CN104458514A - 一种激光自混频纳米颗粒粒径分布快速测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光自混频纳米颗粒粒径分布快速测量方法及装置，测量步骤包括：首先将激光二极管发出的发散光束直接照射到样品池溶液中的纳米颗粒，获得自混频信号，所述自混频信号包含所述纳米颗粒粒径信息；然后将所述自混频信号转变，获得由M个不同频率处的功率组成的功率谱；最后将所述功率谱处理得到所述纳米颗粒粒径分布列向量X。测量装置包括：激光器、样品池、跨阻放大电路和多通道真有效值转换电路。采用发散光束直接照射样品池，极大地简化了光学结构，有效地防止光学器件界面的反射对自混频信号的干扰。采用多通道真有效值转换电路处理信号，降低对数据采集速度、数据采集量、数据储存量和数据处理量等方面的要求，可实现快速测量。

Description

一种激光自混频纳米颗粒粒径分布快速测量方法

技术领域

本发明涉及纳米颗粒粒径分布测量领域，具体涉及一种无需外置光学器件的激光自混频纳米颗粒粒径分布的快速测量方法及装置。

背景技术

近年来，激光自混频技术在纳米颗粒粒径测量领域备受关注，归咎于如下优点：

1、采用后向散射信号可有效避免大颗粒的影响、复散射效应等。

2、采用自混频信号放大技术，极大降低了对探测器灵敏度的要求、避免杂散光影响和激光本身频率漂移的影响。

3、测量装置无需复杂光路实现光的时间和空间相干条件、无需相关器和光电倍增管提高探测灵敏度，相对传统测量装置结构简单，可望应用于在线实时测量场合。

迄今为止，激光自混频测量方法及装置仍需借助若干个光学器件将激光传输至样品池中纳米颗粒上。激光自混频对外界光反馈非常敏感，反馈光一方面来自于纳米颗粒微弱的后向散射光，另一方面来自光学器件界面的反射。为了尽可能减小后者的干扰，对光学器件本身以及彼此的耦合需提出更高的要求，另外，光学器件易被污染、易被损坏、高质量光学器件本身的高成本。以上诸多问题限制了颗粒粒径测量领域内激光自混频技术的广泛应用。

发明内容

本发明目的之一在于建立一个无需外置光学器件的激光自混频纳米颗粒粒径的快速测量装置及方法，本发明极大地简化了测量装置，操作简单、测量快速、精确。

本发明提供一种激光自混频纳米颗粒粒径分布快速测量方法，方法步骤如下：

S1：将激光二极管发出的发散光束直接照射到样品池溶液中的纳米颗粒，获得自混频信号；

S2：将所述自混频信号转变，获得由M个不同频率处的功率组成的功率谱；

S3：将所述功率谱处理得到所述纳米颗粒粒径分布列向量X。

步骤S1具体包括：所述纳米颗粒被所述发散光束照射后产生后向散射光，所述后向散射光返回进入所述激光二极管的激光谐振腔内，与所述激光谐振腔内的原始光发生自混频并产生自混频信号，所述自混频信号包含所述纳米颗粒粒径的信息。

步骤S2具体包括：

所述自混频信号从激光腔后端面射出，经光电检测器转变为电流信号；

所述电流信号经跨阻放大电路转变为电压信号，然后并行送入多通道真有效值转换电路，并得到M个不同频率处的信号真有效值；

所述信号真有效值被A/D采集卡采样送入计算机中，获得M个不同频率处的功率，所述功率组成功率谱，可表示为：

其中，i是频率通道号(i＝1,2,…,M)，M是通道总数；j是颗粒粒径分档号(j＝1,2,…,N)，N是颗粒粒径分档总数；x_j是第j档颗粒粒径平均值；△x_j是第j档粒径的分档宽度；q是散射矢量的值；D_j是第j档粒径的颗粒扩散系数，包含了纳米颗粒粒径x_j的信息；积分变量ω是与布朗运动有关的角频率；H_i(ω_0,i,ω)是第i通道带通滤波器的频率响应函数，该通道带通滤波器的中心频率为ω_0,i，适用于各阶无源和有源滤波器；ρ(x_j)是第j档粒径的颗粒分布函数。

步骤S3具体包括：

首先将所述公式(1)转变成矩阵，得到：

S∝KX

其中，功率谱分布列向量S为一组测量量，由所述自混频信号经所述跨阻放大电路和所述多通道真有效值转换电路处理得到，系数矩阵K根据所述公式(1)中 $K_{\mathrm{ij}}\≡{\∫}_0^{\∞}\frac{D_j{q}^2}{{\mathrm{\ω}}^2+{\left(D_j{q}^2\right)}^2}\·{\left|H_i({\mathrm{\ω}}_{0,i},\mathrm{\ω})\right|}^2\mathrm{d\ω}$ 计算得到；

