本实用新型专利技术的基于Virtex-5系列FPGA的纳米粒度测量系统，包括依次设置的光源、入射光路、散射光路、光电探测器、数字相关器及信号处理系统；光源采用波长为532nm的绿色激光器；入射光路由偏振片和入射透镜组成；散射光路由两个微孔和一个滤光片组成；光电探测器主要由端窗式光电倍增管实现；数字相关器由Virtex-5系列的FPGA数字相关器实现，对光子脉冲进行高速采集，并完成光强自相关函数的运算；信号处理系统主要是计算机。本实用新型专利技术的有益效果是，实时性高、精度高、重复性好、速度快，成本低。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）
【技术实现步骤摘要】
本技术涉及一种基于Virtex-5系列FPGA的纳米粒度测量系统,可实现纳米颗粒粒径快速、准确地测量。
技术介绍
利用纳米科技对传统工业，特别是对重工业进行改造，给传统产业带来了新的机遇，存在很大的拓展空间。材料的粒度和结构决定材料的性能，纳米材料的几何尺寸和形状表征对研究纳米材料具有重大的意义。颗粒大小即粒度的确定，在科学研究和实际生产中有着普遍性的重要意义。因此，把颗粒粒度及粒度分布的测试作为保证产品质量和开发新产品的重要手段早己成为人们的共识。尽管已有多种方法可以对颗粒的粒度及形状进行测定，但现在的测试技术还不能满足纳米材料快速发展的需要，所以对纳米材料测试方法的研究是非常迫切和重要的。由于纳米材料和纳米技术的特殊性，纳米材料的检测需要专业的动辄几十万美元的仪器设备，足以让一般的鉴定机构望而却步。因此发展快速、经济的纳米材料检测技术是当前纳米材料研究和纳米产业发展的必然要求。为了进行颗粒粒径的测量，人们发展了多种粒径测量技术，有筛分法、光学显微镜记数法、沉降法、电感应法、激光衍射散射法、电泳法、计算机图像成像法，这些方法的测量下限有了很大程度的降低，但是，它们都已接近或达到了这些仪器工作的极限，远非其最佳或合理的测量范围，难以保证可靠的测量精度。每种技术都有自己的最佳适应情况，总体来说，对于颗粒粒径的测量，当粒径大于 时，目前 的多数测量技术能得出较准确的结果，而当把粒径测量推广到nm级时，目前测量结果并不令人满意。在众多纳米颗粒测量方法中，光散射法由于具有适用性广，粒径测量范围宽广，测量准确，精度高、速度快、重复性好，需要知道的被测颗粒及分散介质的物理参数量少，仪器的自动化和智能化程度高以及适宜于在线测量等优点而得到迅速发展和较为广泛的应用。本技术即采用其中的动态光散射法对纳米颗粒粒度进行测量，得到精确的颗粒粒径大小。为了实现快速准确测量纳米颗粒的粒径，需要数字相关器对来自光探测器的信号进行实时处理，因此光子相关测量技术对数字相关器的运算精度及动态范围有非常高的要求，同时对粒径的反演算法也有很高的要求，数字相关器给出的相关函数实时运算结果中出现任何微小误差或者反演运算不稳定，都极易导致数据反演结果的严重错误，而现在很多商家都是利用单片机等芯片进行软件相关器的研制，而单片机等芯片是串行运行的，这必然导致相关运算的准确性与实时性变差，这是制约利用单片机等芯片进行软相关的主要因素。此外，现在反演算法大多是采用传统累积量算法，但传统累积量算法对数运算将相关函数在零点附近的微小噪声放大，当相关时间变化时，其计算结果变化明显，特别是取较大的相关时间时，计算结果偏离真实值，准确度大大降低。
技术实现思路
本技术为了弥补现有技术的不足，提供了一种快速、准确、低成本的基于Virtex-5系列FPGA的纳米粒度测量系统。本技术是通过如下技术方案实现的:本技术的基于Virtex-5系列FPGA的纳米粒度测量系统，其特征在于:包括依次设置的光源、入射光路、散射光路、光电探测器、数字相关器及信号处理系统；光源采用波长为532nm的绿色激光器；入射光路由偏振片和入射透镜组成，入射透镜用于得到尽可能小的散射体积；散射光路由两个微孔和一个滤光片组成，滤光片用于滤除杂散光以提高信噪比；光电探测器主要由端窗式光电倍增管实现，将微弱的光信号转化为电信号，经过放大、甄别和整形之后，成为TTL电平形式的脉冲串；数字相关器由Virtex-5系列的FPGA数字相关器实现，对光子脉冲进行高速采集，并完成光强自相关函数的运算；信号处理系统主要是计算机，配合Visual C++软件组成；光电探测器、数字相关器、计算机依次连接。