專利名稱：粒徑測量裝置與粒徑測量方法
技術領域：
本發明涉及一種利用前向散射(forward scattering)法測量流路內的粒子的粒徑的裝置以及方法，特別是指一種利用激光束匯聚時產生的福射壓(radiation pressure)來測量粒子的粒徑的粒徑測量裝置與粒徑測量方法。
背景技術：
現有技術中，存在對排放的煙霧中含有的化合物粒子與自然環境中所產生的粒子的飛散狀況進行監測的技術。然而，這種對粒徑進行監測的技術實時性較差。并且，現有技術中還沒有出現能夠對微米級或納米級的的化學物質進行實時監測的技術。特別是，人們希望出現一種使用的裝置較小且成本低的測 量技術。另外，例如，在日本發明專利公開公報特開2000-146812號(專利文獻I)中公開有這樣一種粒徑測量裝置使激光對粒子分散的粒子群進行照射，此時，激光的照射會產生反射光/散射光，對該反射光/散射光進行檢測，根據所檢測出的反射光/散射光的強度信號來測量粒子群中的粒徑分布。采用這樣的現有的粒徑測量裝置，在將光強度檢測器設置在光源的光軸上時，沒有粒子群被分散而直接入射到光強度檢測器中的光的強度很強，因而不能正確地測量粒徑。因而，采用現有的粒徑測量裝置，僅能夠檢測出散射光在特定角度方向的成分。然而，由于現有的粒徑檢測裝置，僅能檢測出散射光在特定角度方向的成分，因而根據米氏散射理論(Mie scattering)計算粒徑時,原本僅與粒徑相關的散射強度分布變會受到檢測角度的影響，這是粒徑測量不正確的一個要因。圖5是根據米氏散射理論計算得到的散射強度分布，由圖5可知，散射強度分布隨著檢測角度的不同而變化。S卩，采用現有技術的粒徑測量裝置，難以準確測量出粒徑。現有技術文獻專利文獻專利文獻1:日本發明專利公開公報特開2000-146812號
發明內容
有鑒于此，本發明的目的在于，將檢測器設置在光源照射出的光的光軸上，由其檢測出粒子群中所含有的粒子形成的前向散射光，從而對粒子的粒徑進行測量。本發明的目的在于，盡量使光源發出的光被粒子散射，減少直接入射到檢測器中的光的光量，能夠準確地測量出粒子的粒徑。本發明的作出基本上是基于以下認識利用激光聚光光束產生的輻射壓使粒子群中含有的粒子被導向光束聚光位置，能夠大大地減少不被粒子散射而直接透過的透射光的量，前向散射光的強度為最大，對該前向散射光的強度即前向散射強度進行檢測，從而能夠準確地測量出粒子的粒徑。即，在本發明的粒徑檢測裝置與粒徑檢測方法中，利用入射光形成的光輻射壓使粒子強制性地向聚光位置移動，并檢測前向散射光。本發明的第I方面涉及粒徑檢測裝置，其具有光源10、流路20、粒徑引導機構30、檢測器40以及計算機構50。光源10的照射光照射至流路20。作為粒徑檢測對象的粒子群流動在流路20內。粒子引導機構30是用于將流路20內的粒子引導至光的聚光位置的機構。作為該粒子引導機構30可以采用透鏡，該透鏡設置在光源10與流路20之間，使光源10發出的照射光匯聚(聚光)在流路20內。即，透鏡利用光的輻射壓將流路20內的粒子引導至光的聚光位置。在光源10的照射光的光軸上配置著一個檢測器40。流路20內存在的粒子群中包含粒子對光產生散射而形成前向散射光,該檢測器40檢測出該前向散射光的強度。計算機構50根據檢測器40所檢測出的前向散射光的強度求得粒子的粒徑。本發明中，由于透鏡30使光向流路20內匯聚，因而能夠利用光輻射壓(即，斜向力、散射作用力)將流路內的粒子引導至光束聚光位置。如此，本發明中，由于能夠將粒子引導至光束的聚光位置，因而能夠大大減少光不被散射而直接入射的光量。因而，能夠將檢測前向散射光的強度的檢測器40配置在光源10照射出的照射光的光軸上。如此，本發明中，利用光的輻射壓將流量20內的粒子引導至形成最大散射強度的最佳位置(即，光束聚光位置)。