然后求解矩阵方程S∝KX，获得所述纳米颗粒粒径分布列向量X。

一种激光自混频纳米颗粒粒径分布快速测量装置，包括激光器、样品池、跨阻放大电路和多通道真有效值转换电路，所述激光器包括激光二极管和置于其后的光电检测器，所述多通道真有效值转换电路为M路由缓冲器、不同中心频率的带通滤波器和真有效值转换器串联而成的电路，所述激光二极管发出的发散光束直接照射样品池中的纳米颗粒，产生自混频信号并被光电检测器接收，所述光电检测器输出的信号经跨阻放大器放大后，并行送入所述多通道真有效值转换电路，得到M个不同频率处的信号真有效值，被A/D采集卡采样，最终得到信号的功率谱。

所述激光器紧贴所述样品池，所述激光二极管发出的发散光束直接照射样品池中的纳米颗粒；颗粒后向散射光返回进入激光二极管谐振腔内，与腔内原始光发生自混频，一部分自混频信号从激光谐振腔后端面射出。

本发明的有益效果在于，使用本发明提供的一种激光自混频纳米颗粒粒径分布快速测量方法及装置，无需外置光学器件实现激光自混频纳米颗粒粒径分布测量，极大地简化了光学结构。采用多通道真有效值转换电路处理信号，降低了对数据采集速度、数据采集量、数据储存量和数据处理量等方面的要求，极大缩短了数据处理时间，可实现快速测量。

附图说明

图1为本发明测量装置和方法的原理示意图

图2为本发明测量装置的系数矩阵K的分布图。

具体实施方式

下文将结合附图详细描述本发明的实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。

由图1所示本发明提供一种激光自混频纳米颗粒粒径分布快速测量方法，方法步骤如下：

S1：将激光二极管2发出的发散光束直接照射到样品池3中的纳米颗粒上，获得自混频信号；

S2：将所述自混频信号转变，获得由M个不同频率处的功率组成的功率谱；

S3：将所述功率谱处理得到所述纳米颗粒粒径分布列向量X。

步骤S1具体包括：所述纳米颗粒被所述发散光束照射后产生后向散射光，所述后向散射光返回进入所述激光二极管2的激光谐振腔内，与所述激光谐振腔内的原始光发生自混频并产生自混频信号，所述自混频信号包含所述纳米颗粒粒径的信息。

步骤S2具体包括：

所述自混频信号从激光二极管2后端面射出，经光电检测器4转变为电流信号；

所述电流信号经跨阻放大电路5转变为电压信号，然后并行送入多通道真有效值转换电路6，并得到M个不同频率处的信号真有效值；

所述信号真有效值被A/D采集卡采样送入计算机10中，获得M个不同频率处的功率，所述功率组成功率谱，可表示为：

其中，i是频率通道号(i＝1,2,…,M)，M是通道总数；j是颗粒粒径分档号(j＝1,2,…,N)，N是颗粒粒径分档总数；x_j是第j档颗粒粒径平均值；△x_j是第j档粒径的分档宽度；q是散射矢量的值；D_j是第j档粒径的颗粒扩散系数，包含了纳米颗粒粒径x_j的信息；积分变量ω是与布朗运动有关的角频率；H_i(ω_0,i,ω)是第i通道带通滤波器的频率响应函数，该通道带通滤波器的中心频率为ω_0,i，适用于各阶无源和有源滤波器；ρ(x_j)是第j档粒径的颗粒分布函数。

步骤S3具体包括：

首先将所述公式(1)转变成矩阵，得到：

S∝KX

其中，功率谱分布列向量S为一组测量量，由所述自混频信号经所述跨阻放大电路和所述多通道真有效值转换电路处理得到，系数矩阵K根据所述公式(1)中 $K_{\mathrm{ij}}\≡{\∫}_0^{\∞}\frac{D_j{q}^2}{{\mathrm{\ω}}^2+{\left(D_j{q}^2\right)}^2}\·{\left|H_i({\mathrm{\ω}}_{0,i},\mathrm{\ω})\right|}^2\mathrm{d\ω}$ 计算得到，如图2所示；

然后求解矩阵方程S∝KX，获得所述纳米颗粒粒径分布列向量X。

一种激光自混频纳米颗粒粒径分布快速测量装置，包括激光器1、样品池3、跨阻放大电路5和多通道真有效值转换电路6，所述激光器1包括激光二极管2和置于其后的光电检测器4，所述多通道真有效值转换电路为M路由缓冲器7、不同中心频率的带通滤波器8和真有效值转换器9串联而成的电路，所述激光二极管2发出的发散光束直接照射样品池3中的纳米颗粒，产生自混频信号并被光电检测器4接收，所述光电检测器4输出的信号经跨阻放大电路5放大后，并行送入所述多通道真有效值转换电路6，得到M个不同频率处的信号真有效值，被A/D采集卡采样进计算机10，最终得到信号的功率谱。

所述激光器1紧贴所述样品池3，所述激光二极管2发出的发散光束直接照射样品池3中的纳米颗粒；颗粒后向散射光返回进入激光二极管2谐振腔内，与腔内原始光发生自混频，一部分自混频信号从激光谐振腔后端面射出。

