Устройство для определения размеров микрочастиц

 

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть применено для оптического исследования дисперсных потоков в аэродинамике, медицине , автомобильной промышленности. Цель изобретения состоит в повышении точности . После освещения лучом лазера 1 оптической кюветы 3 с исследуемой средой первый объектив 4 формирует в задней фокальной плоскости картину дифракции когерентного света на отдельной сферической частице. Фильтр 5 пространственных частот видоизменяет амплитудные и фазовые соотношения между пространственными частотами светового поля так, что второй объектив 6 в плоскости регистрации формирует кольцевое изображение частицы. Линейка 7 фотоприемников регистрирует сечение кольцевого изображения частицы. Блок 8 обработки детектирует значения двух максимумов видеосигнала, связанных с определенными фотоприемниками, и вычисляет расстояние между этими максимумами , которое пропорционально искомому диаметру микрочастицы. 2 з.п. ф-лы, 2 ил. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5()5 G 01 N 15/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4675512/25 (22) 11.04.89 (46) 07.11.91.Бюл. М 41 (71) Куйбышевский авиационный институт им.акад.С.П. Королева (72) Е.Д,Васильев, В.В.Котляр и В.А.Сойфер (53) 66.063,62(088,8) (56) Заявка ЕПВ М 0207176, кл. G О. i N 15/02, 1987.

Заявка Японии М 56-33661, кл. G 01 N 15/02, 1981, (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

РАЗМЕРОВ МИКРОЧАСТИЦ (57) Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть применено для оптического исследования дисперсных потоков в аэродинамике, медицине, автомобильной промышленности.

Цель изобретения состоит в повышении точ„„ „„1689770 А1 ности, После освещения лучом лазера 1 оптической кюветы 3 с исследуемой средой первый обьектив 4 формирует в задней фокальной плоскости картину дифракции когерентного света на отдельной сферической частице. Фильтр 5 пространственных частот видоизменяет амплитудные и фазовые соотношения между пространственными частотами светового поля так, что второй объектив 6 в плоскости регистрации формирует кольцевое изображение частицы. Линейка 7 фотоприемников регистрирует сечение кольцевого изображения частицы.

Блок 8 обработки детектирует значения двух максимумов видеосигнала, связанных с определенными фотоприемниками, и вычисляет расстояние между этими максимумами, которое пропорционально искомому диаметру микрочастицы, 2 з.п. ф-лы, 2 ил. !689770

Изобретение относится к контрольноизмерительноЙ технике и может быть применено для Оптического исследования дисперснь1х потоков B аэродинамике, медицине, автомобильной промышленности и

Т.Д.

Цель изобретения —. повышенле точности устройства.

На фиг.1 показана оптико-электронная схема устройства; на фиг.2 -функциональная электрическая схема блока обработки фотоинформации, УстроЙство (фиг.1) соде! х(ит nQcnBpoBBтельно расположенные на одной оптической Оси лазер 1, KG r NI IBTc I 2, Оптическую кювету 3 с исследуемой с:редой, фурье-коррелятор, вкл очающий nepBI:. 4 и второй 6 объективы, фильтр 5 пространственных частот, име ощий функцию комплексного пропускания вида гехр(I р), -де(г, ф — полярные координаты в заднеи фокаги. Ной плоскости первого обьектива 4, и выпс1лненный в виде тонкой прозрачной плоcêîïàpàëëåëüíoé пластины, на одну плоскость которой нанесено Отражающее покрытие, коэффициент отражения т которого линейно убывает по радиусу в соответствии с формулой т =- 1—

r — а показатель п(Зе.:1омлсния матеоиала пластины и линейно H.lpBBTBBT Ilo углу в

СООТВЕТСТВИИ С фОРМУЛой л О и= — +по

2_#_CI где и, — постоянная составляющая показателя преломления;

Л вЂ” длина волны све "а:, (3 — толщина пластины;

Я радиус пластины линейку 7 фотоприемников и блок 8 обработки фотоинформации, Блок 8 обработки фотоинформации (фиг.2) содержит мультиплексор 9, усилитель 10, фильтр 11 низких частот, пе!1вый 12 и Второй 21 пи)(овые детектс phd максимума, первый 13 и второй 22 компараторы, триггер 14, первый 15„второй I6 и третий 23 вентили, генератор 17 тактовой частоты, счетчик 18, регистр 19 памяти и арифметика-логическое устройство 20 вычитания, При этом объектив 4 расположен на фокусном расстоянии от к оветы 3, фильтр 5 — на фокусном расстоянии от объектива 4, обьектив 6- на фокусном расстоянии от фильтра

5, линейка 7 — на фокусном расстоянил от объектива 6, ось линейки 7 г,ерпендикулярна оси лазера и оси потока частиц, информационные входы муль иплексора 9 являются входами бло (а 8 обработки фотоинформацли и соединены с соответствую5

