激光粒度仪的优化设计
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摘要
微粒粒径是材料学科中一项重要的参数指标,其直观的反应了工业产品的质量。因此,对微粒粒度进行分析是优化产品质量的一个有效的、可靠的途径。目前有很多粒度测量方法,其中激光散射法以其具有测量范围宽、适用材料广泛、精度高等优点得到广泛应用。激光粒度仪目前提高探测精度和范围的方法主要通过扩大光电探测器面积实现的。利用小面积新型探测器作为光靶器件,提高测量精度、范围成为优化激光粒度测量方案的目标。
针对这种情况,本文提出了基于图像传感器的激光粒度测量优化方案,并完成了相关理论推导、仿真模拟、程序设计、电路设计和实验验证工作。
首先,介绍颗粒粒度分布的概念,研究基于光散射理论的激光粒度测试系统工作原理。通过分析单个颗粒和颗粒群的米氏散射光强分布,结合粒度测量系统工作原理建立微粒的光散射数学模型,并使用Matlab进行仿真模拟。
其次,通过分析图像传感器的特性入手,结合激光粒度测试系统对光电探测器的要求,讨论当使用图像传感器作为光靶器件时对测试系统的影响,提出基于图像传感器的激光粒度测试系统优化方案。对激光粒度测试系统中光学系统中主要器件参数进行讨论,研究当使用图像传感器作为光靶器件时对光学系统的影响。使用C#语言编写激光粒度测试系统辅助设计软件,并完成调试。
第三,优化激光粒度控制系统。根据以嵌入式控制系统为核心,以PC机为操作平台的设计方案,完成芯片选型、硬件电路设计、PCB板绘制。完成基于嵌入式操作系统AvrX的下位机软件设计,并在Visual Studio 2005开发平台下使用C#设计编写上位机控制软件。
最后,本文完成了米氏散射模型仿真结果的分析,通过对激光粒度仪控制系统硬件电路、下位机软件和上位机软件的调试验证,完成了对粒度测试时测量过程的控制。
本课题提出的粒度测量方案实现了图像传感器在激光粒度测试中的应用,为进一步研究基于图像传感器的粒度测试技术提供了参考。设计的控制系统实现了激光粒度仪的计算机控制技术,提高了仪器的自动化程度。为下一步仪器的智能化、网络化和小型化打下基础。
The particle size is an important parameter index in materials science, which response to the quality of industrial products intuitively. Therefore, the particle size analysis is an effective and reliable way to optimize products quality. There are a lot of particle size measurement methods, in which laser light scattering method are proverbially used for it's advantages as far-ranging measurement, widely materials application, high precision and so on. The way to improve detection accuracy and scope of laser particle size analyzer is expand the area of the photodetector. Use small area of new detector device as light target to improve measurement accuracy and the scope is the goal to optimize the laser particle size measurement program.
In this situation, this article proposed the image sensor-based laser particle size optimize program, and completed the related theoretical analysis, simulation, program design, circuit design and experiment validation.
First of all, introduce the concept of particle size distribution, study the working principle of laser particle measure system that based on light scattering theory. Establish the mathematical model of light scattering through the analysis of single particle and particles distribution of Mie scattering light intensity distribution combined with the particle size measurement system theory, and using Matlab to make simulation.
Secondly, by analyzing the characteristics of the image sensor, combined with the requirement that laser particle test system remand photoelectric detectors, discuss the effect to the test system when use image sensor as light target. Proposed optimize program of laser particle size test system that based on image sensor. Discuss the main device parameters in the optical system of the laser particle test system, study of the influence to the optical system when using the image sensor device as a light target. Using C# language compile the aided design software of laser particle test system, and complete debugging.
Thirdly, optimize the laser particle size control system. According to the requirements of design which core is embedded system and operating platform is PC. complete the chip selection, hardware circuit design, PCB board drawing. Completed software design based on embedded operating system AvrX and writed PC control software using C# in Visual Studio 2005 development platform.
Finally, this paper completes the analysis of Mie scattering model simulation results. Accomplish the control of the test process in the particle size measurement through debug and verify the hardware circuit, the computer software, the PC software of laser particle analyzer control system.
The particle size measurement project this topic proposed achieved image sensor used in laser particle size test, and provided a reference for further study of particle test techniques that based on image sensor. The control system designs achieve a computer-controlled technique of laser particle size analyzer, improve the automation of instrument. Lay the foundation for the intelligent, networklization and miniaturization of instruments.