因而不必像現有技術那樣，為了使粒子通過聚光位置，采用物理性的結構來限定流路，或者使流路內產生氣流，因而能夠簡化裝置的結構。另外，本發明中，由于能夠將檢測器40配置在光源10照射出的光的光軸上，因而能夠獲得現有技術所不具有的多種效果。例如，在流路20內不存在粒子時，從光源10照射出的光會全部入射到檢測器40中，因而可以預先設定檢測器40的動態范圍(dynamicrange)。另外，在流路20內有粒子流動，會產生光散射，此時，光在整個空間中被散射，直接入射到檢測器40中的光是前向散射光,可以根據前向散射強度相對于散射光的總量的下降程度來計算測量出粒子的粒徑。本發明第I方面涉及的粒徑測量裝置可以還具有聚光系統60，其配置在流路20與檢測器40之間，使流路20內的粒子群中包含的粒子造成的前向散射光匯聚在所述檢測器40中。本發明第I方面涉及的粒徑測量裝置可以還具有光徑變更機構，其配置在所述光源10與所述透鏡30之間，用于使所述光源10的照射光的光徑變大或變小。作為具體的結構例，在本發明第I方面涉及的粒徑測量裝置中，可以在光源10與透鏡30之間設置開口徑(大小)可變的開口板。其開口部的形狀為圓形。如此，通過改變開口徑的大小從而能夠改變來自于光源10的光的光徑。如此，能夠控制流路20內形成的聚光點的大小。因此，可以改變本粒徑測量裝置能夠測量的粒子的粒徑范圍。另外，本發明優選，計算機構50 —并計算出粒子的粒徑與粒子的質量。處于激光束內的不同位置處的粒子對光的散射是不同的，受到的光的作用力(散射作用力)也不同，造成光束內的粒子的速度也不同，考慮到這一情況，可以根據所求得的粒子的粒徑計算出粒子受到的散射作用力，并且計算出粒子的質量。另外，本發明優選，計算機構50可以一并計算出粒子的粒徑、粒子的質量以及粒子的密度。在假定粒子為球形時，根據粒子的粒徑求得粒子的體積，根據體積與質量求得粒子的密度。本發明的第2方面涉及粒徑測量方法，該方法包括如下工序由透鏡30使來自于光源10的照射光聚光，在粒子群所通過的流路20內形成聚光點，以將所述流路20內的粒子引導至光源發出的照射光的聚光位置；由配置在所述光源10的照射光的光軸上的檢測器40檢測出，由所述流路20內的粒子群中所含有的粒子對光進行散射而產生的前向散射光的強度；由計算機構50根據所述檢測器40所檢測出的前向散射光的強度計算出所述粒子群中含有的粒子的粒徑。本發明的第2方面涉及的粒徑計算方法中，在檢測出由所述流路(20)內的粒子群中含有的粒子所形成的反射光或者前向散射光的強度之前，還可以包括如下工序在所述流路20內不存在所述粒子群的情況下，由所述檢測器40檢測出來自于所述光源10的入射光透過流路20后的透射光的強度。并且，由所述計算機構50根據所述檢測器40檢測出的透射光的強度計算出所述前向散射光的強度與所述透射光的強度的強度比。在一般的散射測量方法(與裝置)中，測量光的透過強度與散射強度的強度之比，將理論值與實測值相比較而確定粒徑。例如，在介質為溶液時，依溶劑的種類不同，會存在光的吸收，此時，需要考慮光被吸收的問題。而在本發明中，預先檢測出不存在粒子的介質所透過的透射光的強度，根據所檢測出的透射光的強度求得其與入射光的強度之比。從而，無論是什么樣的介質都能夠檢測出入射光的強度。因而，僅使用一個光源與一個檢測器就能夠測量出該強度比。本發明的效果如上所述，采用本發明，能夠將檢測器配置在光源照射出的光的光軸上，檢測出粒子所造成的前向散射光，從而測量粒徑。
圖1為本發明的粒徑測量裝置的結構示意框圖；圖2表示的是粒徑測量方法的實驗系統的示意結構；圖3表示的是方法理論值與實驗值的比較圖表；圖4表示的是，激光聚光束使粒子移動的形態以及粒子對光形成散射的形態；圖5表示的是根據米氏散射理論進行計算的散射強度模型。
