太阳城集团

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测量颗粒粒径分布的方法及装置.pdf

摘要
申请专利号:

CN201410126595.5

申请日:

2014.03.31

公开号:

太阳城集团CN103983546A

公开日:

2014.08.13

当前法律状态:

撤回

有效性:

无权

法律详情: 发明专利申请公布后的视为撤回IPC(主分类):G01N 15/02申请公布日:20140813|||实质审查的生效IPC(主分类):G01N 15/02申请日:20140331|||公开
IPC分类号: G01N15/02 主分类号: G01N15/02
申请人: 中国科学院高能物理研究所
发明人: 杨福桂; 王秋实; 李明; 盛伟繁
地址: 100049 北京市石景山区玉泉路19号(乙院)
优先权:
专利代理机构: 北京志霖恒远知识产权代理事务所(普通合伙) 11435 代理人: 孟阿妮
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法律状态
申请(专利)号:

太阳城集团CN201410126595.5

授权太阳城集团号:

||||||

法律状态太阳城集团日:

2016.10.12|||2014.09.10|||2014.08.13

法律状态类型:

发明专利申请公布后的视为撤回|||实质审查的生效|||公开

摘要

本发明提供了一种测量颗粒粒径分布的方法及装置,其中,测量颗粒粒径分布的方法包括:通过阵列探测器测量颗粒群散射光强的角分布,其中,所述角分布中的离散角度对应所述阵列探测器的各个离散探测像素;选定粒径区间及采样粒径,根据所述粒径区间和所述采样粒径计算所述采样粒径的粒径参数,并基于Mie散射计算系数矩阵;将所述系数矩阵与所述角分布作为最大似然函数迭代反演方法的参数,计算所述颗粒群的最终粒径分布。本发明能够对低信噪比测量数据实现准确的粒径分布反演计算。

权利要求书

权利要求书
1.  一种测量颗粒粒径分布的方法,其特征在于,包括:
通过阵列探测器测量颗粒群散射光强的角分布,其中,所述角分布中的离散角度对应所述阵列探测器的各个离散探测像素;
选定粒径区间及采样粒径,根据所述粒径区间和所述采样粒径计算所述采样粒径的粒径参数,并基于Mie散射计算系数矩阵;
将所述系数矩阵与所述角分布作为最大似然函数迭代反演方法的参数,计算所述颗粒群的最终粒径分布。

2.  根据权利要求1所述的测量颗粒粒径分布的方法,其特征在于,所述将所述系数矩阵与所述角分布作为最大似然函数迭代反演方法的参数,计算所述颗粒群的最终粒径分布的步骤包括:
将所述系数矩阵与所述角分布作为最大似然函数迭代反演方法的参数,计算两个相邻迭代过程的第一粒径分布与第二粒径分布;
计算所述第二粒径分布于所述第一粒径分布之间的误差值;
若确定所述误差值小于设定值,停止反演迭代计算,并将所述第二粒径分布作为所述颗粒群的所述最终粒径分布。

3.  根据权利要求2所述的测量颗粒粒径分布的方法,其特征在于,所述将所述系数矩阵与所述角分布作为最大似然函数迭代反演方法的参数,计算两个相邻迭代过程的第一粒径分布与第二粒径分布的步骤具体通过如下公式计算得到:
fi(n+1)=fi(n)Σj=1N(hij)kΣp=1N(hij)kImeans,jΣl=1Mflnhlj]]>
其中,为所述第一粒径分布,表示第n次迭代所产生的对应粒径参数xi的比重;为所述第二粒径分布,表示第n+1次迭代所产生的对应粒径参数xi的比重;Imeans(θj)为所述角分布,所述离散角度θj对应各个离散探测像素,j=1、2、…、N,N表示离散探测像素的像素个数;hij为所述系数矩阵中的矩阵元素;k的取值范围为0.1~2.0。

4.  根据权利要求3所述的测量颗粒粒径分布的方法,其特征在于,通过如下公式计算得到所述两个相邻迭代过程之间的误差值:
E=1NΣj=1N(Ij(n)-Ij(n+1)Imeas,j)2]]>
其中,是第n次迭代后得到的理论光强角分布。

5.  一种测量颗粒粒径分布的装置,其特征在于,包括:阵列探测器与信号采集与处理模块;其中,
所述阵列探测器用于测量颗粒群散射光强的角分布,其中,所述角分布中的离散角度对应所述阵列探测器的各个离散探测像素;
所述信号采集与处理模块用于从所述颗粒群中选定粒径区间及采样粒径,根据所述粒径区间和所述采样粒径计算所述采样粒径的粒径参数,并基于Mie散射计算系数矩阵;将所述系数矩阵与所述角分布作为最大似然函数迭代反演方法的参数,计算所述颗粒群的最终粒径分布。