针对这种情况,本文提出了基于图像传感器的激光粒度测量优化方案,并完成了相关理论推导、仿真模拟、程序设计、电路设计和实验验证工作。
首先,介绍颗粒粒度分布的概念,研究基于光散射理论的激光粒度测试系统工作原理。通过分析单个颗粒和颗粒群的米氏散射光强分布,结合粒度测量系统工作原理建立微粒的光散射数学模型,并使用Matlab进行仿真模拟。
其次,通过分析图像传感器的特性入手,结合激光粒度测试系统对光电探测器的要求,讨论当使用图像传感器作为光靶器件时对测试系统的影响,提出基于图像传感器的激光粒度测试系统优化方案。对激光粒度测试系统中光学系统中主要器件参数进行讨论,研究当使用图像传感器作为光靶器件时对光学系统的影响。使用C#语言编写激光粒度测试系统辅助设计软件,并完成调试。
第三,优化激光粒度控制系统。根据以嵌入式控制系统为核心,以PC机为操作平台的设计方案,完成芯片选型、硬件电路设计、PCB板绘制。完成基于嵌入式操作系统AvrX的下位机软件设计,并在Visual Studio 2005开发平台下使用C#设计编写上位机控制软件。
最后,本文完成了米氏散射模型仿真结果的分析,通过对激光粒度仪控制系统硬件电路、下位机软件和上位机软件的调试验证,完成了对粒度测试时测量过程的控制。
本课题提出的粒度测量方案实现了图像传感器在激光粒度测试中的应用,为进一步研究基于图像传感器的粒度测试技术提供了参考。设计的控制系统实现了激光粒度仪的计算机控制技术,提高了仪器的自动化程度。为下一步仪器的智能化、网络化和小型化打下基础。
The particle size is an important parameter index in materials science, which response to the quality of industrial products intuitively. Therefore, the particle size analysis is an effective and reliable way to optimize products quality. There are a lot of particle size measurement methods, in which laser light scattering method are proverbially used for it's advantages as far-ranging measurement, widely materials application, high precision and so on. The way to improve detection accuracy and scope of laser particle size analyzer is expand the area of the photodetector. Use small area of new detector device as light target to improve measurement accuracy and the scope is the goal to optimize the laser particle size measurement program.
In this situation, this article proposed the image sensor-based laser particle size optimize program, and completed the related theoretical analysis, simulation, program design, circuit design and experiment validation.
First of all, introduce the concept of particle size distribution, study the working principle of laser particle measure system that based on light scattering theory. Establish the mathematical model of light scattering through the analysis of single particle and particles distribution of Mie scattering light intensity distribution combined with the particle size measurement system theory, and using Matlab to make simulation.
Secondly, by analyzing the characteristics of the image sensor, combined with the requirement that laser particle test system remand photoelectric detectors, discuss the effect to the test system when use image sensor as light target. Proposed optimize program of laser particle size test system that based on image sensor. Discuss the main device parameters in the optical system of the laser particle test system, study of the influence to the optical system when using the image sensor device as a light target. Using C# language compile the aided design software of laser particle test system, and complete debugging.
Thirdly, optimize the laser particle size control system. According to the requirements of design which core is embedded system and operating platform is PC. complete the chip selection, hardware circuit design, PCB board drawing. Completed software design based on embedded operating system AvrX and writed PC control software using C# in Visual Studio 2005 development platform.
Finally, this paper completes the analysis of Mie scattering model simulation results. Accomplish the control of the test process in the particle size measurement through debug and verify the hardware circuit, the computer software, the PC software of laser particle analyzer control system.
The particle size measurement project this topic proposed achieved image sensor used in laser particle size test, and provided a reference for further study of particle test techniques that based on image sensor. The control system designs achieve a computer-controlled technique of laser particle size analyzer, improve the automation of instrument. Lay the foundation for the intelligent, networklization and miniaturization of instruments.
引文
[1]何鸣鸿,金祖亮.从历年科学基金项目看我国纳米科技的发展[J].新材料产业,2001(05)：49-53.
[2]王毅民,王晓红,高玉淑.地质标准物质粒度测量与表征的现代方法[J].地质通报.2009(1)：137-145.
[3]郭学庆.可远程控制的全自动激光粒度仪的研制[D].济南：山东大学,2007.
[4]董青云.粒度测试的基本知识和基本方法[J].电子测试,,2007(1).
[5]陈超.黄建龙.测量新技术在粉体粒度分析中的应用[J].机械设计与制造,,2009.11(8)：132-136.
[6]张敏.光散射法测量超细颗粒粒度的研究[D].天津：天津大学,2005.
[7]董青云.颗粒特性对水泥性能的影响及分析方法[J].四川水泥,2001(1)：9-12.
[8]夏阳华,熊惟皓.丰平.粉末粒度测试方法述评[J].硬质合金,2003,20(1)：29-31.
[9]Malvern Instruments Ltd.Laser diffraction for particle size analysis-why use Mie theory[J].LabPlus international.2000,11:28.
[10]Hideto Yoshida,Yasushige Mori,Hiroaki Masuda,et al.Particle size measurement of standard reference particle candidates and theoretical estimation of uncertainty region[J].Advanced Powder Technology.2009:145-149.
[11]International Standard ISO13320-1.Particle Size Analysis Laser Diffraction Methods[S].1999,1.
