激光粒度测量仪自动对中系统.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流激光粒度测量仪自动对中系统题目 激光粒度测量仪自动对中系统自动对中程序编写与完善 .精品文档.摘 要激光粒度仪是目前测量颗粒粒度的主要手段之一，已广泛应用于工业、农业、医药等领域。激光粒度仪一般采用小角前向散射原理，它的光电探测器通常为同心环状结构，测量时要求其圆心应与入射光轴重合，此调整过程称为对中。当采用手动对中方式时，会增大人为因素的干扰，并提高了对操作人员技能的要求。本课题研究一种完善的自动对中功能的激光粒度检测仪，并分析选择出一种自动对中最优方法，从而简化激光粒度仪在测量前必须进行的光路对中操作，提高仪器的自动化程度，减小人为因素及

2、机器对中速度造成的影响。本文的主要工作为在熟悉公司采用的自行开发的60光通道光电探测器作为集成探测单元，研究了自动对中基本原理，根据光电探测器的特性将对中有小区分为3个部分并对影响对中精度的因素进行了理论分析和模拟计算。熟悉硬件电路的基本结构和功能熟悉使用采用VC+编写的上位机软件进行控制现有的自动对中系统，并能根据数据分析出问题所在进行进一步进行调整。以自动对中原理为依据，设计了自动对中算法，采取变步长的方式进行自动对中，并针对算法中截止条件的选取问题进行了多次测量实验，通过综合比价对中精度和对中所需时间确定了系统所需的截止条件。使用所设计的程序，对标准机器进行了测量实验，通过分析实验结果的

3、重复性和准确性验证了系统的有效性关键词：激光粒度仪 自动对中 光电探测器Laser finenss measurement instrument auto fixing system progreming and improveAbstractThe laser particle size analyzer is one of principal means for measuring particle size，and is widely used in many fields such as industry,agriculture，medicine and so onLaser part

4、icle size analyzer is usually based on small angle forward scattering principle，and the Siphotoelectric detectors structure is usually the concentric ringWhen measuring，its center must coincide with the incident light axis，this adjustment process is called centering and ask for more about the operat

5、ors skillsThis study is an improvement on the function of the automatic laser particle detector and choose a kind of automatic laser adjust of the optimal method to simplify the measurement of laser particle size analyzer must be carried out before the operation of the optical path, improve the degr

6、ee of automation equipment and reduce the impact of the human factors and machine speed when laser adjust.The main work includes familiar with the company using the self-developed 60-channel optical detection unit as an integrated photo detector and research on the basic principles of automatic lase

7、r adjust. According to the characteristics of photo detector area will be divided laser adjust in 3 parts and analysis and simulate the factors which will affect the accuracy of laser adjust.familiar with the basic hardware structure and function. Familiar with PC software written by VC+ to control

8、the existing system of laser adjust。Based on data analysis where the problem lies and to the further adjustments.based on the principle of automatically laser adjust，design the automatically laser adjust algorithm and take variable step approach to laser adjust. As conditions for the algorithm selec

9、tion problem in a number of measurements carried out experiments. By combining the accuracy and the parity of the system are determined in the time required for closing conditions.using the design process, the machine has been measured on the standard test, by analyzing the experimental results vali

10、date the reproducibility and accuracy of the effectiveness of the system.Key Words: laser particle size analyzer; automatic laser adjusts; photoelectric detector目 录第一章 绪论11.1激光粒度测试技术发展概况11.2激光粒度仪21.3激光粒度仪自动对中技术发展现状31.4本文研究目的与主要工作4第二章 激光粒度仪自动对中系统原理62.1激光粒度仪概述62.2激光粒度仪原理分析82.3激光对中技术102.4激光粒度仪对中的情况分析12

