CN101706405B - 获取透过率起伏空间相关频谱的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

获取透过率起伏空间相关频谱的装置及其方法，采用复色光源照射，经色散器，使入射光焦点与不同波长的反射光焦点在测量区中的间隔不同，相对应的空间相关性不同。入射光束和反射光束同时受颗粒作用，在测量区散射和吸收，引起消光。分光光束经半反半透平面玻璃并由透镜聚焦到感光元件上，由此得到透射相关频谱。本发明有效解决了在测量过程中因机械操作造成的对颗粒测量范围限制的问题。透过率起伏空间相关频谱法与颗粒的流场无关，结构简单，可用于对层流和湍流状态下的颗粒***进行实时、在线检测，实现同时对微米级小颗粒粒径分布、浓度进行测试。可广泛用于科学研究、化工能源的生产与过程控制、环境保护、水质检测及颗粒测量的多个领域。

Description

获取透过率起伏空间相关频谱的装置及其方法

技术领域

本发明属于透过率测量技术领域，特别涉及一种获取透过率起伏空间相关频谱的装置及其方法。

背景技术

透过率起伏空间相关频谱法采用两束完全相同的平行放置的窄激光束，通过改变光束的空间间隔(即延迟参量)得到相关频谱。其优点是测量精度高，可测量微米级小颗粒，所得透过率起伏相关频谱与颗粒的流场(包括流动方向、速度场分布及其起伏)无关。因此，无需考虑两束光的设置是否与颗粒流动方向一致；可测量层流和湍流状态下的颗粒***。然而，在测量过程中光束间隔要求可变化，这涉及到机械操作，当颗粒粒径较小时要求光束间隔小于颗粒粒径，在微间隔范围很难做到精准的机械定位。每次采样要求不同光束间隔所对应的透过率起伏空间相关频谱对应同样的颗粒样品，这要求采样在尽可能短的时间间隔内完成，光束间隔必须快速可调。此外，还要求探测器能与光束同步动作；要求两光束尽可能在光强分布、光束大小一致；要同时满足以上要求很不易。因此，利用简单装置获取透过率起伏空间相关频谱，以实现利用透过率起伏空间相关频谱法测量颗粒粒径分布和颗粒浓度的关键是克服机械调节方面的困难。

透过率起伏空间相关频谱法中，透过率起伏相关频谱为：

$e\left\{T_a{T}_b\right\}=\underset{t_s\→\∞}{\lim }\frac{1}{t_s}\underset{0}{\overset{t_s}{\∫}}{T}_a\left(t\right)T_b\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(3\right)$

$\ln e\left\{T_a{T}_b\right\}=-\frac{1.5}{D_P}\mathrm{\ΔZ}\·C_V[2-\mathrm{\χ}(\mathrm{\Δ},\mathrm{\Λ})]---\left(4\right)$

其中，T_a，T_b分别是两平行窄光束经过测量区的透过率，t_s是取样时间，D_P是颗粒粒径，C_V是颗粒体积浓度，ΔZ是光程。其中特征函数χ(Δ，Λ)描述透过率空间相关频谱中包含的颗粒粒度分布信息。可以表示为：

$\mathrm{\χ}(\mathrm{\Δ},\mathrm{\Λ})=\underset{0}{\overset{+\∞}{\∫}}{F}_C\·F_S\·F_P\·\mathrm{du}---\left(5\right)$

其中，F_C是空间相关因子J₀(2uΔ)，J₀是第一类零阶贝塞尔函数；F_S是入射光束强度在截面上的分布因子，适用于多种分布形式的光束，如圆形高斯光束和圆形均匀光束，对于高斯光束F_S为exp[-(uΛ/uΛ)]²，对于光强均匀分布的圆形光束F_S为[2J₁(uΛ)/uΛ]²，J₁是第一类一阶贝塞尔函数；F_P是颗粒形状因子，对于球形颗粒存在 $F_P=2J_1^2\left(u\right)/u.$ Λ＝D_B/D_P是无因次光束直径，表示光束直径与颗粒粒径的比值；Δ＝L/D_P是无因次相关间距，L是两平行光束之间间距。透过率起伏空间相关频谱是光束间隔L的函数，当光束直径为D_B、光程ΔZ已知时，可得颗粒粒径分布信息并由此得到颗粒浓度信息。

