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線陣感光探測 激光器量值星象降本增效的希冀

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放大字體  縮小字體    發(fā)布日期:2021-06-16  來源:儀器網(wǎng)  作者:Mr liao  瀏覽次數(shù):54
核心提示:CCD興起于20世紀70年代,是由一組規(guī)則排列的金屬-氧化物-半導體( MOS)電容器陣列和輸入、輸出電路組成。它能夠利用時鐘脈沖電壓來產(chǎn)生和控制半導體勢阱的變化,完成對光的探測。不同于普通固態(tài)電子器件,CCD器件中信息的存在和表達方式為電

CCD興起于20世紀70年代,是由一組規(guī)則排列的金屬-氧化物-半導體( MOS)電容器陣列和輸入、輸出電路組成。它能夠利用時鐘脈沖電壓來產(chǎn)生和控制半導體勢阱的變化,完成對光的探測。不同于普通固態(tài)電子器件,CCD器件中信息的存在和表達方式為電荷,而不是電流或電壓,因此對信息的表達具有更高的靈敏度。按照感光單元的排列方式來劃分,CCD器件可以分為線陣CCD和面陣CCD。

傳統(tǒng)激光粒度儀采用環(huán)形光電二極管陣列作為探測器,但一般探測器只有 32 環(huán),較低的空間分辨率限制了其在顆粒測量中的應用。并且由于應用量少,導致其成本非常高。近些年來,以面陣 CCD 為探測器的激光粒度儀得到了一定的發(fā)展,但在室溫條件下,面陣 CCD 容易受到暗電流的影響,動態(tài)范圍一般只有 20~30dB,且面陣CCD 存在價格高,尺寸小,采集電路設計復雜等缺陷。相比于面陣 CCD 探測器,線陣 CCD 具有分辨率高,動態(tài)響應范圍寬等特點,并且可以對像素點進行直接操作,具有更大的靈活性,因此能夠滿足不同環(huán)境條件下的顆粒粒度測量要求。目前,在不同工業(yè)領域,線陣 CCD 已經(jīng)得到廣泛應用,如高性能文件打印、光譜掃描、光學字符識別等。由于應用范圍廣,使得線陣 CCD 成本較低。所以采用線陣 CCD 探測器替代傳統(tǒng)探測器可以有效降低激光粒度儀的制造成本。

目前,激光粒度儀的光學結構主要有前置式傅里葉透鏡光學結構和后置式傅里葉透鏡光學結構兩種,目前,依然采用前置式傅里葉透鏡光學結構的激光粒度儀制造商有丹東百特、遼寧儀表研究所、成都精新以及國外的 Shimadzu、Sympatec 等公司。并且由于干法測量要求的特殊性,一般干法激光粒度儀也采用前置式傅里葉透鏡光學結構。因此,本文主要對前置式傅里葉透鏡光學結構進行探討。線陣 CCD 具有 7450 個像素點,單位像素點的尺寸為 4.7×4.7μm,采用精度為8bit,采樣數(shù)據(jù)率為 30MHz?;诰€陣 CCD 的前置式傅里葉光學結構的激光粒度儀系統(tǒng)結構如下圖所示。

(基于線陣 CCD 的前置式激光粒度儀系統(tǒng)結構示意圖)

隨著工業(yè)生產(chǎn)實踐的不斷進步,針對小粒徑顆粒、不規(guī)則形狀顆粒和特殊材料顆粒的研究越來越深入?;诰€陣 CCD 探測器的激光粒度儀測量性能需要從顆粒的散射光學模型、儀器的光學結構和采集數(shù)據(jù)的反演算法三個方面來進一步提高。

不管是 Mie 氏光散射理論還是夫瑯禾費衍射理論,其前提條件都是假設被測樣品為球形顆粒。而在實際社會生產(chǎn)過程中,顆粒的形狀往往是不規(guī)則的,采用傳統(tǒng)光散射理論描述顆粒的散射光強分布是不合適宜的,容易造成反演粒度分布偏離真實粒度分布。因此,建立更普適性的顆粒散射光學模型是提高激光粒度測量準確性的關鍵。使用近似非負約束 Chin-Shifrin 算法是一種獲得準確性更高的顆粒粒度分布的方法。

為了提高顆粒測量粒度范圍,擴大線陣 CCD 的可測量散射角,建議采用漸變?yōu)V光片系統(tǒng)對中心艾里斑光強進行濾光處理,獲取顆粒小角度散射光強信息,同時為了擴大有效測量散射角,設計組合線陣 CCD 探測器,對大角度散射光進行有效采集。另外,為了滿足不同社會生產(chǎn)需求,例如在線顆粒測量、超細顆粒粒度測量等。引入更高效的數(shù)據(jù)反演算法也迫在眉睫。

 
關鍵詞: CCD 粒度 顆粒 線陣 激光
 
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