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0.3-0.6mm
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颗粒粒度检测装置
第一 产品研发背景介绍：
颗粒粒度传统检测方法如下：
1、微波法：利用微波在管内与流体颗粒相遇时所引起铁氧体元素的自旋效应, 造成微波波束的衰减，测量其衰减值分析出管道中颗粒的粒度。缺点：安装精度要求高，管内存在死区。
2、光电检测法：用光纤探头把光束引入测量区，测得运动微粒对光的感应信号，将该信号经计算机分析，最终得到微粒的粒度数据。缺点：准确性不高，维护成本昂贵。
3、温度法：在一定假设的基础上，根据流场多相混和后混和物的温度与颗粒质量浓度之间的对应关系来求得相应的颗粒浓度。缺点：不精确，是建立在假设的基础。
4、摩擦电法：运动的颗粒与插入流场的金属电极之间摩擦产生等量符号相反的静电荷，通过测量金属电极对地的静电流可以得到颗粒浓度。缺点：对人身的危害和环境的污染也比较严重。
5、能量法：流场混和物的总能量体现于混和物的流动动能和静压力之和。缺点：流场混和过程中的散热损失和压缩性被忽略。
传统检测方法的不足：非接触式:技术复杂、操作性不好、设备精密、现场适应能力不强、有时对人体还有危害。接触式：不能完全满足气固两相流的测量要求传统检测的局限和不足
第二 本装置简介：
1.产品使用原理
该实验的进行主要是应用光脉动法的原理进行计算，利用函数表现，颗粒通过光源与接收元件之间引起接收器接收的光强发生变化，引起相应输出的电压变化，直观的体现了光源与接收器间的颗粒浓度状态。
实验原理图 光束通过测量粒子，光照强度衰减如图（I0-入射光强度、I-通过光路透射光强度）
2.核心材料——光源
光源是该实验系统的重要组成部分，通过测试多款光源，我们发现激光具有集中度高、方向性好、亮度高、单色性好、相干性好等优点，是最为理想的光源选择。在本产品中利用激光的强穿透性来分析管道内颗粒的流动状态。通过对比我们选择半导激光器作为系统光源。半导激光器具有波长范围宽、效率高、体积较小、重量轻等优点被广泛应用。
半导体参数表
波长：650NM | 功率：5WM |
外形尺寸：直径8mm，长度21mm | 光路直径：3mm |
光斑：点状 | 输出波段：可见光 |
工作电压：2.8-5V | 工作电流：≤70mA |
光学透镜：亚克力镜片 | 工作寿命：8000小时以上 |
结构特点：高品质激光二极管+金属外壳+优质透镜+恒定功率电路板+导线 | |
半导体激光发射器
光电接受原件
考虑到激光发射器的激光是650nm的波长，选择光电接收元件时必须包含此波段，所以光接收元件可以选用硅光二极管。光电二极管的设计中，PN结的面积也十分重要，本实验需要选择面积较大的PN结，这样有利于接收入射光。
光电二极管结构图 半导体参数表
Item | Symbol | Conditions | Min | Typ | Max | Unit |
Open circuit voltage | VOC | EV=100Lx 2856K | 0.3 | V | ||
Short circuit current | ISC | 8 | μA | |||
Dark current | Id | VR=-1V | 1 | nA | ||
Terminal Capacitance | Ct | V=0V,f=10KHz | 100 | pF | ||
Spectral sensitivity | λ | 550 | 750 | nm | ||
Peak wavelength | λp | 650 | nm |
放大电路
由于我们所采用的硅光电二极管输出的信号是NA级的电流信号，不方便采集，因此我们需要对它进行放大处理使其方便我们进行测量和采集，并对其进行降噪处理以降低其他因素造成的干扰光电传感器在应用时必须配备合适的电路，通过Multism设计并模拟电路运行，成功将难以测量的NA级电流信号转换为方便测量的V级电压信号，并附带降噪功能以减少干扰。
放大电路 电路实物图
对数电路
光脉动的公式 I/I0=exp(-π/2LND2)可以通过变形发现浓度N与接收光强I为对数关系。成功设计出一个对数转换电路。
对数转换电路图 不使用对数电路信号 使用对数电路信号
实物
产品分为桌面式仪器和便携式仪器两类。实验室通过漏斗形成的颗粒流场，使用振动给料机输送，形成颗粒“瀑布”流场，产品在流场发生区采用双路激光测量，通过对数电路返回电流或电压信号，通过单片机输出。
装图
第二类为便携式，基于现有基础，进一步缩小了其尺寸，即设计为一个便携式装置，用于测量时可直接打开开关将其置于流场处，即可得到数据。
1-便携式颗粒粒度检测仪结构示意图 2-便携式颗粒粒度检测仪零件示意图 3-便携式装置实物图
第三 装置特点：
1、流场发生器结构均匀，能使物料连续流动；振动频率稳定，物料振散均匀
2、激光传感器集中度高、亮度高、方向性好、并且是单色光。效率高、体积较小、重量轻、波长范围宽
3、电路选用低温漂型放大器；降噪功能以减少干扰；低复杂度提高稳定性
4、显示和采集单片机：体积小可模块化应用；集成度高 ；低能耗显示器：体积小可显示文字图像；引脚对应单片机引脚
第四 产品性能检测（以0.55mm石英砂为例）
1.浓度
