线阵CCD探测器 激光粒度仪降本增效的新希望

CCD兴起于20世纪70年代，是由一组规则排列的金属-氧化物-半导体（ MOS）电容器阵列和输入、输出电路组成。它能够利用时钟脉冲电压来产生和控制半导体势阱的变化，完成对光的探测。不同于普通固态电子器件，CCD器件中信息的存在和表达方式为电荷，而不是电流或电压，因此对信息的表达具有更高的灵敏度。按照感光单元的排列方式来划分，CCD器件可以分为线阵CCD和面阵CCD。

传统激光粒度仪采用环形光电二极管阵列作为探测器，但一般探测器只有 32 环，较低的空间分辨率限制了其在颗粒测量中的应用。并且由于应用量少，导致其成本非常高。近些年来，以面阵 CCD 为探测器的激光粒度仪得到了一定的发展，但在室温条件下，面阵 CCD 容易受到暗电流的影响，动态范围一般只有 20~30dB,且面阵CCD 存在价格高，尺寸小，采集电路设计复杂等缺陷。相比于面阵 CCD 探测器，线阵 CCD 具有分辨率高，动态响应范围宽等特点，并且可以对像素点进行直接操作，具有更大的灵活性，因此能够满足不同环境条件下的颗粒粒度测量要求。目前，在不同工业领域，线阵 CCD 已经得到广泛应用，如高性能文件打印、光谱扫描、光学字符识别等。由于应用范围广，使得线阵 CCD 成本较低。所以采用线阵 CCD 探测器替代传统探测器可以有效降低激光粒度仪的制造成本。

目前，激光粒度仪的光学结构主要有前置式傅里叶透镜光学结构和后置式傅里叶透镜光学结构两种，目前，依然采用前置式傅里叶透镜光学结构的激光粒度仪制造商有丹东百特、辽宁仪表研究所、成都精新以及国外的 Shimadzu、Sympatec 等公司。并且由于干法测量要求的特殊性，一般干法激光粒度仪也采用前置式傅里叶透镜光学结构。因此，本文主要对前置式傅里叶透镜光学结构进行探讨。线阵 CCD 具有 7450 个像素点，单位像素点的尺寸为 4.7×4.7μm，采用精度为8bit，采样数据率为 30MHz。基于线阵 CCD 的前置式傅里叶光学结构的激光粒度仪系统结构如下图所示。

（基于线阵 CCD 的前置式激光粒度仪系统结构示意图）

随着工业生产实践的不断进步，针对小粒径颗粒、不规则形状颗粒和特殊材料颗粒的研究越来越深入。基于线阵 CCD 探测器的激光粒度仪测量性能需要从颗粒的散射光学模型、仪器的光学结构和采集数据的反演算法三个方面来进一步提高。

不管是 Mie 氏光散射理论还是夫琅禾费衍射理论，其前提条件都是假设被测样品为球形颗粒。而在实际社会生产过程中，颗粒的形状往往是不规则的，采用传统光散射理论描述颗粒的散射光强分布是不合适宜的，容易造成反演粒度分布偏离真实粒度分布。因此，建立更普适性的颗粒散射光学模型是提高激光粒度测量准确性的关键。使用近似非负约束 Chin-Shifrin 算法是一种获得准确性更高的颗粒粒度分布的方法。

为了提高颗粒测量粒度范围，扩大线阵 CCD 的可测量散射角，建议采用渐变滤光片系统对中心艾里斑光强进行滤光处理，获取颗粒小角度散射光强信息，同时为了扩大有效测量散射角，设计组合线阵 CCD 探测器，对大角度散射光进行有效采集。另外，为了满足不同社会生产需求，例如在线颗粒测量、超细颗粒粒度测量等。引入更高效的数据反演算法也迫在眉睫。