11、2.5 本章小结18第三章 自动对中系统的硬件设计和软件设计193.1 激光粒度仪自动对中系统设计要求193.2激光粒度仪自动对中系统的组成193.3激光粒度仪自动对中系统硬件组成简介203.3.1硬件组件介绍203.3.2硬件组件连接组件介绍233.3.3整机硬件结构介绍243.4激光粒度仪自动对中系统软件介绍26第四章 自动对中程序设计及调试294.1自动对中程序构架294.2自动对中算法研究314.3自动对中程序细化334.4建立串口调试平台364.5自动对中系统实验及分析394.6本章小结41第五章 全文总结与展望42参考文献43附 录44致 谢45第一章 绪论1.1激光粒度测试技术发

12、展概况颗粒的粒度分布在工农业生产，尤其是以粉体形态存在的产品和原料中，一直是一个十分重要的计量指标。它对产品的性能和质量起着不可忽视的作用，如水泥的细度与粒度对于充分利用水泥活性和提高强度有着重要影响等。因此，如何有效测量颗粒的粒度分布，从而进一步调整或控制其存在状态，就显得尤为重要。随着科学技术的不断发展，颗粒测量方法也不断变换、更新和完善。根据其基本工作原理，可分为几大类：沉降法、筛分法、显微镜法、电感应法和光散射法等。这些方法各有自己的特点和应用范围，但光学法以其测试速度快、操作简便、重复性好等优点，在颗粒测量领域已被广泛采用。1976年英国谢菲尔德大学的Swithenbank等人首次基

13、于夫琅和费衍射理论，利用15单元的环形探测器成功实现了对粒度的激光测量。自此开始，相继出现了多种光学测量方法，如利用Doppler频移原理测量亚微米及纳米颗粒粒径的动态光散射技术；通过测量入射及透射光强度求颗粒的粒径及数量分布的消光法；在901800的范围内测量颗粒的散射光信号的背向光散射法等。目前，应用最为广泛的颗粒测量方法是基于米氏散射和夫琅和费衍射理论的激光粒度仪，简称激光粒度仪。自从1981年马尔文公司应用激光散射技术成功开发出Mastersizer系列激光粒度仪以来，通过不断的推陈出新，其产品已处于激光粒度测量领域的主导地位，其技术标准也成为激光粒度仪生产厂家公认的行业标准。此外，美

14、国库尔特公司以双镜头专利技术、偏振光强度差专利技术结合夫琅和费和米氏理论生产的激光粒度仪，也具有较高的专业水平和市场地位。其他诸如法国的CILAS公司、德国的Sympatec公司、日本的岛津公司等也生产有激光粒度仪产品。在国内，丹东百特、珠海欧美克、济南微纳、成都精新等公司均生产激光粒度仪产品，并且已经具备了较强的研发实力和较完备的检测手段。但国产粒度仪同国外粒度仪相比，在生产自动化、产业化等方面还有待提高。欧美克公司激光粒度测试技术课题组于上世纪80年代开始，已经开始进行激光散射粒度测量的研究，并先后提出TProjection算法、修正牛顿算法、最速下降法、改进共轭梯度算法四种无模式算法I7

15、1，提高了算法有效性和求解精度，解决了双峰和多峰粒子测量难题。同时也研究开发了基于光纤链路、USB总线、PCI总线的三种粒子散射信号采集模块，提高了抗干扰能力和在线测试能力。并最终形成了天津大学自主研制的LSA和LPS系列激光粒度仪产品。其中LSA系列激光粒度仪采用分体式结构，可方便布置在喷雾雾场，主要用于喷雾测量。而LPSIll型仪器采用新近自主研制的组合频谱技术，通过在两个焦平面上探测频谱，从而扩大了测量范围。LPSIII型激光粒度仪为整体式结构，主要用于悬浊液、乳浊液等固体颗粒测量。另外，天津大学设计并研制了新型短筒长焦傅里叶物镜，它在原有焦距l000mm透镜后面增加一后组透镜，使得整个