发明内容

为了提高测量精度、实现透过率起伏空间相关频谱法实时、在线测量微米级小颗粒，克服在测量过程中因机械操作方面的困难，本发明提供一种获取透过率起伏空间相关频谱的装置及其方法。使反射光在测量区中形成按照波长分布的焦点序列，反射光焦点与入射光焦点之间的间隔依据波长分布，光束第一次经过测量区时的透过率和第二次经过测量区时的透过率之间存在空间相关性，波长不同的光对应了不同的焦点间隔和不同的空间相关性；由感光元件采集不同波长的光信号并转为电信号，并送计算机处理。不同波长的透过率信号期望值对应了不同的焦点间隔即不同的空间相关性，由不同波长的透过率信号期望值构成透过率起伏空间相关频谱，所体现出的频谱特征反映了测量区中颗粒的粒径信息和颗粒浓度信息。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种获取透过率起伏空间相关频谱的装置，包括依次位于光路上的光源模块、测量区、色散模块、探测与信号处理模块，其中：

所述的光源模块，用于在测量区产生一束会聚的复色高斯光束；

所述测量区，设于所述复色高斯光束的束腰区域；

所述色散模块，用于将经过测量区的复色高斯光束准直成平行光后反射，并再次在测量区内聚焦，并且不同波长的平行光反射后沿不同方向在测量区内聚焦，焦点的位置各不相同；

探测与信号处理模块，用于接收再次在测量区内聚焦后的光信号，并将该光信号转化成电信号进行处理。

进一步地，在所述光源模块和测量区之间的光路上还设有半反半透平面玻璃，用于反射再次在测量区内聚焦后的光，所述探测与信号处理模块用于接收经半反半透平面玻璃反射的光信号。

进一步地，所述光源模块包括依次位于光路上的复色光源、第一凸透镜、空间滤波器、第二凸透镜。

进一步地，在所述复色光源处还设有聚光碗。

进一步地，所述色散模块包括：准直透镜和色散器，所述准直透镜用于将第一次透射光准直成平行光照射到色散器上，被色散器反射的平行光经准直透镜再次在测量区内聚焦。

进一步地，所述探测与信号处理模块包括：接收透镜、感光元件和计算机，经过半反半透平面玻璃反射后的光束，由所述接收透镜会聚到所述感光元件上，所述感光元件将光信号转化成电信号送所述计算机处理。

进一步地，所述感光元件为CCD阵列，所述测量区的厚度为2mm～10mm。

本发明还提供一种获取透过率起伏空间相关频谱的方法，包括以下步骤：

1)采用一个复色光源，在测量区得到一束会聚的高斯光束；对于某个波长的入射光，其强度为I₀(λ)，复色光束通过测量区时，被测量区中的颗粒散射和吸收，透射光强度为T₁(λ，t)I₀(λ)，其中，T₁(λ，t)是光束第一次经过测量区的透过率；

2)第一次经过测量区的透射光准直成平行光后反射，再次在测量区内聚焦，此时光束透射光强度为T₁(λ，t)T₂(λ，t)I₀(λ)，其中，T₂(λ，t)是光束第二次经过测量区的透过率；

3)检测再次经过测量区的光信号强度C·T₁(λ，t)T₂(λ，t)I₀(λ)，其中C是衰减因子，由于颗粒流经测量区具有随机特征，总透过率T(λ，t)随机起伏，对应的期望值表示为e{T(λ，t)}：

$e\left\{T(\mathrm{\λ},t)\right\}=e\left\{T_1(\mathrm{\λ},t)T_2(\mathrm{\λ},t)\right\}=\underset{t_s\→\∞}{\lim }\frac{1}{t_s}{\∫}_0^{t_s}{T}_1(\mathrm{\λ},t)T_2(\mathrm{\λ},t)\mathrm{dt}---\left(1\right)$

由各个不同波长的透过率信号期望值e{T(λ_i，t)}构成了透过率起伏空间相关频谱，其频谱特征反映了测量区中颗粒的粒径信息和颗粒浓度信息，其中i＝1，2，…n。

进一步地，所述步骤1)中会聚的高斯光束的传播方向与颗粒流动方向垂直。

进一步地，所述步骤2)中采用准直透镜和色散器，使第一次经过测量区的透射光准直成平行后反射的平行光束与入射平行光束之间产生一个偏向角θ，偏向角的大小与光的波长有关，返回的光束经准直透镜在测量区中形成的焦点与入射光束的焦点之间产生偏离，其对应的焦点间隔L(λ)为：

$L\left(\mathrm{\λ}\right)=\mathrm{\θ}\·f=\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{d\λ}}\·|\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_0|\·f---\left(2\right)$