55 щими выходами линейки 7 фотоприемников, выход мультиплексора 9 через последовательно соединенные усилитель 10 и фильтр 11 соединен с первым входом компаратора 13, первым входом компаратора

22, входом детектора 21 и информационным входом детектора 12, управляющий вход которого соединен с выходом компаратора 22, а выход — с вторым входом компаратора 13, выход которого соединен с первым выходом вентиля 23, первым входом вентиля 15 и входом триггера 14, первый выход которого соединен с вторым входом вентиля 23, а второй выход- с вторым входом вентиля 15, выход которого соединен с первым входом вентиля 16, выход которого соединен с выходом блока 8, а второй вход — с выходом устройства 20, первый вход которого соединен с выходом регистра 19, информационный вход которого соединен с выходом вентиля 23, а управляющий вход соединен с упраВляюшим вхОдом мультиплексора 9, Вторым входом устройстВа 20 и ВыхОДОм счетчика 18, вход которого соединен с управляющими Входами компараторов 13 и 22 и с выходом генератора 1I7, Устройство работает следующим образом, Луч лазера 1 расширяется и коллимируется коллиматором 2, освещает оптическую кювету 3 с исследуемой средой, частично дифрагирует на отдельной сферической частице, попавшей в кювету 3. Продифрагированное на частице излучение попадает в фурье-коррелятор и собирается объективом

4 в его задней фокальной плоскости, B этой плоскости формируется двумерный пространственный фурье-спектр излучения, продифрагировавшего на частице, а непродифрагировавший свет собирается в малой

Области в центре фокальной плоскости, Б этой плоскости располагается фильтр 5 пространственных частот, имеющий функцию комплексного пропусканля вида г exp (! p), где (I;ô — полярные координаты в задней факальной плоскости объектива 4, центр которых совмещен с осью лазера, пространственный фильтр выполнен в виде тонкой плоскопараллельной прозрачной пластины, на одну плоскость которой нанесено отражающее покрытие с коэффициентом отражения s= — n/É, а показатель преломления материала пластины равен

n= +nо

2_#_д где n0 — постоянная составляющая показателя преломления;

А — длина волны света;

cI толщина пластины

1689770

20

R — радиус пластины.

Фильтр 5 пространственных частот преобразует пространственный спектр продифрагировавшего на частице излучения так, что второй объектив 6 фурье-коррелятора, расположенный на фокусном расстоянии от фильтра 5, формирует в плоскости регистрации, расположенной на фокусном расстоянии от объектива 6, преобразованное изображение частицы в виде тонкого кольца, радиус которого равен радиусу частицы, умноженному на отношение фокусных расстояний объективов 4 и 6, В плоскости регистрации расположена линейка 7 фотоприемников, причем приемники расположены вдоль прямой линии, перпендикулярной оси лазера 1 и оси потока частиц.

Преобразованное изображение частицы с кольцевым распределением интенсивности пересекает линейку 7 фотоприемников i и регистрируется так, что на выходе из линейки

N фотоприемников формируют электрический сигнал, в распределении которого по приемникам существуют два максимальных значения, разделенных расстоянием, пропорциональным диаметру частицы.

Зарегистрированный электрический сигнал обрабатывается в блоке 8 обработки фотоинформации следующим образом.

Сигналы с N фотоприемников коммутируются мультиплексором 9, который управляется тактовой частотой, заданной генератором 17 импульсов, с помощью цифpoBblx сигналов, передающихся по k êàíàëüной адресной шине с выхода счетчика 18. На выходе мультиплексора 9 образуется временная последовательность импульсов, величины которых пропорциональны зарегистрированной интенсивности света на каждом фотоприемнике. Сигнал с выхода мультиплексора 9 усиливается усилителем

10, а фильтр 11 низких частот отфильтровывает высокие частоты в распределении сигнала, вызванные шумами фотоприемника. С выхода фильтра 11 сигнал поступает на вход детектора максимума 12, который накапливает от такта к такту значения величин отдельных импульсов сигнала до тех пор, пока величины импульсов монотонно возрастают.