16、系统焦距增大为4000mm，而系统整体尺寸并未增加，可使测量上限扩展到35001am，这对于粒径测量上限的扩展具有十分重要的意义。1.2激光粒度仪光粒度仪是一种利用激光散射原理对颗粒大小进行检测的装置，其结构组成如图11所示。激光经扩束透镜后照射到位于透明样品池中的颗粒，经傅立叶透镜后在透镜后焦面上由光电探测器接收粒子散射光。光电探测器的中心为一直径很小的通孔，外面是多元光电探测环。由于直径不同粒子对光散射的角分布不同，因此，根据探测器上各环接收到的光强大小可统计出各部分粒子的尺寸大小。当没有通过粒子场时，激光光束应准确地汇聚到探测器的中心孔上，即探测器的中心孔应位于透镜的焦点上 设直径为的颗

17、粒数共有个，则该颗粒群在光电探测器第n个环上的衍射光能量为(1-1) 其中，为散射角，为平行入射光强度。如用质量频率表示，则上式化简为 (1-2)其中为一常数。上式用矩阵可表示为 (1-3)其中为光能分布系数矩阵。若已知各环的内外半径，照射光的波长接收透镜的焦,根据各环上探测到的能量，就可以由上述方程组求出粒子的尺寸分布职，这就是激光粒度仪的理论依据。激光粒度仪的测试速度快、测量范围宽、应用范围广，可用于喷雾、粉末或悬浮液等的测量。而且，激光粒度仪在测量过程中不破坏样品场，属于非接触性测量，因此可实现在线测量。1.3激光粒度仪自动对中技术发展现状随着测量仪器自动化、智能化的要求不断增强，激光粒

18、度测试技术也在不断自我完善，并进一步提升自身的测量方便程度和自动化水平，包括自动对中、自动给水、自动采集背景、自动校准等。传统上，激光粒度仪一般采用手动对中调节方法，即在探测器中心孔后方安放一个光电二极管，通过上下、左右方向调节探测器，观察光电二极管接收的光强，当光强最大时，即认为对中良好。但此种方法受人为因素影响较大，对于非专业人士，调整较困难，且对中重复性较低，故容易产生较大误差。目前，自动对中已成为激光粒度仪一个重要的功能。FRITCSH公司生产的粒度仪，通过光敏二极管接收透过探测器中心孔的光，以测量其吸收的光能大小，进行自动对中；德国新帕泰克有限公司也采用了全自动对焦系统，时刻保证激光

19、束中心、镜头中心、检测器中心在同一直线上，并保证检测器始终处于最佳测试状态；美国Microtrac公司的$3500系列激光粒度分析仪采用系统自动对中，并内置辅助光源用于检验和校正检测器的灵敏度等。国内激光粒度仪自动对中的方法比较简单，如在探测器的小孔后安装一个硅光电池，用来探测通过小孔的光能量。先令探测器沿前后方向移动，找到光能量的最大位置，再令探测器上下移动，找到光能量的最大位置，最后锁定驱动装置。再如于探测器中心孔上下位置各放置一长方形探测剁，通过步进电机控制探测器运动，结合探测器实际测量环及两个长方形对中环，实现自动对中。1.4本文研究目的与主要工作本文的研究目的旨在研制具有自动对中功能

20、的激光粒度仪，从而简化激光粒度仪在测量前必须进行的光路对中操作，实现仪器的自动化，减小人为因素对测量操作的影响。本文的主要内容如下：第一章对激光粒度仪和激光对中技术进行了综述，主要包括激光粒度测试的国内外发展状况、激光粒度仪的基本原理、激光对中技术的发展现状，同时还介绍了激光对中技术在激光粒度仪中的应用现状。第二章分析了激光粒度仪光路对中的基本情况，并使用一种新的探测器结构。在此基础上介绍了激光粒度仪自动对中基本原理，详细分析了精密对中原理，并对其进行了模拟计算。第三章对激光粒度仪自动对中系统进行了研究与设计，从使用要求出发，设计并选取了相应的硬件组件，介绍了各部分的作用和原理。在原有激光粒度