其中θ是光束经过色散器后的偏向角，f是准直透镜焦距，dθ/dλ是色散器的特征参数，表示偏向角随波长的改变率，入射光波长λ等于某个特定值λ₀时，光束沿原路返回，在测量区中对应的焦点与入射光束的焦点重合，光束第一次经过测量区的焦点与光束第二次经过测量区的焦点之间的间隔L(λ)因波长不同而变化，当焦点重合即L(λ)为零时，透过率T₁(λ，t)与透过率T₂(λ，t)完全一致，两个透过率之间具有最强相关性，随着L(λ)的增大相关性逐渐减弱，当L(λ)大于颗粒粒径时相关性降为0，这种空间相关性由透过率期望值e{T(λ，t)}体现。

本发明利用复色光源照射，经色散器，使入射光焦点和不同波长的反射光焦点之间在测量区中的间隔不同，相对应的空间相关性不同。入射光束和反射光束同时受颗粒作用，在测量区散射和吸收，引起消光。分光光束经半反半透平面玻璃并由接收透镜聚焦到感光元件上，由此得到透射相关频谱。可用于利用透过率起伏空间相关频谱法测量层流、湍流状态下的微米级颗粒粒径分布和浓度。有效解决了在测量过程中因机械操作造成的对颗粒测量范围限制的问题。而该获取方法和测量装置简单，提高了测量精度、实现透过率起伏空间相关频谱法实时、在线测量微米级小颗粒，并且透过率起伏空间相关频谱法与颗粒的流场(包括流动方向、速度场分布及其起伏)无关，不受流场的影响，可广泛用于科学研究、化工能源的生产与过程控制、环境保护、水质检测及颗粒测量的多个领域。

附图说明

图1本发明透过率起伏空间相关频谱法颗粒测量装置示意图；

图2测量区中入射光焦点和不同波长的反射光焦点之间间隔的示意图；

图3色散器采用色散棱镜时的光路示意图；

标号说明：

1复色光源，        6半反半透平面玻璃

2聚光碗，          7测量区

3凸透镜            8准直透镜

4空间滤波器        9色散器

5凸透镜            10接收透镜

11感光元件     13反射式色散棱镜

12计算机       14色散棱镜的反射面

具体实施方式

实施例一

如图1所示，一种获取透过率起伏空间相关频谱的装置，包括光源模块、半反半透平面玻璃6、测量区7、色散模块、探测与信号处理模块。

所述的光源模块，用于在测量区7产生一束会聚的复色高斯光束；

测量区7，设于所述复色高斯光束的束腰区域；

色散模块，用于将经过测量区7的复色高斯光束准直成平行光后反射，并再次在测量区7内聚焦，并且不同波长的平行光反射后沿不同方向在测量区7内聚焦，焦点的位置各不相同，也就是说，使反射的平行光束与入射平行光束之间产生一个偏向角θ，偏向角的大小与光的波长有关；

所述半反半透平面玻璃6，用于反射再次在测量区7内聚焦后的光；

探测与信号处理模块，用于接收由所述半反半透平面玻璃6反射的光信号，并将该光信号转化成电信号进行处理。

进一步地，所述光源模块包括依次位于光路上的复色光源1、凸透镜3、空间滤波器4、第二凸透镜5。

进一步地，在所述复色光源1处还设有聚光碗2，用于聚光，以增加产生的复色高斯光束的强度。

进一步地，所述色散模块包括：准直透镜8和色散器9，准直透镜8将第一次透射光准直成平行光照射到色散器9上，被色散器9反射的平行光经准直透镜8再次在测量区7内聚焦。

进一步地，所述探测与信号处理模块包括：接收透镜10、感光元件11和计算机12，经过半反半透平面玻璃6反射后的光束，由所述接收透镜10会聚到所述感光元件11上，所述感光元件11将光信号转化成电信号送所述计算机12处理。不同波长的平行光被色散器9反射后沿不同方向经过准直透镜8，在测量区7内焦点的位置各不相同，每个波长的光对应一个焦点，这些焦点和入射光焦点之间的距离与准直透镜8的焦距和光的波长有关，并对应了感光元件11上不同的探测单元。

其中，所述感光元件11优选CCD阵列。

其中，测量区7的厚度为2mm～10mm。

实施例二

一种获取透过率起伏空间相关频谱的方法，采用实施例一所述的装置，包括以下步骤：

采用一个复色光源1，复色光源1发出的复色光束经聚光碗2和第一凸透镜3会聚后，由空间滤波器4处理，再由第二凸透镜5会聚，会聚光束通过半反半透平面玻璃6后其焦点位于测量区7的中心，得到一束会聚的高斯光束。光束传播方向与颗粒流动方向垂直，对于某个波长的入射光，其强度为I₀(λ)，复色光束通过测量区7时，被测量区7中的颗粒散射和吸收，透射光强度为T₁(λ，t)I₀(λ)，其中T₁(λ，t)是光束第一次经过测量区7的透过率；

