基于散射原理的激光粒度测试仪研究

论文摘要

粒度测试在环境、能源、化工等诸多重要领域越来越重要,而基于散射原理的激光粒度测试仪采用激光作为光源,用基于米氏散射理论的光学系统和数据处理软件分析测试数据,以其测试精度高、测试速度快、重复性好、可测粒径范围宽、非接触式测量、自动化程度高、操作简便等优点,近年来在粒度测试领域得到了越来越广泛的应用。本文对Mie散射理论和激光粒度测试原理进行深入研究,在硬件和软件上进行系统设计,最终实现并改进了激光粒度仪测试实验系统。论文主要工作包括:1、深入研究了Mie散射理论,建立了散射光强度函数的计算模型,并通过计算得到不同粒径下的光强分布及不同折射率下的散射系数曲线。2、设计了激光粒度仪的硬件系统,包括光路系统和数据采集、处理电路两部分,改进了传统的光路系统,调整傅立叶透镜和样品池的位置,在不影响系统测量动态范围的情况下缩小了仪器的体积。3、根据Mie散射光强的分布,通过严格计算,自主设计制作了环形光电探测器,确定了大角度探测器的位置参数,并建立了光路系统的数学模型,由此得到基本对角占优的光能矩阵,可以保证计算得到的解的稳定性,为后面的数值计算奠定了基础。4、详细分析了有模式算法和无模式算法的优缺点,选择了无模式算法作为主要研究对像,并针对无模式算法抗噪声能力较差的缺点,将最优化算法与传统的粒度反演算法结合,提出了一种基于Phillips-Twomey理论的最速下降反演算法,避免了矩阵求逆可能带来的巨大误差,提高了计算的精度和稳定性,并在具体的实验研究中取得了很好的效果。5、对激光粒度测试系统的软件部分进行了设计,完成了测试分析软件,实现了各种功能,为用户提供了简单人性化的界面。6、利用实验样机和测试软件进行了大量重复性实验和对比实验研究,实验结果表明,剔除样品分散的影响后,本文系统参数D5 0的重复误差小于1%,且稳定性较好。最后对整个系统各个部分可能产生的误差因素进行了分析,同时对影响较大的因素给出了解决的办法,保证了整个系统的精度及可信度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 粒度检测的意义
• 1.2 粒度检测的主要方法和发展现状及趋势
• 1.2.1 粒度检测的主要方法及特点
• 1.2.2 光散射法粒度检测技术研究现状
• 1.2.3 粒度检测技术发展趋势
• 1.3 本文研究的目的和主要内容
• 第二章 Mie 散射理论与系统测试原理
• 2.1 颗粒光散射理论
• 2.1.1 光的散射、吸收与消光
• 2.1.2 振幅函数和强度函数
• 2.2 Mie 散射理论
• 2.2.1 Mie 散射理论基本公式
• 2.2.2 Mie 散射光强的计算
• 2.2.3 Mie 散射光强模拟
• 2.3 散射式激光粒度仪测量颗粒粒径原理
• 2.4 激光粒度分析的傅立叶光学原理
• 2.5 多重散射和不相关单散射
• 2.6 常用代表粒度的特征数值
• 2.7 小结
• 第三章 激光粒度仪总体设计
• 3.1 激光粒度仪基本结构
• 3.2 光路系统设计
• 3.2.1 激光器
• 3.2.2 滤波—准制阔束系统
• 3.2.3 傅立叶变换透镜
• 3.2.4 样品循环系统
• 3.3 多元光电探测阵列设计
• 3.4 光路系统结构参数
• 3.5 信号采集、传输、处理系统
• 3.6 小结
• 第四章 光能矩阵及粒度分布反演算法
• 4.1 光能矩阵的计算
• 4.1.1 特征粒径的计算
• 4.1.2 光能矩阵计算
• 4.2 激光粒度仪粒度分布反演算法
• 4.2.1 分布函数限定法（非独立模式法）
• 4.2.2 无模式反演算法（独立模式法）
• 4.2.3 对P-T 算法的改进
• 4.3 P-T 算法与本文算法的比较实验
• 4.4 小结
• 第五章 粒度分析软件及实验结果和误差分析
• 5.1 粒度分析软件设计
• 5.2 湿法粒度测试实验结果和分析
• 5.3 干法粒度测试实验结果和分析
• 5.4 影响测量的误差因素分析
• 5.4.1 光学系统中的误差因素
• 5.4.2 探测器及数据采集处理电路引入的误差因素
• 5.4.3 软件系统中的误差
• 5.5 小结
• 第六章 结束语
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 今后的工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果