微粒粒度分布FD测量法的改进

引　　　言

随着国民经济和科学技术的迅速发展,与微粒特性密切相关的技术问题在工业、农业、医学、环境、国防、科研等领域越来越受到重视。例如,半导体材料内部杂质的控制;各种燃料雾化装置所喷射的液滴大小及其分布的测试;病原细胞大小及其分布的检测;冶金工业粉体出口处粒度和浓度的在线检测;环保业中除尘效率的评定;材料表面光学平整度的计量等等,无不要求对微粒的尺寸和尺寸分布参数进行准确地测量和研究。测量方法按照物理原理的不同有光学法、电学法、动力学法等,其中,光学测量方法具有测量范围广、精度高、不接触样品、快速、可自动化实时等优点,因此,已被确认为是一种先进的、最具有广泛发展前景的测量方法。而基于衍射的环靶法是目前被商用仪器采用较广的一种光学测量方法。

自1976年Swithenbank等人发展了基于Fraunhofer衍射以环形光电管阵列为接受器件的粒度分布测量方法以来,得到了国内外专家极大的关注和发展[1]。尽管该法具有光学装置结构简单、算法不太复杂、速度快、测量范围广等优点,但存在着一定的缺陷,主要体现在以下几点:

(1)采用了环靶(SSPD)为接收器的方法,一般为16环,最多的为32环,其数据采集量少,从而使数据恢复的可靠性和测量精度均受到了影响。而采用CCD为接收器的方法中由于光电响应的饱和、衍射极值定位精度和算法的影响,造成了信息量的丢失,也影响了测量精度。(2)由于反演矩阵为病态,只能用迭代反演的方法,迭代方法中大部分采用模式算法,即先假定被测粒子分布符合某种分布模型如R-R模型、Log-normal模型和γ分布模型等,通过求目标函数方法得到微粒粒度分布。但是,当假设的分布模型与实际模型不符或者当粒度分布为双峰或多峰分布时,误差很大。无模式算法[2]虽然可减少模式算法中的一些问题,但运算速度慢、对噪声非常敏感。(3)由于衍射中心光强对探测器响应的溢出,不能对中心准确测定,只能估定。针对上述问题,我们对衍射中心位置和衍射分布半径测定的精度进行了讨论,并对位置传感器PSD的定位特性和CCD的光能响应特性进行了研究(尤其对PSD的响应精度和光斑定位的实质),提出了PSD衍射中心定位法和CCD的RGB均衡法,以PSD和CCD器件取代SSPD并对测量光路进行了改进,有效地解决了测量中衍射极值中心确定、峰值饱和、散射连续响应、散射角θ的分辨率等问题,同时在Shifrin积分变换的基础上实现了微粒分布的反演,获得了微粒粒度n(D)连续函数,从而有效地改善了测量效果。

1　衍射中心测定精度对r,θ准确测定的影响及其改进

1.1　衍射中心的确定对反演精度的影响