准直透镜8将第一次透射光准直成平行光照射到色散器9上，被色散器9反射的平行光经准直透镜8再次在测量区7内聚焦。再次会聚的光束在测量区7中第二次被颗粒散射和吸收，透射光强度为T₁(λ，t)T₂(λ，t)I₀(λ)，其中T₂(λ，t)是光束第二次经过测量区7的透过率。考虑到光束经过的光学元件的衰减作用，感光元件11上特定的探测单元最后接收到的透射光强度为C·T₁(λ，t)T₂(λ，t)I₀(λ)，其中C是衰减因子。当测量区7中不存在颗粒时，感光元件11相应探测单元接收到的信号为C·I₀(λ)，因此，测量区7中颗粒散射和吸收导致探测器接收信号的总透过率为T(λ，t)＝T₁(λ，t)T₂(λ，t)。当测量区7中存在颗粒时，颗粒流经测量区7具有随机特征，总透过率T(λ，t)随机起伏，对应的期望值表示为e{T(λ，t)}：

$e\left\{T(\mathrm{\λ},t)\right\}=e\left\{T_1(\mathrm{\λ},t)T_2(\mathrm{\λ},t)\right\}=\underset{t_s\→\∞}{\lim }\frac{1}{t_s}{\∫}_0^{t_s}{T}_1(\mathrm{\λ},t)T_2(\mathrm{\λ},t)\mathrm{dt}---\left(1\right)$

色散器9可以是色散棱镜或者反射式光栅，其作用是使反射的平行光束与入射平行光束之间产生一个偏向角θ，偏向角的大小与光的波长有关，返回的光束经准直透镜8在测量区7中形成的焦点与入射光束的焦点之间产生偏离，其对应的焦点间隔L(λ)可表示为：

$L\left(\mathrm{\λ}\right)=\mathrm{\θ}\·f=\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{d\λ}}\·|\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_0|\·f---\left(2\right)$

其中θ是光束经过色散器9后的偏向角，f是准直透镜8焦距，dθ/dλ是色散器9的特征参数，表示偏向角随波长的改变率，入射光波长λ等于某个特定值λ₀时，光束沿原路返回，在测量区7中对应的焦点与入射光束的焦点重合。

如图2所示，光束第一次经过测量区7的焦点与光束第二次经过测量区7的焦点之间的间隔L(λ)因波长不同而变化，记作L(λ)，当焦点重合即L(λ)为零时，透过率T₁(λ，t)与透过率T₂(λ，t)完全一致，两个透过率之间具有最强相关性，随着L(λ)的增大相关性逐渐减弱，当L(λ)大于颗粒粒径时相关性降为0，这种相关性称为空间相关性，由透过率期望值e{T(λ，t)}体现。

不同波长的透过率信号期望值e{T(λ，t)}对应了不同的焦点间隔L(λ)和不同的相关性，并被感光元件11相应探测单元接收，构成透过率起伏空间相关频谱，其体现出的频谱特征反映了测量区7中颗粒的粒径信息和颗粒浓度信息。

如图3所示，以色散棱镜13为例，平行光束I照射到色散棱镜13上，经色散和色散棱镜的反射面14反射后，波长为λ₁、λ₂的反射光II、III与入射光I的偏向角分别为θ₁、θ₂，在测量区7中，反射光II、III与入射光I的焦点间距为L(λ₁)、L(λ₂)，且均满足公式(2)。当λ＝λ₀时，光束沿入射光I返回，且在测量区7中对应的焦点与入射光束的焦点重合。感光元件11相应探测单元接收了透过率信号期望值e{T(λ₁，t)}、e{T(λ₂，t)}，由各个不同波长的透过率信号期望值e{T(λ_i，t)}(其中i＝1，2，…n)构成了透过率起伏空间相关频谱，其频谱特征反映了测量区7中颗粒的粒径信息和颗粒浓度信息。

以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡依本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (9)

1.一种获取透过率起伏空间相关频谱的装置，其特征在于包括依次位于光路上的光源模块、测量区(7)、色散模块、探测与信号处理模块，其中：

所述的光源模块，用于在测量区(7)产生一束会聚的复色高斯光束；

所述测量区(7)，设于所述复色高斯光束的束腰区域；

所述色散模块，用于将经过测量区(7)的复色高斯光束准直成平行光后反射，并再次在测量区(7)内聚焦，并且不同波长的平行光反射后沿不同方向在测量区(7)内聚焦，焦点的位置各不相同；

