用于颗粒大小和浓度测量的检测方案制造技术

本发明专利技术提供颗粒大小和浓度测量的系统和方法，该方法包括以下步骤：提供聚焦合成结构化激光束，使该光束与颗粒相互作用，测量相互作用信号和光束与颗粒单位时间的相互作用数，以及利用算法来将相互作用信号映射到颗粒大小并将单位时间的相互作用数映射到浓度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】本专利技术提供颗粒大小和浓度测量的系统和方法，该方法包括以下步骤：提供聚焦合成结构化激光束，使该光束与颗粒相互作用，测量相互作用信号和光束与颗粒单位时间的相互作用数，以及利用算法来将相互作用信号映射到颗粒大小并将单位时间的相互作用数映射到浓度。【专利说明】用于颗粒大小和浓度测量的检测方案
本专利技术涉及测量颗粒大小和浓度的领域。更具体地说，涉及使用光学方法来测量颗粒大小和浓度。
技术介绍
存在 用于颗粒大小和浓度分析(PSA)的许多技术，它们可以在Terry Alan写的书籍“Introduction to Particle Size Analysis，，T.Allen, Particle size analysis Johnffiley&Sons ；ISBN:0471262218 June, 1983中回顾。最常用的技术是光学的，其基于测量到的颗粒与激光辐射的相互作用。特别地，当接近大约I微米和以下的颗粒大小范围时，因为颗粒的折射率的实部和虚部的影响，这些技术中的大多数遭受不准确性。例如，已知的是，在某些技术中，如基于夫琅和费谱线衍射分析的技术，吸收光的颗粒因吸收而产生的能量损失将导致尺寸过大，而在高浓度中，颗粒将因二次散射等而将导致尺寸过小。对这些问题较不敏感的光学技术被已知为渡越时间(Time of Transition)或TOT。在该技术中，在时域而非幅度域来分析扫描的聚焦激光束和颗粒的相互作用，从而导致对折射率变化的低灵敏性。该技术的详细描述发表于论文“Improvements inAccuracy and Speed Using the Time-of-Transition Method and Dynamic ImageAnalysis For Particle Sizing by Bruce Weiner, Walter Tscharnuter, and NirKarasikov，，，。很多大程度上,在该技术中，来自相互作用信号的已知激光束轮廓的去卷积算法导出该大小。由聚焦激光束的已知体积内的每单位时间相互作用数导出浓度。在TOT技术中，颗粒与聚焦扫描激光束相互作用。为了测量较小的颗粒，使用较小的聚焦点。然而，根据针对高斯激光束的衍射定律，如果光束的腰为D，则该光束的发散性与λ/D成比例，其中，λ是激光的波长。用于分辨小颗粒至焦点体积的能力与测量浓度时的准确性之间的折中是显见的。因而，如果TOT技术的目标是，解析并测量微米和亚微米范围的颗粒，则因为瞬时焦点体积小并且颗粒的相互作用率低，在测量低浓度的能力方面受限。在另一方面，采用更大的斑点将提高浓度测量率，但将使大小分析的质量和分辨率劣化。可以利用较短波长可以实现改进。因为太短的波长将导致激光被光学装置吸收，所以这仅可以具有最多成为2倍的有限效果，而且在颗粒处于液体中的情况下，激光还被液体吸收。本专利技术人以前的专利技术(US7746469)引入了用于在两个矛盾需求之间解耦的新技术和装置:分辨小颗粒的能力，和使用基于利用结构化激光束的单颗粒相互作用的测量结果来测量低浓度的能力。因此，本专利技术的一目的是，提供这样的新检测方案，即，其由于相互作用信号对于颗粒直径的较低依赖性而提供较高灵敏度。本专利技术的另一目的是，提供这样的新检测方案，S卩，由于固有的光噪声滤波而提供测量更高颗粒浓度的能力。本专利技术的另一目的是，提供这样的新检测方案，S卩，提供根据颗粒沿正向散射和后向散射这两者中的相互作用信号来表征颗粒的能力。本专利技术进一步的目的和优点将随着本描述的进行而呈现。
技术实现思路