实施例1：

由图1所示，激光器1中激光二极管2发出的发散光束直接照射到样品池3中的颗粒上。颗粒的后向散射光返回进入激光二极管2的谐振腔内，与腔内原始光发生自混频调制激光输出，一部分输出光被光电检测器4转化为电压信号，经跨阻放大电路5放大后，并行送入M路由缓冲器7、不同中心频率的带通滤波器8和真有效值转换器9串联而成的电路，得到M个不同频率处的信号真有效值，被A/D采集卡采样送入计算机10，最终得到信号的功率谱。

使用本发明提供的一种激光自混频纳米颗粒粒径分布快速测量方法及装置，无需外置光学器件实现激光自混频纳米颗粒粒径分布测量，极大地简化了光学结构，有效地防止光学器件界面的反射对自混频信号的干扰。采用多通道真有效值转换电路处理信号，降低了对数据采集速度、数据采集量、数据储存量和数据处理量等方面的要求，极大缩短了数据处理时间，可实现快速测量。

本文虽然已经给出了本发明的一些实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (6)

1.一种激光自混频纳米颗粒粒径分布快速测量方法，其特征在于，方法步骤如下：

S1：将激光二极管发出的发散光束直接照射到样品池中的纳米颗粒，获得自混频信号；

S2：将所述自混频信号转变，获得由M个不同频率处功率组成的功率谱；

S3：将所述功率谱处理得到所述纳米颗粒粒径分布列向量X。

2.如权利要求1所述的一种激光自混频纳米颗粒粒径分布快速测量方法，其特征在于，步骤S1具体包括：所述纳米颗粒被所述发散光束照射后产生后向散射光，所述后向散射光返回进入所述激光二极管的激光谐振腔内，与所述激光谐振腔内的原始光发生自混频并产生自混频信号，所述自混频信号包含所述纳米颗粒粒径的信息。

3.如权利要求1所述的一种激光自混频纳米颗粒粒径分布快速测量方法，其特征在于，步骤S2具体包括：

所述自混频信号从激光腔后端面射出，经光电检测器转变为电流信号；

所述电流信号经跨阻放大电路转变为电压信号，然后并行送入多通道真有效值转换电路，并得到M个不同频率处的信号真有效值；

所述信号真有效值被A/D采集卡采样送入计算机中，获得M个不同频率处的功率，所述功率组成功率谱，可表示为：

其中，i是频率通道号(i＝1,2,…,M)，M是通道总数；j是颗粒粒径分档号(j＝1,2,…,N)，N是颗粒粒径分档总数；x_j是第j档颗粒粒径平均值；Δx_j是第j档粒径的分档宽度；q是散射矢量的值；D_j是第j档粒径的颗粒扩散系数，包含了纳米颗粒粒径x_j的信息；积分变量ω是与布朗运动有关的角频率；H_i(ω_0,i,ω)是第i通道带通滤波器的频率响应函数，该通道带通滤波器的中心频率为ω_0,i，适用于各阶无源和有源滤波器；ρ(x_j)是第j档粒径的颗粒分布函数。

4.如权利要求1或3所述的一种激光自混频纳米颗粒粒径分布快速测量方法，其特征在于，步骤S3具体包括：

首先将所述公式(1)转变成矩阵，得到：

S∝KX

其中，功率谱分布列向量S为一组测量量，由所述自混频信号经所述跨阻放大电路和所述多通道真有效值转换电路处理得到，系数矩阵K根据所述公式(1)中 $K_{\mathrm{ij}}\≡{\∫}_0^{\∞}\frac{D_j{q}^2}{{\mathrm{\ω}}^2+{\left(D_j{q}^2\right)}^2}\·{\left|H_i({\mathrm{\ω}}_{0,i},\mathrm{\ω})\right|}^2\mathrm{d\ω}$ 计算得到；

然后求解矩阵方程S∝KX，获得所述纳米颗粒粒径分布列向量X。

5.一种激光自混频纳米颗粒粒径分布快速测量装置，其特征在于，该装置包括激光器、样品池、跨阻放大电路和多通道真有效值转换电路，所述激光器包括激光二极管和置于其后的光电检测器，所述多通道真有效值转换电路为M路由缓冲器、不同中心频率的带通滤波器和真有效值转换器串联而成的电路，所述激光二极管发出的发散光束直接照射样品池中的纳米颗粒，产生自混频信号并被光电检测器接收，所述光电检测器输出的信号经跨阻放大电路放大后，并行送入所述多通道真有效值转换电路，得到M个不同频率处的信号真有效值，被A/D采集卡采样，最终得到信号的功率谱。

6.如权利要求5所述的一种激光自混频纳米颗粒粒径分布快速测量装置，其特征在于，所述激光器紧贴所述样品池，所述激光二极管发出的发散光束直接照射样品池中的纳米颗粒；颗粒后向散射光返回进入激光二极管谐振腔内，与腔内原始光发生自混频，一部分自混频信号从激光谐振腔后端面射出。