[12]Heuer M,Leschonski K.Results Obtained with a New Instrument for the Measurement of Particle Size Distributions from Diffraction Patterns[J].Part Charact.1985,2:7-13.
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[14]Paul Kippax.Measurement of Particle Size in Dairy Emulsion Using Laser Diffraction[R].Malvern Instruments,2007,5:31-33.
[15]郭兵.开放骨架锗酸盐、纳米结构氧化钴和氧化锰材料的合成与性能[D].南京：南开大学,2011.
[16]刘娟.高能激光水下传输衰减机制的实验研究[D].南昌：南昌航空大学,2007.
[17]张艳春.激光粒度测试算法研究[D].西安：西安工业大学,2010.
[18]Rod M. Jones.Particle Size Analysis by Laser Diffraction:ISO 13320 Standard Operating Procedures and Mie theory[J].American Laboratory,2003.
[19]Paul Kippax.A new development for particle size analysis in pharmaceutical sprays and aerosols[J].Pharma.2006.
[20]Christian Matzler. MATLAB Functions for Mie Scattering and Absorption[R].University of Bern.2002-06.
[21]Christian Matzler.MATLAB Functions for Mie Scattering and Absorption Version 2[R].University of Bern,2002-08.
[22]张强.Mie散射及水中气泡光学性质的研究[D].西安：西安工业大学.2010.
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[24]袁国良.探针接收光强的龙贝格积分法[J].长春邮电学院学报,1998,16(2)：52-56.
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[40]陈天洲.“嵌入式系统概论”课程设计[J].计算机教育.2006(3)：4-6.
[41]续蕾.基于嵌入式系统平台下EOS的应用与分析[J].电脑学习.2008,10(5)：63-64.
[42]邓漫龄.ARM嵌入式Linuz系统的研究与实现[D].北京：北京邮电大学.2009.
[43]王俊,刘缠牢,赵丁.基于嵌入式系统的激光粒度仪电路设计[C].西部光子学会会议集摘要西安：陕西省光学学会,2010.
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[45]徐天娇.变压器气体在线监测仪的研究与设计[D].大连：大连交通大学,2009.
[46]李聪.激光衍射光栅测试仪的设计与实现[D].武汉：华中科技大学,2008.
[47]陈晨,王述洋.生物质成型燃料半气化炉温度巡检系统的设计与应用[J].林业机械与木工设备,2009,37(5)：35-37.
[48]张永良.基于CAN总线通信的车载信息系统的设计[D].武汉：武汉理工大学.2006.
[49]李果.基于ATmega128单片机的空气净化器控制系统设计与研究[D].合肥：合肥工业大学,2010.
[50]国江.基于DSP的自备电源同步发电机励磁控制系统的研究[D].武汉：华中科技大学.2009.
[51]潘良.基于ARM的智能公交车载终端的设计与开发[D].长沙：湖南大学,2009.
[52]郝才勇.基于GPRS的智能公交无线传输终端设计与实现[D].长沙：湖南大学,2010.
[53]袁学勇.智能型移动式钢轨气压焊接设备的研制[D].大连：大连交通大学,2008.
[54]徐丽萍,李党婴.基于LM2576的Buck型直流变换器设计[J].电气应用,2010,,29(4)：42-45.
[55]马兴峰.基于蒙特卡罗方法的Boost变换器电容的设计[D].西安：西安科技大学,2008.
[56]张军涛.数字电流滞环控制的Boost DC-DC变换器[D].西安：西安科技大学.2011.
[57]史迩冬,李清栋,周雪莉.基于USB接口的51单片机与PC机通信的方法[J].大众科技,,2008(11)：55-57.
[58]杨凤彪,王超,张晨光.基于CH341A的USB串口通讯设计[J].电子设计工
程,2011,19(3)：11-14.[59]王毅.复合开关在无功补偿中的应用[D].济南：山东大学,2011.
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[62]赵鹏.半导体激光器智能化电源设计[D].长春：长春理工大学.2010.
[63]徐玉华.基于ATmega128的数字射频切换器控制系统的设计[D].合肥：安徽大学.2010.
[64]张黎夫.李宏亮,苏毅婧.基于AvrX操作系统的机器人控制系统设计[J].机器人技术与应用,,2009(5)：74-77.
[65]宋肖楠.无线同频同播系统设计[D].天津：天津大学,2005.
[66]杨莹.基于MOEMS光开关的光纤实时延系统研究[D].上海：上海交通大学,2009.
[2]王毅民,王晓红,高玉淑.地质标准物质粒度测量与表征的现代方法[J].地质通报.2009(1)：137-145.
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[54]徐丽萍,李党婴.基于LM2576的Buck型直流变换器设计[J].电气应用,2010,,29(4)：42-45.
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[65]宋肖楠.无线同频同播系统设计[D].天津：天津大学,2005.
[66]杨莹.基于MOEMS光开关的光纤实时延系统研究[D].上海：上海交通大学,2009.