒在溶液中做布朗运动，散射体之间的距离总是随时间变化的，发生相消或相长干涉空间位置也因而随时间变化，因此，照射到溶液中的相干光形成的不规则的强度则是随机变化的，而该变化的相干光的相关系数与颗粒的粒径之间的关系是可以量化的。因而利用该量化关系，可以反过来求得悬浮颗粒的粒径。

基于DSL技术，所测得的散射光强随时间变化的函数的自相关如下式表示：

其中，

g₂(q；τ)表示波矢量q在时延τ下的二阶自相关，

I表示光强，

尖括号表示期望。

随着时延τ的增大，自相关呈指数衰减。换言之，经过一段较长的时间，初始状态和最终状态的散射光强度并不相关。因此，假设探测光在介质中只发生单次散射，则有：

g₂(q；τ)＝1+β[g₁(q；τ)]²(3)

g₁(q；τ)＝exp(-Γτ)(4)

Γ＝q²D(5)

其中，

g₁(q；τ)表示波矢量q在时延τ下的一阶自相关，

β表示比例系数(由入射光线和场景的设置决定)，

λ表示入射光波长，

n₀表示介质的折射率，

θ表示探测器相对于样本的角度。

根据上述等式(2)～(6)，可得到D，代入(1)式则可得到粒径。因此理论上说，根据上述(1)～(6)式，在一个给定方向上测量光强的变化，即可求解颗粒的粒径。

然而，以上的计算都是假设在介质中只发生单次散射，也就是说每个被传感器探测到的光子都只被微粒散射一次。而在实际的工业生产或科学研究中，多次散射总是存在的，光子在到达传感器之前往往会被散射了多次。因此，传统的DSL算法被局限在相当低浓度的样本，这是因为只有在浓度足够低的样本中，光的多次散射现象才不明显，才能保证测量结果基本准确。