具體實施例方式下面參照附圖對本發明的具體實施方式
進行說明。然而，本發明并不限于下述實施方式，本領域的技術人員可以在顯而易見的范圍內進行變更。圖1是本發明的粒徑測量裝置的結構示意框圖。如圖1所示，光源10(激光器)射出的光(激光束)照射到粒子引導機構30(透鏡)。另外，透鏡30使光匯聚從而在流路20內形成光的焦點F。聚光系統60使通過了透鏡30的光照射至檢測器40。檢測器40檢測出粒子群中的粒子對光造成的散射而形成的前向散射光的強度。計算機構50根據所檢測出的前向散射光的強度計算出粒子的粒徑。檢測器40配置在光源10的照射光的光軸L上。另外，透鏡30、流路20以及聚光系統60也配置在光源10的照射光的光軸L上。光源10為激光光源。例如，可以使用市場上買到的半導體激光器。在光源10發出的光的前進方向上設有上述流路20。流路20為供作為測量對象的粒子群通過的透明容器。另外，透鏡30為設置在光源10與流路20之間的聚光透鏡。圖1中用一個透鏡來表示透鏡30，然而，也可以是由多個凸透鏡與凹透鏡組合而成的光學系統。透鏡30使光源10發出的光適當地收斂(匯聚)，從而在流路20內形成聚光點F。在聚光點F形成在流路20內時，流路20內的粒子在光的輻射壓的作用下被向光軸L上引導，從而向激光束匯聚位置移動。形成聚光點F的位置最好是流路20的中心，然而，只要是位于流路20內就能夠使粒子被向著激光束匯聚位置引導，因而使聚光點F形成在流路20內即可。處于激光束匯聚位置處的粒子以最大的散射強度對激光束的光進行散射。光束腰(beam waist,激光束最細的部分)的尺寸可以為,例如，I ii m 100 ii m, 5 ii m 80 u m，10 70 u m。另外，可以在光源10與透鏡30之間設置光徑變更機構，該光徑變更機構使從光源10照射光的光徑變大或變小。光徑變更機構可以是開口孔徑(尺寸)可變的開口板。開口板的開口部的形狀可以是圓形。光徑變更機構可以使用鋁、銅、黃銅這樣的金屬制作。光徑變更機構的開口孔徑可以為，例如，Imm 50mm, Imm 10mm, IOmm 30_。如此，通過改變開口孔徑從而能夠使從光源10照射光的光徑變大或變小。從而能夠控制形成在流路20內的聚光點的大小。因而，可以改變本粒徑測量裝置能夠測量的粒子的粒徑范圍。聚光系統60為設置在流路20與檢測器40之間的聚光透鏡。聚光系統可以是一個透鏡，也可以是由多個凸透鏡與凹透鏡組合而成的光學系統。聚光系統60使被流路20內的粒子散射的光適當地收斂(匯聚)，并照射至檢測器40。檢測器40配置在從光源10的照射光的光軸L上。在流路20中不存在粒子群時，從光源10發出的光直接入射到檢測器40中，在流路20中存在粒子群時，光被粒子散射后入射到檢測器40中。光檢測器40具體可以包含光電變換原件，光電變換原件將由聚光系統60匯聚的光變換為電信號，并傳送給計算機構。流路20內存在的粒子所散射出的光的前向散射強度對應于光的散射量，光電變換原件能夠檢測出該散射強度的變化。該前向散射強度隨粒子的粒徑的不同而產生變化，因而，能夠根據光電變換原件的輸出信號來測量粒子的粒徑。作為光電變換原件，可以使用一個光電二極管。計算機構50是計算機，其根據檢查器40檢測出的前向散射光的光強計算出流路20內的粒子群中所含有的粒子的粒徑。該計算機使用配置在光源10的光軸L上的檢測器40檢測出的前向散射光的光強信息，來計算出粒子的粒徑。具體而言，計算機構50可以根據常規洛倫茲-米(GLM)理論對光強的信息進行處理。GLM理論表示的是，使單色聚光激光束入射到均勻介質內的一個球體上時所發生的散射場。設在散射平面內散射光軸與入射光軸的夾角即散射角為0，按照GLM理論，根據下式可分別求得，垂直于散射平面的偏光方向的散射光強度函數e)以及平行于散射平面的偏光方向的散射光強度函數i2(e)。