Детектирование максимального импульса происходит следующим образом. Если величина (m<+1) импульса меньше, чем величина m>-ro импульса, то срабатывает компаратор 13 и на его выходе появляется сигнал, который открывает вентиль 23, который, в свою очередь, формирует сигнал на запись в регистр 18 памяти, т.е. к моменту времени, когда через пиковый детектор 12 пройдет импульс с первой максимальной

55 величиной, в регистр 19 памяти будет занесено число в двоичном коде, равное номеру фотоприемника (в данном случае (т1+1)-ro фотоприемника), на котором зарегистрировано первое максимальное значение интенсивности света, Начиная с (m1+1)-го такта, сигналы с выхода компаратора 22 в каждый такт сбрасывают значения пикового детектора 12, так что на выходе последнего появляются нулевые сигналы, которые поступают на первый вход компаратора 13, а на второй его вход поступают очередные ненулевые сигналы с выхода фильтра 11 низких частот, и поэтому, пока величина импульсов сигнала монотонно убывает от такта к такту, на выходе компаратора 13 будет нулевой сигнал, Пусть далее величина (mr+1)-ro импульса сигнала больше, чем величина mz-ro импульса, тогда, начиная с этого момента, на выходе компаратора 22 устанавливается нулевой сигнал, а пиковый детектор 12 опять начнет работать в накопительном режиме до тех пор, пока величины импульсов сигнала монотонно возрастут. Пусть величина (аз+1)-го импульса меньше, чем величина пц-го импульса, тогда на выходе компаратора 13 формируется второй ненулевой импульс, который открывает вентили 15 и 16. К этому моменту времени на вход вентиля 16 поступает цифровой сигнал с выхода арифметико-логического устройства 20, который равен разности очередного (п з+1)-го номера фотоприемника, поступающего на вход устройства 20 с выхода счетчика 18, и (m г+1)ro номера фотоприемника, поступающего на первый вход устройства вычитания 20 с выхода регистра 19 памяти. Таким образом, на (аз+1)-м такте на выходе вентиля 16 и всего устройства появляется k-разрядный цифровой сигнал, равный разности (аз-m)) номеров фотоприемников, которые регистрируют два максимальных значения интенсивности света, при пересечении кольцевым изображением частицы линейки фотоприемников и,соответственно, сигнал, пропорциональный диаметру частицы, Преимущества предлагаемого устройства заключаютсяв повышении точности измерений благодаря переходу от измерения ширины распределения интенсивности света в дифракционном изображении частицы к. измерению диаметра тонкого кольца, результаты которого не меняются при флуктуациях мощности лазера и движениях частицы.

Формула изобретения

1, Устройство для определения размеров микрочастиц,содержащее последовательно расположенные на одной оптиче1689770 ской оси лазер, коллиматор, оптическую кювету с исследуемой средой и линейку фотоприемников, выходы которых. соединены с соответствующими входами блока обработки информации, отл ич а ю щеес я тем, что, с целью повышения точности измерений, в устройство между оптической кюветой и линейкой фотоприемников дополнительно введен расположенный на оптической оси фурье-коррелятор, фильтр пространственных частот которого имеет функцию комплексного пропускания в виде

r exp(l p), где (r,p) — полярные координаты в частотной плоскости коррелятора.

2. Устройство по и 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что фильтр прог ранственных частот фурье-коррелятора выполнен в виде тонкой плоскопараллельной пластины, на одну сторону которой нанесено отражающее покрытие, коэффициент отражения t которого линейно убывает по радиусу в сог ответствии с формулой г - 1 -- —, а коэффиR асиент преломления материала пластины и линейно нарастает по углу в соответствии с формулой

+ по, Л ./3

2иб где п — постоянная составляющая показагеля преломления пластины,"

Л- длина волны света;

d — толщина пластины; . R — радиус пластины;, (r,ф) — полярные координаты, связанные с центром пластины.

3. Устройство поп.1, отл и ч а ю ще е. с я тем, что блок обработки информации содержит мультиплексор, усилитель, фильтр низких частот, первый и второй пиковые детекторы, первый и второй компараторы, триггер, первый, второй и третий вентили, генератор тактовой частоты, счет5 чик, регистр памяти и арифметически-логический блок вычитания, при этом информационные входы мультиплексора являются соответствующими входами блока обработки, а выход через последовательно

10 соединенные усилитель и фильтр низких частот соединен с первым входом первого компаратора, первым входом BTopol0 компаратора, входом второго пикового детектора, выход которого соединен с вторым

15 входом второго компаратора, и информационным входом первого пикового детектора, управляющий вход которого соединен с выходом BTopolo компаратора. а выход — с вторым входом первого компаратора, выход

20 которого соединен с первым входом третьего вентиля, первым входом первого вентиля и входом триггера. первый выход которого соединен с вторым входом третьего вентиля, а второй выход — с вторым вхо25 дом первого вентиля, выход которого соединен с первым входом второго вентиля, выход которого является выходом блока обработки, второй вход — с выходом арифметически-логического устройства вычитания, 30 первый вход которого соединен с выходом регистра памяти, информационный вход которого соединен с выходом третьего вентиля, а управляющий вход — с управляющим входом мультиплексора, вторым входом

35 арифметически-логического устройства вычитания и выходом счетчика, вход которого соединен с управляющими входами первого и второго компараторов и с выходом генератора тактовой частоты.

Составитель Л.Марголин

Редактор А.Козориз Техред М.Моргентал Корректор Л.Бескид

Заказ 3805 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж 35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101