6.  根据权利要求5所述的测量颗粒粒径分布的装置,其特征在于,所述信号采集与处理模块包括:
第一计算单元,用于将所述系数矩阵与所述角分布作为最大似然函数迭代反演方法的参数,计算两个相邻迭代过程的第一粒径分布与第二粒径分布;
第二计算单元,用于计算所述第二粒径分布于所述第一粒径分布之间的误差值;
确定单元,用于若确定所述误差值小于设定值,停止反演迭代计算,并将所述第二粒径分布作为所述颗粒群的所述最终粒径分布。

7.  根据权利要求6所述的测量颗粒粒径分布的装置,其特征在于,所述第一计算单元计算两个相邻迭代过程的第一粒径分布与第二粒径分布通过如下公式计算得到:
fi(n+1)=fi(n)Σj=1N(hij)kΣp=1N(hij)kImeans,jΣl=1Mflnhlj]]>
其中,为所述第一粒径分布,表示第n次迭代所产生的对应粒 径参数xi的比重;为所述第二粒径分布,表示第n+1次迭代所产生的对应粒径参数xi的比重;Imeans(θj)为所述角分布,所述离散角度θj对应各个离散探测像素,j=1、2、…、N,N表示离散探测像素的像素个数;hij为所述系数矩阵中的矩阵元素;k的取值范围为0.1~2.0。

8.  根据权利要求7所述的测量颗粒粒径分布的装置,其特征在于,所述第二计算单元通过如下公式计算得到所述误差值:
E=1NΣj=1N(Ij(n)-Ij(n+1)Imeas,j)2]]>
其中,是第n次迭代后得到的理论光强角分布。

