[发明专利]一种基于光阑空间调制的数字全息颗粒测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于光阑空间调制的数字全息颗粒测量装置：激光光源；空间滤波扩束单元，包括空间滤波器和扩束器；测量区，分布有待测颗粒；光阑调制单元，包括物光依次通过的第一透镜、光澜和第二透镜；图像记录单元，包括CCD或CMOS数字相机；数据处理单元。本发明还公开了一种基于光阑空间调制的数字全息颗粒测量方法：利用激光光源和空间滤波扩束单元产生准直光束照射测量区的颗粒场；采用光阑调制单元对颗粒物光进行空间调制；使用CCD或CMOS数字相机记录颗粒全息干涉条纹图像；对记录的颗粒全息干涉条纹图像进行重建与分析，获得颗粒信息。本发明提供的装置及方法可以实现对颗粒粒径的快速监测和降低颗粒间的相互重叠和干扰。

技术领域

本发明涉及先进光学方法测量颗粒场领域，具体涉及一种基于光阑空间调制的数字全颗粒测量装置及方法。

背景技术

颗粒在能源、材料、化工、环境、航天航空等行业具有重要的地位。固体颗粒如燃煤电厂中的煤粉颗粒输运与燃烧、流化床颗粒循环等，液体颗粒如内燃机喷雾燃烧、液体火箭发动机雾化混合燃烧推进等，气泡颗粒如沸腾传热传质、轮机叶片空化等。对颗粒的研究具有重大的科学意义、广阔的工业应用前景，对颗粒的位置和粒径等关键参数的准确测量，对于高效安全生产具有十分重要的意义。

颗粒的测试技术主要可以分为传统的接触式机械方法，非接触式的电学、声学方法以及先进光学方法。从发展趋势来看，经历了从接触时、离线、单参数、单点测量得到非接触式、在线、多参数和多维瞬态测量的过程。传统的颗粒测量如瞬时取样法测量颗粒浓度、筛分法测量颗粒粒度等，其测量结果容易受到操作人员操作手法，取样方法、时间等因素影响，且方法本身具有离线应用的局限性，目前已经逐步被取代。

电学方法主要有静电法和电容法，其容易受复杂电磁场等外界环境干扰，应用难度较大。声学方法主要是超声波法，典型应用是超声衰减粒度仪。超声波的精确测量是一个难点问题，误差难以控制，而且易受温度等因素影响。且以上方法都是对颗粒群整体的测量，得出的结果为平均粒径，无法准确获得单个颗粒的粒径、位置信息。

在光学方法中，激光粒度仪的测量速度快，结果准确，已经得到了广泛的应用。但是激光粒度仪价格昂贵，对环境的要求比较高，仪器光学元件容易受到污染，而且由于安装比较复杂，工业现场适应性较差。

数字全息技术是一种三维测量技术，采用数字记录与数字重建，能够方便地对全息图进行记录保存。不同于前面介绍的电学、声学等方法，数字全息技术对颗粒场的测量是对颗粒场中每个颗粒进行测量，可以得到每个颗粒的几何信息与位置信息。但目前使用数字全息技术测量颗粒粒径广泛使用的是激光束和面阵相机，这样记录的全息图包含的是三维数据，数据量大，重建时处理速度慢，难度大，造成测量的实时性不好。且面对高浓度颗粒场的情况，在全息光路上存在着较为密集的颗粒，测量得到的颗粒全息图存在颗粒间互相重叠、干扰的问题，这给全息图重建以及颗粒识别等数据处理过程带来了极大的不便，导致高浓度颗粒场测量精度低。

发明内容

本发明所要解决的问题在于针对目前颗粒全息测量方法的不足，提供一种基于光阑空间调制的数字全息颗粒测量装置及测量方法；通过降低采集与重建数据维度减少数据量可以实现对颗粒粒径的快速监测；通过光阑空间调制所需方向上的物光，可以实现降低颗粒间的相互重叠和干扰。

一种基于光阑空间调制的数字全息颗粒测量装置，所述装置包括：

激光光源，用于产生可调节强度的激光束；

空间滤波扩束单元，包括空间滤波器和扩束器，用于对激光束进行扩束和准直，形成准直光束；

测量区，分布有待测颗粒，准直光束照射测量颗粒，颗粒发生散射形成物光，未经散射的直透光作为参考光；

光阑调制单元，包括物光依次通过的第一透镜、光澜和第二透镜，对物光进行空间调制，使部分物光和参考光通过；