首先在采样频率1000Hz的条件下测得0.15、0.20、0.25、1nm粒径情况下电压信号，并根据电压和电流的正比例方程U=0.505I ，以及电流和光强的方程关系 I=1.01171i-1.6929作出图一（各粒径接收光强的变化）
粒径（mm） | I（cd） | Irms（cd） | I'0（cd） | Error% |
无颗粒 | 11.11709257 | 0 | 11.11709257 | 0 |
0.15 | 11.08045073 | 6.94 | 11.11 | 0.063 |
0.2 | 11.0756422 | 8.01 | 11.123 | 0.63 |
0.25 | 11.07159449 | 8.95 | 11.062 | 0.49 |
1 | 11.1046324 | 17.963 | / | / |
粒径 （mm） | I（cd） | I0（cd） | 单位测量体积颗粒数 | L（cm） | V（颗粒所占体积） | 实验浓度(/mm^3/s) | 质量流量 （g/mm） | 计算浓度 (/mm^3/s) |
0 | 11.11709257 | 11.11709257 | 0 | 5 | 0 | 0 | 0 | 0 |
0.15 | 11.08045073 | 11.117 | 6614130 | 5 | 25477.7 | 1685128.199 | 0.004231 | 1640931.145 |
0.2 | 11.0756422 | 11.117 | 6975880 | 5 | 10748.4 | 749795.4859 | 0.004078 | 667252.733 |
0.25 | 11.07159449 | 11.117 | 6365260 | 5 | 5503.2 | 350292.9883 | 0.003929 | 329107.4457 |
通过纵向对比，不同粒径的颗粒所得到的浓度大不相同。横向对比，实验浓度为本装置实验所得浓度，后面的计算浓度，则是通过质量流量计算所得出。二者差值较小，说明本装置实用可靠，可以做到测量出不同粒径的颗粒浓度。
2.粒径
通过质量流量Q=G*[(3.14*D3/6)*1.46*10-6]计算质量流量Q，则可通过此来列方程得到颗粒粒径D，经过计算验证两道光的颗粒粒径二者差值较小，都为0.55。如下表：
粒径 | N | v | 浓度G | 质量流量Q | 浓度(/mm^3/s) |
0.55 | 2681969.2 | 943.62 | 25307.59777 | 0.003101041 | 25307.59777 |
0.55 | 2653040.8 | 944.62 | 25061.154 | 0.003185814 | 25061.154 |
平均粒径为0.55mm的石英砂的粒径
由图可以看出，用于检测的石英砂大部分粒径在0.45-0.55mm之间。又从颗粒粒径占比图4.23中可以看出，所有颗粒粒径都在0.3-1.2mm的范围内，80%的颗粒粒径在0.3-0.6mm，其中大部分在0.5mm左右。可以看出本装置可以正确测量得到颗粒粒径信息。
石英砂的粒径堆积图 颗粒粒径占比图
由粒径堆积图可以看出，用于检测的石英砂大部分粒径在0.45-0.55mm之间。又从颗粒粒径占比图4.23中可以看出，所有颗粒粒径都在0.3-1.2mm的范围内，80%的颗粒粒径在0.3-0.6mm，其中大部分在0.5mm左右。可以看出本装置可以正确测量得到颗粒粒径信息。
3.质量流量
由上述Q=G*[(3.14*D3/6)*1.46*10-6]可得到流量曲线：
粒径 | N | v | 浓度G | 流量Q （mm^3/s） | 浓度(g/mm^3) | |
0.55 | 石英砂 | 2681969.2 | 943.62 | 25307.59777 | 0.003101041 | 25307.59777 |
0.55 | 2653040.8 | 944.62 | 25061.154 | 0.003185814 | 25061.154 | |
0.3 | 盐 | 5445005.3 | 3184.7 | 173407.0838 | 0.00378286 | 173407.0838 |
0.3 | 5439232.1 | 3185.7 | 173277.617 | 0.003574683 | 173277.617 | |
1.1 | 小米 | 10396287.3 | 64.6 | 6716.001596 | 0.001876493 | 6716.001596 |
1.1 | 4822339.23 | 64.6 | 3115.231143 | 0.003168105 | 3115.231143 | |
1.25 | 玉米粒 | 9792486 | 44.02 | 4310.652337 | 0.001604593 | 4310.652337 |
1.25 | 4643585 | 44.02 | 2044.106117 | 0.003050456 | 2044.106117 |
粒径为0.55mm的石英砂所得到流量曲线 颗粒特性信息表
由上述分析可知，通过消光法可以同时测得颗粒的浓度、粒径、质量流量。同理可得其他颗粒的特性信息
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