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采用新型CMOS的光散射法颗粒测量研究

张传武  
【摘要】: 粉体颗粒特征粒径和粒径分布的测量技术及其颗粒形状的表征对获得粉体材料的特性是极为重要的。在众多的颗粒测量技术中,光散射法以其优异的性能得到了极大的重视。文中建立了基于Fraunholf衍射理论和基于经典Mie散射理论的前向光散射粒度测试系统的数值模拟系统和基于新型CMOS面元光电检测的实测实验系统,进行了模拟与实验研究。 通过计算机模拟,得出Chahine叠代算法是独立模式反演颗粒粒度分布的有效算法.在全量程范围内采用Mie理论计算时,Chahine叠代算法的误差容差限比较小,这主要是因为光能在光环检测器上的截断误差决定的。 对于采用Mie理论为基础的激光粒度仪的反演过程,使用构造正则算子θ-2提高反演精度,通过模拟证实利用正则化的思想可以明显提高Chahine叠代独立模式粒度反演的容差限。 通过模拟研究,对于服从RRB分布的粉体,给出了量程判断因子N×(R1+R2),即粉体均匀性指数和超出激光粒度仪测量范围的质量百分数的乘积。该指数越小,测量的准确性越高。 由于Mie理论属于第一类Fredholm方程,模拟研究表明,对于光散射粒度反演这类不适定问题,简单的增加节点即将环细分并不能提高测量精度。 通过模拟和实验研究,提出了一种用于提高测量少量“超大粒子”测量灵敏度的离散化测量思想,以使大颗粒的光强信号不会因为对光环探测器上的光强平均而消失,这样就能探测到在绝大部分的粒度分布之外的少量大颗粒。 试验研究表明,fuga 15 CMOS摄像机作为激光粒度仪的光检测器是可行的。新型CMOS优良的性能不仅解决了CCD摄像机动态范围比较窄等缺点以外,它还解决了象素点之间的溢出与光强的溢出,保证了测量精度。同时它还可以应用到颗粒形状的测量中,通过模拟与试验研究, CMOS作为光环检测器,利用相关系数可以表征颗粒形状。 利用高级编程语言Delphi和Matlab结合建立了光散射粒度测量的测量和模拟系统,不仅操作界面更人性化,报表制作更方便以外,计算时间比较短,而不需要专门的硬件模块来进 WP=9 行数值计算。实际使用表明,文中建立的基于Mie 和Fraunholf 光散射测量模拟系统是可靠的。


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