说明书

说明书测量颗粒粒径分布的方法及装置
技术领域
本发明涉及颗粒粒径测量技术领域,特别涉及一种测量颗粒粒径分布的方法及装置。
背景技术
颗粒粒径的测量在诸如大气科学、燃烧、化学工程等科研与工程领域有非常重要的意义。基于Mie散射的激光散射颗粒粒径测量方法是目前研究最为广泛的一种技术,它保持了传统光学测量技术的特有优点,包括无接触、精度高、速度快、实时性等。对粒径逆散射问题进行建模,探测信号角分布函数可以表达为:
I(θ)=∫0h(r,λ,θ,m)f(r)dr]]>
其中,λ是入射光的波长,m=mRe-imIm是颗粒相对周围介质的相对折射率,r是颗粒半径径,积分核h(r,λ,θ,m)是半径为r的单个颗粒在θ角位置上的散射光强贡献,可使用Mie散射或者Fraunhofer衍射计算,f(r)则是待求解的直径在r到r+dr之间的颗粒数密度。分布函数限定法首先预先假设待测颗粒满足一定的分布模型,接着使用优化拟合算法求解这种分布模型所依赖的几个重要参数。但是大多数情况下,由于分布函数形式是未知的,或者是多峰的,因此会产生非常大的误差,此外,由于大部分的算法仅适用于衍射近似成立的情形,因此大大降低了算法的小粒径反演的性能。
发明内容
在下文中给出太阳城集团本发明的简要概述,以便提供太阳城集团本发明的某些方面的基本理解。应当理解,这个概述并不是太阳城集团本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分,也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念,以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
本发明提供一种测量颗粒粒径分布的方法,该测量颗粒粒径分布的 方法包括如下步骤:
通过阵列探测器测量颗粒群散射光强的角分布,其中,所述角分布中的离散角度对应所述阵列探测器的各个离散探测像素;
选定粒径区间及采样粒径,根据所述粒径区间和所述采样粒径计算所述采样粒径的粒径参数,并基于Mie散射计算系数矩阵;
将所述系数矩阵与所述角分布作为最大似然函数迭代反演方法的参数,计算所述颗粒群的最终粒径分布。
本发明提供了一种测量颗粒粒径分布的装置,其中,该测量颗粒粒径分布的装置包括:阵列探测器与信号采集与处理模块;
所述阵列探测器用于测量颗粒群散射光强的角分布,其中,所述角分布中的离散角度对应所述阵列探测器的各个离散探测像素;
所述信号采集与处理模块用于从所述颗粒群中选定粒径区间及采样粒径,根据所述粒径区间和所述采样粒径计算所述采样粒径的粒径参数,并基于Mie散射计算系数矩阵;将所述系数矩阵与所述角分布作为最大似然函数迭代反演方法的参数,计算所述颗粒群的最终粒径分布。
本发明提供的测量颗粒粒径分布的方法及装置,通过将所述系数矩阵与所述角分布作为最大似然函数迭代反演方法的参数,计算颗粒群的最终粒径分布,能够对低信噪比测量数据实现准确的粒径分布反演计算,获得较好的粒径分布;此外,由于最大似然函数迭代反演不会引起迭代发散,且速度较快,因此适合实时测量,并大大降低了对实验条件的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一个实施例提供的测量颗粒粒径分布的方法的流程示意图。
图2为本发明另一个实施例提供的测量颗粒粒径分布的装置的结构图。
图3为本发明实施例所适用的测量颗粒粒径分布的系统结构图。
图4为本发明实施例符合R-R分布、对数正态和伽马分布的颗粒粒径的分布图。
图5为图4所示的颗粒群的散射光场的分布图。
图6为通过本发明实施例进行实验的反演结果的分布图。
图7为通过本发明实施例进行实验的迭代收敛图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意,为了清楚的目的,附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
图1为本发明一个实施例提供的测量颗粒粒径分布的方法的流程示意图;如图1所示,本发明实施例包括如下步骤:
步骤101、通过阵列探测器测量颗粒群散射光强的角分布,其中,角分布中的离散角度对应阵列探测器的各个离散探测像素。
步骤102、选定粒径区间及采样粒径,根据粒径区间和采样粒径计算采样粒径的粒径参数,并基于Mie散射计算系数矩阵。
步骤103、将系数矩阵与角分布作为最大似然函数迭代反演方法的参数,计算颗粒群的最终粒径分布。
本发明提供的测量颗粒粒径分布的方法,将所述系数矩阵与所述角分布作为最大似然函数迭代反演方法的参数,计算颗粒群的最终粒径分布,能够对低信噪比测量数据实现准确的粒径分布反演计算,获得较好的粒径分布;此外,由于最大似然函数迭代反演不会引起迭代发散,且速度较快,因此适合实时测量,并大大降低了对实验条件的要求。
具体地,在上述图1实施例中,在步骤101中,使用阵列探测器测 量颗粒群散射光强的角分布为Imeans(θj),其中,离散角度θj对应各个离散探测像素,j=1、2、…、N,N表示离散探测像素的像素个数。
在上述图1实施例中,在步骤102中,选定的粒径区间为[rmin,rmax]及采样粒径ri,{i=1,2,…,M},其中,M表示在选定的粒径区间[rmin,rmax]上离散采样粒径的数目。通过采样粒径ri,可以计算得到粒径参数xi=2πri/λ,其中,λ为测量系统所用激光的波长。基于Mie散射理论计算系数矩阵矩阵元素hij是半径为ri的颗粒在角度θj上的散射光强度;由于Mie散射为本领域技术人员所熟知的理论,因此本发明实施例不再对Mie理论进行描述。
在上述图1实施例中,在步骤103中,将所述系数矩阵与所述角分布作为最大似然函数迭代反演方法的参数,计算颗粒群的最终粒径分布具体参见公式(1):
fi(n+1)=fi(n)Σj=1N(hij)kΣp=1N(hij)kImeans,jΣl=1Mflnhlj---(1)]]>
其中,为第一粒径分布,表示第n次迭代所产生的对应粒径参数xi的比重;为第二粒径分布,表示第n+1次迭代所产生的对应粒径参数xi的比重;Imeans(θj)为角分布,离散角度θj对应各个离散探测像素,j=1、2、…、N,N表示离散探测像素的像素个数;hij为所述系数矩阵中的矩阵元素;k的取值范围为0.1~2.0,较佳地,k具体可以取值为0.7。
进一步地,通过如下公式(2)计算得到所述两个相邻迭代过程之间的误差值:
E=1NΣj=1N(Ij(n)-Ij(n+1)Imeas,j)2---(2)]]>
其中,是第n次迭代后得到的理论光强角分布。当该值小于设定值ε时,停止反演迭代计算,获得最终粒径分布。
图2为本发明另一个实施例提供的测量颗粒粒径分布的装置的结构图;如图2所示,阵列探测器21与信号采集与处理模块22。
其中,阵列探测器21用于测量颗粒群散射光强的角分布,其中,角分布中的离散角度对应阵列探测器21的各个离散探测像素;信号采 集与处理模块22用于从所述颗粒群中选定粒径区间及采样粒径,根据所述粒径区间和所述采样粒径计算所述采样粒径的粒径参数,并基于Mie散射计算系数矩阵;将系数矩阵与角分布作为最大似然函数迭代反演方法的参数,计算所述颗粒群的最终粒径分布。
本发明提供的测量颗粒粒径分布的装置,通过信号采集与处理模块22将系数矩阵与角分布作为最大似然函数迭代反演方法的参数,计算颗粒群的最终粒径分布,能够对低信噪比测量数据实现准确的粒径分布反演计算,获得较好的粒径分布;此外,由于最大似然函数迭代反演不会引起迭代发散,且速度较快,因此适合实时测量,并大大降低了对实验条件的要求。
在上述图2所示实施例中,信号采集与处理模块22包括:第一计算单元、第二计算单元、确定单元;第一计算单元,用于将所述系数矩阵与所述角分布作为最大似然函数迭代反演方法的参数,计算两个相邻迭代过程的第一粒径分布与第二粒径分布;第二计算单元,用于计算所述第二粒径分布于所述第一粒径分布之间的误差值;确定单元,用于若确定所述误差值小于设定值,停止反演迭代计算,并将所述第二粒径分布作为所述颗粒群的所述最终粒径分布。
在上述图2所示实施例中,第一计算单元计算两个相邻迭代过程通过上述公式(1)计算得到,在此不再列出公式(1)。
在上述图2所示实施例中,第二计算单元通过公式(2)计算得到误差值。
为了更清楚的理解本发明实施例所述的技术方案,下面通过图3~图7对本发明实施例进行详细说明。图3为本发明实施例所适用的测量颗粒粒径分布的系统结构图,图4为本发明实施例符合R-R分布、对数正态和伽马分布的颗粒粒径的分布图,图5为图4所示的颗粒群的散射光场的分布图,图6为通过本发明实施例进行实验的反演结果的分布图,图7为通过本发明实施例进行实验的迭代收敛图。
如图3所示,测量颗粒粒径分布的系统具体包括:激光光源模块31、样品池32、傅里叶透镜33、阵列探测器34、信号采集与处理模块35。进一步地,激光光源模块31包括:激光器311、光束扩束器312、滤波光栏313、偏振片314;,激光器311发出窄光束,经过光束扩束器312、滤波 光栏313和偏振片314后,实现激光扩束和杂散光滤除。经处理的光线通过包含待测颗粒的样品池32,出射光线包括了能够反映粒径分布太阳城集团的散射光线6和未被散射的入射光线7。接着,这些光线经过傅里叶透镜33后,同一角度的散射光将聚焦在焦平面上同一位置。信号采集与处理模块35首先采集散射光光强角分布I(θ),利用最大似然函数迭代反演方法,得到最终粒径分布fi(n)。
如图4所示,分别为R-R分布、对数正态(Log-normal)分布、伽玛(Gamma)分布,其中,横坐标是颗粒的直径,纵坐标是对应的百分比(Particle sizing distribution,简称为PSD)。图5为图4所示的颗粒群的散射光场的分布图,激光波长为532纳米(nm)的绿光,颗粒悬浮在折射率为1.33的水中。
如图6和图7所示,通过最大似然函数迭代反演对上述颗粒群进行迭代反演,反演结果包括粒径分布曲线和迭代收敛曲线。在计算过程中,所选择的粒径分布模型为对数正态分布,模拟的光强信号加入了20分贝(dB)的噪声,通过图6和图7的计算结果可以说明,本发明实施例通过最大似然函数迭代反演算法不会引起迭代发散,且速度较快。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
在本发明上述各实施例中,实施例的序号仅仅便于描述,不代表实施例的优劣。对各个实施例的描述都各有侧重,某个实施例中没有详述的部分,可以参见其他实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以理解:实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成,前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中,该程序在执行时,执行包括上述方法实施例的步骤;而前述的存储介质包括:只读存储器(Read-Only Memory,简称ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory,简称RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在本发明的装置和方法等实施例中,显然,各部件或各步骤是可以分解、组合和/或分解后重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本发明的等效方案。同时,在上面对本发明具体实施例的描述中,针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更 多个其它实施方式中使用,与其它实施方式中的特征相组合,或替代其它实施方式中的特征。
应该强调,术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在,但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
最后应说明的是:虽然以上已经详细说明了本发明及其优点,但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且,本发明的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解,根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此,所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

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测量 颗粒 粒径 分布 方法 装置
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