21、仪分析测试软件的基础上，完成了通过软件控制自动对中的功能。第四章将研制的自动对中系统集成到原有的激光粒度仪系统中，并对自动对中系统的重复性和准确性进行了实验验证，通过对实验结果的分析，说明该系统的重复性与准确性良好。使用这种新的激光粒度仪进行颗粒测量实验，实验中以2008年发布的激光粒度分析仪校准规范为依据，通过对微粒粒度标准物质的测量和数据处理，说明所研制的自动对中系统能够满足测量需求，达到既定目的。第二章 激光粒度仪自动对中系统原理2.1激光粒度仪概述众所周知,光是一种电磁波。它在传播过程中遇到颗粒时，将与之相互作用，其中的一部分将偏离原来的行进方向，称之为散射，如图2.1所示：图2.1

22、光的散射现象示意图当颗粒是均匀、各向同性的圆球时，可以根据Maxwell电磁波方程严格地推算出散射光场的强度分布，称为Mie散射理论，摘录如下：(2-1)(2-2)中Ia和Ib分别表示垂直偏振光和水平偏振光的散射光强；表示散射角，al和bl的表达式分别如下：(2-3)(2-4)此地，)，；式中，为介质的介电常数，为散射粒子的介电常数，为电导率，和分别为真空和介质中的光波长，r为粒子半径，而(2-5)(2-6)其中这里和分别是第一类Bessel函数和诺俟曼函数。和的表达式则为：(2-7)(2-8)其为一次缔合勒让德多项式Mie理论是描述散射光场的严格理论，适用于经典意义上任意大小的颗粒。但是对大

23、颗粒()，Mie散射公式的数值计算十分复杂。通常人们认为这种情况下散射现象可以用较常见而简单的衍射公式描述。当散射粒子到观察点的距离无限远时，衍射公式可简化为Fraunhoff衍射公式：(2-9)如果只考虑散射光的强度分布，在的条件下，Fraunhoff理论与Mie理论的差别确实非常小。但是在激光粒度仪中，光电探测器接收的是光的能量（强度对探测器接收面的积分），而且接收器的面积随着接收角的增大而迅速增大，这时在14附近（设颗粒折射率1.54，该位置对应于1m颗粒散射光能分布的峰值），实际的光能将远大于Fraunhoff理论的预言值。因此如果激光粒度仪的接收角接近或大于14，或者激光粒度仪的测量

24、下限小于等于1m，则衍射理论将带来明显的误差（增加了1m附近的颗粒数量）。本课题的激光粒度仪采用严格的Mie理论作为理论依据。激光粒度仪的测试速度快、测量范围宽、应用范围广，可用于喷雾、粉末或悬浮液等的测量。而且，激光粒度仪在测量过程中不破坏样品场，属于非接触性测量，因此可实现在线测量。2.2激光粒度仪原理分析仪器一般由测量单元、进样系统、计算机和打印机组成，如图2.2所示:图2.2 仪器的结构示意图从He-Ne激光器（1）发出波长为0.6328m的激光束，经扩束镜（2）后会聚在针孔（3），针孔将滤掉所有的高阶散射光，只让空间低频的激光通过。然后激光束成为发散的光束。该光束遇到透镜（5）后被聚

25、焦。反射棱镜（6）使光学系统的光轴转折90，即，使之由水平传播变成垂直传播。当样品池内没有颗粒时，光束将被聚焦在环形光电探测器（9）的中心，并穿过中心的小孔照到中心探测器（10）上。当样品池内有颗粒样品时，会聚的光束将有一部分被颗粒散射到环形探测器的各探测单元以及大角探测器上。 设样品池内没有颗粒时，中心探测器接收到的光能为E0，其他各探测单元接收到的光能（由于象差和尘埃散射等）从里到外依次为B1，B2，Bn；样品内有待测颗粒时，变为E0，S1，S2，Sn；则： ，(2-10)称为遮光比。样品浓度越高，遮光比越大。(2-11)I=1,2,n；称为散射光能分布，它包含了待测颗粒的粒度分布信息。光

