光纤式动态光散射粒度仪研究

论文摘要

动态光散射技术广泛应用于测量悬浮液中亚微米及纳米颗粒的粒度大小及其分布。传统的动态光散射系统体积大,颗粒产生的散射光在空气介质中传输,容易受灰尘、外界光线及振动的干扰,导致系统的信噪比低,从而影响颗粒粒径测量的精度。为了克服传统动态光散射系统的不足,本文研究了光纤式动态光散射粒度仪。本文的主要研究内容包括：1、对散射光到单模光纤和多模光纤的耦合效率进行了对比。分别利用单模光纤和多模光纤接收散射光信号,通过实验测量了光纤输出端光信号的功率大小,并比较了粒度仪性能方面的差异。由于散射光到单模光纤的耦合效率低,光电倍增管接收的光通量小,导致相关函数曲线信噪比低。而多模光纤容易实现散射光到光纤的耦合,并且具有很高的耦合效率,因此可以显著提高相关函数曲线的信噪比。2、研究了粒度仪的空间相干性问题。通过对影响空间相干性的空间相干角、相干面积以及散射体积进行研究来提高粒度仪相干性。将散射区看作三维立体光源,由散射区的光散射几何原理图得出空间相干角以及散射体积的大小。由VanCittert Zernike定理,计算得出相干面积。研究表明,光纤接收探头的发散角须小于空间相干角在y-z平面的分量,光电倍增管的接收面积须小于或等于相干面积,且小的散射体积有利于提高粒度仪的空间相干性。3、设计了入射光路,通过透镜焦距与焦点处光斑直径的关系计算透镜焦距；设计了接收光路,根据光到光纤耦合的条件,计算光阑小孔的大小以及光阑与光纤的距离,并对光纤端面进行剥覆、清洁和切割处理,从而有效地将散射光耦合进多模光纤中,完成接收光路的设计。对光路的校准进行研究,利用激光束进行校准,实现了光路的准直。4、利用本文研制的粒度仪分别对五种不同粒径的标准聚苯乙烯颗粒进行测量,同时与传统测量装置进行了对比测试,对于得到的光强自相关函数采用累积反演算法计算出了颗粒粒径,对两种测量结果进行了对比与分析。结果表明,光纤式动态光散射粒度仪可以提高测量精度。本文基于动态光散射原理,利用光纤技术,完成了光纤式动态光散射粒度仪的研制。该粒度仪体积小,散射光在光纤介质中传输,不受灰尘、外界杂散光及振动的干扰。实验表明,该粒度仪可用于颗粒粒径的测量。目前,国内光纤式动态光散射粒度仪的研制落后于发达国家,本文所进行的研究有助于推动我国光纤式动态光散射粒度仪行业的发展。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.3 本文的主要研究内容
• 1.4 本章小结
• 第二章 动态光散射颗粒测量的基本理论
• 2.1 光散射
• 2.2 动态光散射理论
• 2.3 光子相关器工作原理
• 2.4 反演算法
• 2.5 本章小结
• 第三章 系统的空间相干性
• 3.1 空间相干角
• 3.2 相干面积
• 3.3 散射体积
• 3.4 影响粒度仪信噪比的其他因素
• 3.5 本章总结
• 第四章 光路设计
• 4.1 光纤式动态光散射粒度仪装置
• 4.2 入射光路
• 4.3 接收光路
• 4.4 光路的校准
• 4.5 信号处理系统
• 4.6 本章小结
• 第五章 实验及分析
• 5.1 样品准备
• 5.2 颗粒测量实验
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与建议
• 6.1 总结
• 6.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文