激光器发出的激光经偏振片、入射透镜聚焦后照射到盛有样品溶液的样品池内，颗粒散射的散射光经过微孔和滤光 片进入光电探测器，光电探测器输出的光电流信号经放大、甄别及整形后成为TTL电平形式的脉冲串，送入数字相关器中进行采集，并在数字相关器中算出其光强自相关函数，然后通过串口把相关函数值送入计算机，进而计算出溶液中纳米颗粒粒径的大小。本技术与国内现有的纳米粒度测量技术相比具有实时性高、精度高、重复性好等优点，具体如下:(I)本技术的粒径测量方法采用动态光散射法，动态光散射法具有适用性广，粒径测量范围宽广，测量准确，精度高、速度快、重复性好，需要知道的被测颗粒及分散介质的物理参数量少，因此可以保证粒径测量的实时性、重复性与准确性。(2)本技术中的入射光路由偏振片和聚焦透镜组成，散射光路由滤光片和两个微孔组成，入射透镜的作用是得到尽可能小的散射体积，滤光片用于滤除杂散光以提高信噪比。(3)本技术中的光电探测器采用端窗式光电倍增管附加一些外围电路实现，端窗式光电倍增管具有快速响应、抗干扰能力强、低噪声、高探测效率等特点，可以将光信号转化为可以检测到的电信号，外围电路可以将此电信号进一步转化为稳定的TTL电平形式的脉冲串，为保证脉冲采集及相关运算的准确性打下了基础。(4)本技术采用Virtex-5系列FPGA实现高速数字相关器。由于FPGA的运行方式是并行的，并且Virtex-5系列FPGA采用第二代ASMBL (高级硅片组合模块)列式架构，比此前的FPGA系列提供的选择范围大，与Virtex-4器件相比，平均提升一到两个速度级别，这可以保证相关运算能够实时的进行，满足了纳米粒度测量对于级采样时间的需求，同时保证了相关运算的精确度，这是单片机等串行运行的芯片所不具备的。(5)该测量系统中计算机主要是配合Visual C++软件完成粒径反演算法的实现，并且通过界面显示相关曲线的图像及粒径的大小，粒径反演算法采用Levenberg-Marquardt算法，可实现纳米颗粒粒径快速准确的测量。Levenberg-Marquardt算法是解决已知非线性关系式参量估计问题的有效方法，它在Gauss-Newton法基础上引入阻尼因子，吸收了 Gauss-Newton法一举寻优的优点，又在初始值的选取范围上有所放宽，具有全局收敛性，可实现纳米颗粒粒径快速准确的测量。附图说明图1为纳米粒度测量系统结构图；图2为纳米粒度测量系统流程图；图3为粒径求解流程图；图4为高速数字相关器的内部原理图；图5为高速数字相关器的顶层原理图；图6为相关运算模块的原理图；图7为反演算法流程图。具体实施方式附图1为本技术的一种具体实施。本技术的基于Virtex-5系列FPGA的纳米粒度测量系统，包括依次设置的光源、入射光路、散射光路、光电探测器、数字相关器及信号处理系统；光源采用波长为532nm的绿色激光器；入射光路由偏振片和入射透镜组成，入射透镜用于得到尽可能小的散射体积；散射光路由两个微孔和一个滤光片组成，滤光片用于滤除杂散光以提高信噪比；光电探测器主要由端窗式光电倍增管实现，将微弱的光信号转化为电信号，经过放大、甄别和整形之后，成为TTL电平形式的脉冲串；数·字相关器由Virtex-5系列的FPGA (现场可编程门阵列)数字相关器实现，对光子脉冲进行高速采集，并完成光强自相关函数的运算；信号处理系统主要是计算机，配合Visual C++软件组成；光电探测器、数字相关器、计算机依次连接。高速数字相关器主要有复位控本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于Virtex?5系列FPGA的纳米粒度测量系统，其特征在于：包括依次设置的光源、入射光路、散射光路、光电探测器、数字相关器及信号处理系统；光源采用波长为532nm的绿色激光器；入射光路由偏振片和入射透镜组成，入射透镜用于得到尽可能小的散射体积；散射光路由两个微孔和一个滤光片组成，滤光片用于滤除杂散光以提高信噪比；光电探测器主要由端窗式光电倍增管实现，将微弱的光信号转化为电信号，经过放大、甄别和整形之后，成为TTL电平形式的脉冲串；数字相关器由Virtex?5系列的FPGA数字相关器实现，对光子脉冲进行高速采集，并完成光强自相关函数的运算；?信号处理系统主要是计算机；光电探测器、数字相关器、计算机依次连接。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李庆华，王立鹏，汪宁，刘雪真，
申请(专利权)人：山东轻工业学院，
类型：实用新型
国别省市：
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