一种多光束单镜头激光粒度仪(二)

作者: 范继来 马明杰 董青云 |文章来源: 丹东百特仪器有限公司 丹东 118009 |时间: 2014-06-19 |关注 3226



第五,高精度的、稳定的反演算法是实现系统设计要求的保证。激光粒度测试的直接物理量是散射光能分布,如果不能真实有效地将接收的散射光能分布反演为粒度分布,其它的种种努力将毫无意义。因此反演算法的优劣对拓宽量程起着至关重要的作用。经过长期深入研究和反复实践,在本系统中采用的反演算法具有精度高、速度快、稳定性好的效果。图7的上半部分是六个随机样品的理论粒度分布,下半部分是通过理论粒度得到散射光能分布后再进行反演计算得到的粒度分布,可以看出两组对应的粒度分布十分接近。 

图7、反演算法精度对比

第六,实际测试结果效果良好。通过采用短波长激光、组合镜头、特殊光路结构、大尺寸光电探测器以及独特的反演算法等措施后,系统能不能对量程所覆盖的所有粒度范围的的样品都进行有效测量,特别是能否对粒度分布在量程的上限和下限附近的样品进行有效测量,是本系统成败的关键,这就对制造环节提出了更高的要求。比如在光电探测器设计、选材、制作方面;在镜头的设计、参数确定和安装方面;在激光器选择及其位置排列方面;在样品池的材料与制作工艺方面都需要做大量的工作,使设计方案得以实现。图8是对粗、中、细三种不同粒度的样品进行粒度测试的结果。从这三个测试结果可以看出,本系统无论对最小粒径接近量程下限的样品,还是对最大粒径接近量程上限的样品,都具有较好的效果。

图8、几种样品的实际测试结果

4、硬件系统组成

除了上述讨论过的光路系统以外,本系统还包括光电探测器及自动对焦系统、信号传输与控制系统、自动循环分散系统以及软件(电脑)系统等四部分。

(1)自动对焦系统:自动对焦系统由步进电机及其执行机构和步进电机控制驱动系统两部分组成。自动对焦系统除了作为光电探测器阵列的基座之外,主要的作用是保证探测器的中心始终与主光轴上镜头的焦点重合。一旦探测器中心与镜头的焦点发生偏离现象,
图10自动对焦示意图 自动对焦系统将在电脑控制下,通过横向和纵向的步进电机及其执行机构,实时地、自动地进行调整,使探测器的中心回到焦点上,保证了测量精度。

 


图9、系统其他组成部分示意图
图10、自动对焦示意图

(2)信号转换、传输与控制系统。该系统包括微控制系统(MCU)、驱动系统、多路信号分配系统、信号放大器等部分组成,如图9。其中微控制系统是控制核心,由三个单片机系统组成,它通过USB与电脑相连,受电脑直接指挥和控制。在运行粒度测试软件前由它直接控制各部分的初始状态,在粒度测试过程中它随时接收电脑的指令和各部分的反馈信号,经过处理后再向其它相关部分发出控制指令。驱动系统是MCU的执行机构,MCU发出的指令通过它进行功率放大和转换后直接驱动自动对焦系统和循环分散系统,进行光路对焦、启动/停止循环、启动/停止超声分散以及启动进水/排水/清洗等操作。多路信号分配系统和信号放大器的主要作用是信号的转换与传输,包括信号放大、16位模/数转换,98路信号分配等。

(3)循环分散系统。包括流量可调的离心循环泵、无限定条件启动的超声波分散器、防泄漏的排水系统、吸水式进水系统、水位探测器、搅拌器等。该系统的所有操作都通过电脑、MCU、驱动系统来实现的。它的操作流程包括进水—消泡—循环—背景—浓度—分散—测试—排放—清洗—进水等。这些操作可以通过设置标准操作流程(SOP)方式程序化,也可以通过屏幕上的快捷按钮单独进行操作。 

5、软件系统

软件系统是多光束单镜头激光粒度仪系统的重要组成部分。这里仅从应用角度列出几点内容。

(1)准确性标定。粒度测试结果准不准,怎样来界定准确性,是激光粒度仪器研究、生产和应用都关心的问题。除了前面已经描述过的理论验证以外,本系统还通过用实际样品两级标定的方式来保证系统准确性。一是用通过认证的几种标准样品分段来进行检定;二是用工作标样进行验证。图11就是一种工作标样进行验证的界面。图11中的中间虚线是这个工作标样的“标称”粒度曲线,两边的虚线是允许的粒度界限,红线是实际测试的粒度曲线。用户可以用经过认证的标准样品进行准确性检定,也可以用随仪器赠送的工作标样定期和不定期进行准确性验证。

(2)多文字界面技术。为了方便国内外不同地域和语言背景用户的使用,语言选择界面
本软件系统设置了中文、中文繁体、英文三种文字。用户可以在这三种文字中种任选一种。不仅如此,在界面设计上还使用了“文件关联技术”,将界面所有的文字以关联文件的形式保存在文本文件中。只要将这个关联文件(该文件是中文或英文)翻译成任何一种其它文字,重新启动后软件界面就变成相应文字的界面了。所以,无论这种仪器的用户是使用什么语言背景,都可以用自己熟悉的母语文字进行粒度测试工作。




图11、粒度测试准确性验证
图12、语言选择界面

(3)自动测试技术。本系统通过设置标准操作流程,粒度测试过程的所有环节全部自动进行操作。自动测试的流程是:启动“自动测试”按钮—进水—消泡—搅拌—循环—浓度调整—分散—测试—保存—打印—清洗—进水。自动测试不仅仅是简化操作,更重要的是保证每次的测试条件完全一致,最大限度地消除了因操作因素带来的误差,保证了粒度测试的重复性和准确性。


 

图13、自动测试与SOP设置

(4)报告单格式的转换:为了便于在通常条件下对报告单进行打印、显示、发送电子邮件的需要,本系统设置了三种报告单转换形式。其中“导入Excel”是将报告单转换成标准的Excel格式文件,可以在Excel环境下打印、编辑。“整体导出”是先将报告单转换成位图格式,然后存入电脑的剪切板中,它可以被粘贴到Word、Excel、画图、写字板等多种环境,方便地进行打印、显示、发送电子邮件等。“分项导出”是将所关心的单项结果(如D10、D50、D90)导入Excel环境中,以便于进行比较、处理、编辑等。

6、结束语

通过长期的理论研究和设计制造实践,采用新的创新技术的多光束单镜头激光粒度仪研制成功。实现了拓宽量程、提高精度、简化操作、打造精品的设计要求。该项技术的研制成功和产品的投放市场,是中国激光粒度测试技术自主创新的又一成果,标志着高性能激光粒度仪国产化的时期已经到来。


参考文献:
    王乃宁等编著.颗粒粒径的光学测量技术及应用.原子能出版社,2000.
    王清华.光散射法颗粒大小与形状分析.南京工业大学博士学位论文,2003.
    王建萍.激光粒测试系统的模块化研究.天津大学博士学位论文,1999.
    沈建琪.光散射法测粒技术延伸测量下限的研究.上海理工大学博士学位论文,1999.
    彭 力,杨冠玲,何振江,韩鹏等.颗粒侧向大角度光散射信息获取研究.华南师范大学,2004.
    刘 超.超声层析成像的理论与实现.浙江大学博士学位论文,2003.

 (本论文首次发表于2008年张家界“第七届全国颗粒测试学术会议”论文集上)



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