權利要求
1.一種粒徑測量裝置，其特征在于， 包括 光源(10)，其射出光； 流路(20)，其供包含粒子的粒子群通過； 粒子引導機構(30)，其將所述流路(20)內的粒子引導至光的聚光位置； 檢測器(40)，其配置在所述光源(10)的照射光的光軸上，所述流路(20)內的粒子群中所包含的粒子對光進行散射而產生前向散射光，該檢測器(40)檢測出該前向散射光的強度； 計算機構(50)，其根據所述檢測器(40)檢測出的前向散射光的強度來計算出所述粒子群中包含的粒子的粒徑， 所述粒子引導機構(30)為透鏡(30)，該透鏡(30)配置在所述光源(10)與所述流路(20)之間，使所述光源(10)的照射光聚光，聚光點形成在所述流路(20)內。
2.根據權利要求1所述的粒徑測量裝置，其特征在于，還包括聚光系統(60)，其配置在所述流路(20)與所述檢測器(40)之間，使所述流路(20)內的粒子群中包含的粒子造成的前向散射光聚光后射向所述檢測器(40)。
3.根據權利要求1所述的粒徑測量裝置，其特征在于，由所述透鏡在所述流路(20)內形成的聚光點的大小為Ium以上IOOiim以下。
4.根據權利要求1所述的粒徑檢測裝置，其特征在于，還包括光徑變更機構，其配置在所述光源(10)與所述透鏡(30)之間，用于使所述光源(10)的照射光的光徑變大或變小。
5.根據權利要求1所述的粒徑測量裝置，其特征在于，所述計算機構(50)還根據所計算出的粒子的粒徑計算出所述粒子的質量。
6.根據權利要求5所述的粒徑測量裝置，其特征在于，所述計算機構(50)還根據所計算出的粒子的粒徑與質量計算出所述粒子的密度。
7.—種粒徑測量方法，其特征在于， 包括如下工序 由透鏡(30)使來自于光源(10)的照射光聚光，在粒子群所通過的流路(20)內形成聚光點，以將所述流路(20)內的粒子引導至光源發出的照射光的聚光位置； 由配置在所述光源(10)的照射光的光軸上的檢測器(40)檢測出，由所述流路(20)內的粒子群中所含有的粒子對光進行散射而產生的前向散射光的強度； 由計算機構(50)根據所述檢測器(40)所檢測出的前向散射光的強度計算出所述粒子群中含有的粒子的粒徑。
8.根據權利要求7所述的粒徑計算方法，其特征在于， 在檢測出由所述流路(20)內的粒子群中含有的粒子所形成的反射光或者前向散射光的強度之前，還包括如下工序 在所述流路(20)內不存在所述粒子群的情況下，由所述檢測器(40)檢測出來自于所述光源(10)的入射光透過流路(20)后的透射光的強度， 由所述計算機構(50)根據所述檢測器(40)檢測出的透射光的強度計算出所述前向散射光的強度與所述透射光的強度的強度比。
全文摘要
本發明的目的在于，將檢測器設置在光源照射出的光的光軸上，由其檢測出粒子群中所含有的粒子形成的前向散射光，從而對粒子的粒徑進行測量。本發明的目的在于，盡量使光源發出的光被粒子散射，減少直接入射到檢測器中的光的光量，能夠準確地測量出粒子的粒徑。本發明的基本方案為利用激光聚光光束所產生的輻射壓將粒子群中含有的粒子導向光束的聚光位置，盡量減少不被粒子散射而發生直接透射光，從而測量最大前向散射強度，能夠測量出粒子的粒徑。即，本發明的粒徑檢測裝置與粒徑檢測方法利用入射光形成的光輻射壓強制性地使粒子移動到聚光位置，并檢測出前向散射光。
文檔編號G01N15/02GK103069265SQ201180041418
公開日2013年4月24日 申請日期2011年8月26日 優先權日2010年8月27日
發明者巖井俊昭 申請人:艾斯特希斯株式會社