探测与信号处理模块，用于接收再次在测量区(7)内聚焦后的光信号，并将该光信号转化成电信号进行处理；

在所述光源模块和测量区(7)之间的光路上还设有半反半透平面玻璃(6)，用于反射再次在测量区(7)内聚焦后的光，所述探测与信号处理模块用于接收经半反半透平面玻璃(6)反射的光信号。

2.根据权利要求1所述的获取透过率起伏空间相关频谱的装置，其特征在于：

所述光源模块包括依次位于光路上的复色光源(1)、第一凸透镜(3)、空间滤波器(4)、第二凸透镜(5)。

3.根据权利要求2所述的获取透过率起伏空间相关频谱的装置，其特征在于：

在所述复色光源(1)处还设有聚光碗(2)。

4.根据权利要求3所述的获取透过率起伏空间相关频谱的装置，其特征在于：

所述色散模块包括：准直透镜(8)和色散器(9)，所述准直透镜(8)用于将所述的光源模块在测量区(7)产生的复色高斯光束准直成平行光照射到色散器(9)上，被色散器(9)反射的平行光经准直透镜(8)再次在测量区(7)内聚焦。

5.根据权利要求4所述的获取透过率起伏空间相关频谱的装置，其特征在于：

所述探测与信号处理模块包括：接收透镜(10)、感光元件(11)和计算机(12)，经过所述半反半透平面玻璃(6)反射后的光束，由所述接收透镜(10)会聚到所述感光元件(11)上，所述感光元件(11)将光信号转化成电信号送所述计算机(12)处理。

6.根据权利要求5所述的获取透过率起伏空间相关频谱的装置，其特征在于：

所述感光元件(11)为CCD阵列，所述测量区(7)的厚度为2mm～10mm。

7.一种获取透过率起伏空间相关频谱的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)采用一个复色光源(1)，在测量区(7)得到一束会聚的高斯光束；对于某个波长的 入射光，其强度为I₀(λ)，复色光束通过测量区(7)时，被测量区(7)中的颗粒散射和吸收，透射光强度为T₁(λ，t)I₀(λ)，其中，T₁(λ，t)是光束第一次经过测量区(7)的透过率；

2)第一次经过测量区(7)的透射光准直成平行光后反射，再次在测量区(7)内聚焦，此时光束透射光强度为T₁(λ，t)T₂(λ，t)I₀(λ)，其中，T₂(λ，t)是光束第二次经过测量区(7)的透过率；

3)检测再次经过测量区(7)的光信号强度C·T₁(λ，t)T₂(λ，t)I₀(λ)，其中C是衰减因子，由于颗粒流经测量区(7)具有随机特征，总透过率T(λ，t)随机起伏，对应的期望值表示为e{T(λ，t)}：

由各个不同波长的透过率信号期望值e{T(λ_i，t)}构成了透过率起伏空间相关频谱，其频谱特征反映了测量区(7)中颗粒的粒径信息和颗粒浓度信息，其中i＝1，2，…n。

8.根据权利要求7所述的获取透过率起伏空间相关频谱的方法，其特征在于：

所述步骤1)中会聚的高斯光束的传播方向与颗粒流动方向垂直。

9.根据权利要求7所述的获取透过率起伏空间相关频谱的方法，其特征在于：

所述步骤2)中采用准直透镜(8)和色散器(9)，使第一次经过测量区(7)的透射光准直成平行后反射的平行光束与入射平行光束之间产生一个偏向角θ，偏向角的大小与光的波长有关，返回的光束经准直透镜(8)在测量区(7)中形成的焦点与入射光束的焦点之间产生偏离，其对应的焦点间隔L(λ)为：

其中θ是光束经过色散器(9)后的偏向角，f是准直透镜(8)焦距，dθ/dλ是色散器(9)的特征参数，表示偏向角随波长的改变率，入射光波长λ等于某个特定值λ₀时，光束沿原路返回，在测量区(7)中对应的焦点与入射光束的焦点重合，光束第一次经过测量区(7)的焦点与光束第二次经过测量区(7)的焦点之间的间隔L(λ)因波长不同而变化，当焦点重合即L(λ)为零时，透过率T₁(λ，t)与透过率T₂(λ，t)完全一致，两个透过率之间具有最强相关 性，随着L(λ)的增大相关性逐渐减弱，当L(λ)大于颗粒粒径时相关性降为0，这种空间相关性由透过率期望值e{T(λ，t)}体现。 

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