26、能信号通过光电探测器转换成了相应的电流信号，送给数据采集卡。该卡将电信号放大，再进行A/D转换后送入计算机。根据光的散射理论和仪器的光学结构，计算机事先已计算出了仪器测量范围内各种直径粒子对应的散射光能分布，其集合组成了光能矩阵M，即：(2-12)矩阵中每一列代表一个粒径范围一个单位重量的颗粒产生的散射光能分布。因此:(2-13)式中w1，w2，wn代表颗粒的重量分布。根据上式，只要已知散射光能分布s1,s2,sn,通过适当的数值计算手段可以计算出与之相应的粒度分布。2.3激光对中技术激光对中技术是将激光、光敏传感器和计算机测试技术相结合的产物，具有高效、稳定、快捷等特点，目前已出现功能多样、

27、自动化程度较高的激光对中产品。激光对中技术的基本原理是：将激光器与接收器分别安放在两个存在相应关系的物体上，接收器的感应面感应激光器发出的光束，形成特定的电路信号；或当物体有位置变化时，光束在接收器的感应面上发生位移，接收器会产生相应的变化信号。通过这些信号，综合其它几何计算得出的参数，即可求得所需的物理量。其中，接收器件的结构及灵敏度直接影响到整个系统的精度，因此，接收器件的不同是激光对中技术在生产应用中的主要区别之一。前，激光对中技术的一个主要应用是激光对中仪。根据感应面材料，可分为CCD型、PSD型等激光对中仪。根据测量光束的条数，可分为单光束及双光束激光对中仪等等。早期的激光对中仪普遍

28、采用CCD作为光感应面，即根据CCD感应面上的mn个小感光单元能量分布，计算光斑能量中心位置。当感应面所在物体发生位移时，重新计算能量中心位置，进而通过既定关系得出能量中心位移。但此种探测器有其局限性：能量中心位置的计算精度由感光单元分布的密度决定且计算复杂，从而影响了整个系统的性能。二维PSD是利用横向光电效应做成的探测器件，其输出与光斑所在光敏面位置有关。如图22所示：分别为每一个电极的 输出光电流，上表示电极问距离。根据光电位置传 感器各光敏面电流输出，计算其上的光点位置公式为： (2-14)式中x，y即为光点的位置坐标。激光对中仪主要用于仪器的同轴度测量。需同轴度保证的未对中的机器会有

29、强烈的振动以及过早失效等问题产生。不对中会对机器产生有害的作用力，降低设备的性能。目前，激光对中仪的普遍对中精度已达到0001mm，并可同时测量多种数值，如偏移值、角度值、垫平值和调整值等。激光对中仪外型小巧，安装方便，目前在涡轮发动机、马达、泵、风扇、心轴、变速箱或偏移轴等领域已得到广泛应用。它的使用可以大大提高仪器的同轴度，从而降低振动等级，降低失效几率和维护成本，提高产品产量及质量。激光对中技术的另一主要应用是利用四象限探测器进行光路的自动调整，如激光准直、测角等。其主要原理是测量激光束的光斑质心的位置变化，然后通过某种特定的算法，确定光斑的二维偏移量，最后利用此偏移量与被测物体之间的关

30、系得到所需的物理量。四象限探测器的基本结构如图23所示，同一芯片上生成有四个参数基本相同的探测器，当光斑落在探测器上时，假设光斑均匀，若光斑中心与探测器中心不重合，则四个探测器的输出光电流将不尽相同，其大小与投射到光敏面上的光照度的面积积分有关，当光斑中心与探测器中心有偏差时，(2-15)式中为x向的偏差电流，为光功率，为光束半径。由此可见，当偏差很小时，光电流输出之差与位移量近似成正比。因此，可利用此点通过一定的算法确定光斑的横向及纵向偏移量。目前，四象限探测器已得到广泛的开发与应用。采用四象限光电探测器或四象限光电探测器与CCD探测器相结合的方式作为其光学系统探测组件的光镊，是利用光与物质