本专利技术提供了一种颗粒尺寸和浓度测量的系统和方法，其包括以下步骤:提供聚焦合成结构化激光束，使该光束与颗粒相互作用，测量相互作用信号和光束与颗粒的单位时间的相互作用数，以及利用算法来将相互作用信号映射到颗粒大小并将单位时间的相互作用数映射到浓度。该颗粒可以在流体承载、气体承载，或者表面上，并且具有范围从亚微米至几千微米的大小。在本专利技术优选实施方式中，聚焦合成结构化激光束是暗光束。可以通过在高斯激光束上采用掩模、通过直接修改激光腔、通过组合来自数个激光器的光束，或者通过对激光束的其它操纵(如在干涉测量或偏振修改方案中)来生成该结构化光束。该测量可以利用与扫描光束(包括暗场)的相互作用的持续时间来进行。本专利技术还提供了一种用于颗粒大小和浓度测量的系统。具有不利用任何运动部件来扫描光束的优点的另选方案是使颗粒经过聚焦激光束的焦点区域。本专利技术的其它方面涉及改进检测方案，该方案能够根据正向和后向散射来进行更好颗粒表征，检测颗粒荧光以及测量颗粒速度。本专利技术引入了新检测方案，该方案提供:因相互作用信号对颗粒直径的较低依赖性(更加低于如亚波长颗粒的常规散射的r~4至r~6)得到的较高灵敏度；由于固有光噪声过滤而得到的测量较高颗粒浓度的能力；通过颗粒沿正向散射和后向散射这两者的相互作用信号来表征颗粒的能力，例如，区分在液体中流动的气泡与颗粒；测量来自颗粒的荧光的能力；以及测量颗粒的速度的能力。后者使得实现无扫描器系统，其中，颗粒按已知速度流动或者各颗粒的速度被固有地测量。本专利技术为一种颗粒监测系统，该系统包括:生成高斯光束的激光器；用于将所述高斯激光束转换成结构化暗光束的装置；聚焦透镜，该聚焦透镜将暗光束聚焦到运动通过照明暗光束的颗粒上；以及两个检测器。两个检测器中的一个检测器相对于暗光束的各强度波瓣定位。本专利技术的颗粒监测系统被设置成使得颗粒在相对于暗光束的方向的90度角的方向运动通过照明暗光束。按下列方式中的至少一个方式记录来自所述两个检测器的信号:a)作为单独信号；b)作为所述两个检测器信号的差分信号；以及c)作为两个检测器信号的和。本专利技术的颗粒监测系统的实施方式包括分束器和在暗光束的暗线的垂直方向上定向的第二组检测器。本专利技术的颗粒监测系统的实施方式包括分束器和第三检测器，该第三检测器被设置成允许同时测量来自所述颗粒的后向散射辐射。参照附图，通过下面对本专利技术实施方式的例示性且非限制性描述，本专利技术的所有上述和其它特征以及优点将进一步变清楚。在图中，有时使用相同数字来指示不同图中的相同部件。【专利附图】【附图说明】图1示意性地示出了颗粒监测系统的实施方式；图2示出了图1的系统的检测器相对于照明暗光束模式的定位；图3(a)和图3(b)示出了由图1的系统中的两个检测器测量的典型信号；图4是示出由图1的系统的两个检测器针对水中的气泡和胶乳颗粒检测的信号的一半的散射模拟；图5示出了随着不同大小的颗粒从中心向外移动，针对来自图1的两个检测器的信号之间的差异的模拟(simulated)信号；图6示意性地示出了图1的检测器系统的实施方式，其已经被修改成还允许测量来自颗粒的向后散射辐射；图7示出了本专利技术可以怎样用于通过聚类来分类的示例；图8示出了利用无监督学习方法来进行多维聚类的示例；图9示意性地示出了暗光束的轮廓；图1OA示出了存在噪声时针对三个照明光束结构的两个检测器信号的差分信号和抑制常见噪声时暗光束的优点；图出了针对和图1OA中相同的三个照明光束结构的两个检测器信号的求和信号;图11是示出与斑点大小的一半相对应的、相互作用信号中的两个肩部的画面截图；以及图12示出了在本专利技术的系统的实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种颗粒监测系统，该颗粒监测系统包括：生成高斯光束的激光器；用于将所述高斯激光束转换成结构化暗光束的装置；聚焦透镜，该聚焦透镜将所述暗光束聚焦到运动通过所述照明暗光束的颗粒上；以及两个检测器，其中，所述两个检测器中的一个检测器相对于所述暗光束的各强度波瓣定位。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·沙米尔，
申请(专利权)人：PML离子监测装置有限公司，
类型：发明
国别省市：以色列;IL