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《南京工业大学》 2003年
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光散射法颗粒大小与形状分析

王清华  
【摘要】:颗粒材料广泛应用于医药、化工、冶金、电子、机械、轻工、食品、建筑及环保等行业。颗粒的许多重要特性与颗粒的大小与形状密切相关。 光散射法颗粒粒度分布测量具有测量速度快、重复性好、可测粒径范围广、可进行非接触测量等优点,现在向提高测量精度、改进反演算法、在线监测的方向发展。 本文系统研究了光散射法粒度测试和形状分析的原理,建立了完善的数值模拟模型,实现了光散射法粒度测试和形状分析的计算机模拟,可以不受物理条件局限进行各种因素试验,为仪器的测试误差分析和改进提供了有效的手段。 粒度反演技术在光散射粒度测试装置的开发中占据着举足轻重的地位,反演算法的优劣直接体现激光粒度仪的水平。本文研究了多种粒度独立模式反演算法,发现矩阵预处理技术可显著改善Chahine迭代的稳定性。 从一般意义上来看,反演粒级数的增加有利于提高粒度测量精度,由于反演过程的不适定性,高反演粒级数导致解的不稳定限制了粒级数的增加,使得反演精度不能得到有效地提高。本文提出了针对独立模式高反演粒级数的平滑Chahine迭代算法以及非负平滑Projection迭代算法,明显的提高了反演精度。模拟和实测表明使用这两种算法在不改变激光粒度仪的原有结构情况下,就可大大提高仪器的精度和分辨能力:在颗粒多峰分布的情况下精度提高2倍以上。 通常激光粒度仪均假定系统能够理想聚焦,即当样品槽中为澄清介质时,光线在探测器上聚焦成一没有大小的抽象的点。而实际情况下这是不可能达到的,考虑到数学模型建立的条件,于是人们采用光学准直扩束系统,提高入射光的平行度。这对仪器的加工精度提出了很高的要求;同时由于准直扩束系统的引入,空间滤波器减小了输出光束的能量,人们不得不进一步增加激光光源的能量。所有这些,大大增加了仪器的成本。然而系统的非理想聚焦对激光粒度仪精度究竟带来多大的影响,一直以来没有一个定量的描述。本文建立了相应的数值模拟模型,模拟和测试表明非理想聚焦导致的散焦现象降低了系统的分辨率;对于大颗粒的测量有显著影响;使得测量结果中大颗粒数量减少,且粒度分布向小粒径方向展宽。本文提出通过焦斑积分式光能分布系数矩阵进行校正,并进行了数值模拟研究。研究表明这种校正方法可以大大削弱非理想聚焦引起的误差,从而为这一硬件上较难克服的问题开辟了软件解决的新途径。 光散射谱中同时含有反应颗粒大小和形状的信息,而光散射法用于颗粒形 WP=4 状的表征尚处于起步阶段。本文建立了非球形颗粒的光散射数值模型,进行了模拟试验研究。 目前激光粒度仪的粒度反演模型普遍建立在被测颗粒为球形的假定的基础之上,这对于非球形颗粒的测量必然带来不可忽略的误差,文中通过数值模拟指出非球形颗粒在激光粒度仪中出现明显的分布展宽现象。研究表明对于较单一形状的颗粒采用相关系数表征其形状是行之有效的,可以应用于实际监测中。并进一步提出通过四种基本形的光散射谱去表征颗粒的形状分布,这种表征方法可采用频谱分析来分析颗粒的形状分布。计算机模拟初步证实频谱分析可给出颗粒的形状分布的定量描述。 本文采用新型CMOS图象传感器,在程序中实现对用于粒度测量的光环或者用于形状检测的楔形探测单元的任意划分,组建了集粒度与形状测试为一体的颗粒测试系统。实践表明新型CMOS优于传统的固定参数的多元探测器,显著的提高测量精度。
【学位授予单位】:南京工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:TB383

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