31、间动量传递的力学效应而形成的三维梯度光阱来操纵微粒的技术。它具有对微小单位进行无机械接触操作和静态、动态力学量测量的功能。2.4激光粒度仪对中的情况分析对中良好情况下，对于焦距为的傅里叶透镜，设光电探测器上第个半圆环内径为，外径为，则其对应的散射角范围，满足下式(2-16)则第环上的光通量为 (2-17)图2-4为笛卡尔坐标系下得对中情况示意图，其中O为原点。设多元光电探测器位于XY平面内，探测器各环的几何中心与坐标原点O重合，入射光轴QV与Z轴重合。理想情况下，如图2-4（a）所示，二是光电探测器各环的几何中心与入射光轴线不重合（偏心）。当入射光斜射时，如图2-4（b）所示，入射光轴线QV虽

32、然穿过多光电探测器的中心，但与Z轴之间呈一夹角，称之为倾角。在偏心情况下，如图2-4（c）所示，入射光虽与多元光电探测器垂直，但并未穿过多元光电探测器中心，而是有一偏置d称为偏心距。 图2-4 对中情况示意图图2-4（d）则表示对中不良的一般情况。数值计算表明，当倾角够小于时，由此引起的测量误差一般不大于10，倾角增大，误差相应增大。当偏心距d为015mm时，由此引起的测量误差可达30，偏心距增大，误差相应增大。为避免激光束垂直照射探测器引起的反射光影响测量结果，通常使探测器倾斜一个很小的角度。实际使用中，以激光光斑不反射回发射器为准。本系统采用的激光粒度仪测量光斑直径为12mm，探测器距激光

33、发射器不小于1000mm，由此引起的= 27，则光斑往左调整；光环同步采样保持电路号变化。2、光电转换I/V部分转换精度为2.2V/uA。通道选择电路可编程放大电路3.采集模块总共需要采集到54路光能信号，通过AD转换单片机模拟通道选择跟I/V转换实现通道间的切换和数据采集并保存。通讯HUB模块稳压电源模块6、485总线通信利用485串行通讯总线技术原理设计了一个可通过485接口、232接口、USB接口与PC机进行通讯的串行通讯集线器。通过此集线器PC机可同时与采集电路板、对中控制板、进样控制板等进行通讯，并可将控制设备扩展到6个，方便产品的升级。原理框图(如图3-2)所示：图3.2通信系统结

34、构(如图3-3)PC机通过通讯集线器（通信HUB板）利用485总线可分别与采集板、对冲控制板、进样控制板通信并控制相应的器件。进样控制板通过Modbus协议与电机驱动板通信控制电机并且控制其它的相应执行器件。图3-33.3.2硬件组件连接组件介绍通过以上分析，已得到自动对中系统所需各硬件组件，由图31可知，需要通讯与互联的设备有：主机与运动控制卡、运动控制卡与驱动器、驱动器与二维平移台、原点开关等附加信号与运动控制卡的连接。根据选用的MPC07运动控制卡的要求，使用PCI总线使其与主机连线，其他设备之间的连线视使用情况而定。如图3-2所示，MPC07控制卡通过PCI总线与转接板互连，转接板上各信号与控制卡一一对应。使用转接板并不影响信号的传递，其目的是使系统接线更加方便，同时便于更改。MPC07控制卡可同时控制四路信号，本系统仅使用其中两路。运动控制卡通过脉冲信号Pul和方向信号Dir控制驱动器，而驱动器通过A+、A、B+、B四路信号控制步进电机的运转。限位开关与原点开关由于不需通过驱动器对控制信号进行细分等处理，因此运动控制卡通过限位信号与原点信号直接控制步进电机运