張敬慧

（海軍駐齊齊哈爾地區(qū)某部 齊齊哈爾 161041）

1 引言

發(fā)煙彈作為特種彈中一個品種，它在戰(zhàn)爭中起到特殊而重要的作用［1］。其煙幕的質(zhì)量濃度和粒度分布是影響煙幕遮蔽性能的主要因素。隨著新產(chǎn)品研發(fā)技術的不斷發(fā)展，要進一步提升發(fā)煙彈的效能必須對新型發(fā)煙劑的測試方法進行改進，從而選用最恰當?shù)牟牧虾团浔全@得最佳的發(fā)煙效能［2］?，F(xiàn)有的測試方法已不能完全滿足新產(chǎn)品研發(fā)需求，例如吸濕性煙幕的質(zhì)量濃度和粒度分布用濾膜稱重法、電子顯微鏡法就無法實現(xiàn)精確測量。而利用激光散射技術可以實現(xiàn)所有煙幕的質(zhì)量濃度和粒度分布測量。

2 試驗原理

米氏散射理論表明，當激光束遇到粒子阻擋時，一部分光將發(fā)生散射現(xiàn)象，散射光的傳播方向將與主光束的傳播方向形成一個夾角θ，θ角的大小與粒子的大小有關，粒子越大，產(chǎn)生的散射光的θ角就越小；粒子越小，產(chǎn)生的散射光的θ角就越大。即小角度（θ）的散射光是有大顆粒引起的；大角度（θ）的散射光是由小粒子引起的［3］。散射光的強度代表該粒徑粒子的數(shù)量。為了測量不同角度上的散射光的光強，需要運用光學手段對散射光進行處理。我們在光束中適當?shù)奈恢蒙戏胖靡粋€光學透鏡，在該透鏡后焦平面上放置一組多元光電探測器，不同角度的散射光通過光學透鏡照射到多元光電探測器上時，光信號將被轉換成電信號，再通過專用軟件對這些信號進行處理，就會準確地得到粒度分布。進而計算出煙幕質(zhì)量濃度［4］，測試原理見圖1。

3 實施技術途徑

3.1 煙幕粒子粒度分布的測量

粒度分布與入射光之間的光散射規(guī)律服從經(jīng)典的米氏理論（Mie Theory），它適用于一切大小和不同折射率的球形顆粒［5］。按照Mie理論，當一束強度為I0的自然光入射到各向同性的球形微粒時，其散射光強為

由光強公式（1），可求出單個煙幕粒子在多元光電探測器第n環(huán)上的散射光能為

圖1 試驗原理示意圖

圖2 粒子散射光能分布與粒度之間的關系

當測量區(qū)中有多個相同大小的粒子時，總散射光能是單個粒子散射光能與粒子數(shù)的乘積。而當出現(xiàn)在測量區(qū)中的所有粒子大小不等時，情況較為復雜。對此，可將這些出現(xiàn)在測量區(qū)中大小不一的粒子劃分為幾個組，每個組對應不同的粒徑區(qū)間，屬于某一個區(qū)間中的粒子可看作同等大?。?］。則在多元光電探測器第n環(huán)上的散射光能為來自于所有粒徑區(qū)間的全部粒子散射光能的累加，即

考慮到通常情況下粒度分布按照粒子在不同粒徑區(qū)間的重量劃分，上式可轉化成如下形式：

或改寫為

C″為常數(shù)（在數(shù)據(jù)處理過程中可忽略不計）。式（5）也可更簡單地寫成矩陣形式，即

上式就是用Mie散射理論計算粒子在光電探測器各環(huán)上散射光能分布的計算公式。由于Mie散射理論自身比較復雜，對它的各有關物理量的計算常需編制專門的計算程序方能進行。

式（5）或者式（6）建立了散射光能與粒徑之間的對應關系，如果粒子的尺寸分布(W1，W2，…，WK)已知，則由該式就可求得多元光電探測器上各個環(huán)的散射光能量(E1，E2，…，EM)。反之，如果由光電探測器檢測到某一粒子在各個環(huán)上的散射光能分布，通過逆運算能夠計算出與這個光能分布相對應的粒度分布。

目前所采用的逆運算方法大致上可以分為兩大類，即分布函數(shù)限定法（又稱非獨立模式法）及自由分布法（又稱獨立模式法）。

分布函數(shù)限定法和自由分布算法在求解粒徑分布時各有特點，不能絕對地說哪一個解法更好一些。分布函數(shù)限定解法的優(yōu)點是求解速度比較快，適用于被測粒子的尺寸分布規(guī)律已知的場合。自由分布算法雖然比較復雜一些，但它可以用于被測粒子的尺寸分布規(guī)律未知或其分布規(guī)律比較復雜的情況［8～9］。

分布函數(shù)限定法：在分布函數(shù)限定法中，預先假定被測顆粒的尺寸分布符合某個特定的函數(shù)規(guī)律，常用的有R-R分布和對數(shù)正態(tài)分布NG。

在R-R分布中，假定粒徑分布W即Wi≥0（i=1，2，…，K）滿足：

而在NG分布中，假定粒度分布滿足對數(shù)正態(tài)分布：

自由分布算法：自由分布算法較多，如迭代方法、投影算法、松弛算法、神經(jīng)網(wǎng)路方法等。本文采用了投影方法，即把線性方程組中的每一個線性方程看作多維空間中的一個平面，線性方程組的解就是這許多平面的一個交點。因此，在多維空間中任意一點出發(fā)依次向各個平面投影，每次投影得到的點作為下一次投影的出發(fā)點，如此循環(huán)。則投影點將無限逼近交點即線性方程組的解。

3.2 濃度的測量

多元光電探測器的中心設置一個小孔，小孔后安裝一個光電二極管，用于探測入射光強度和透射光信號強度。當測量區(qū)中不存在粒子時，接收到的是入射光強度；當存在粒子時，入射光中一部分光能被粒子散射和吸收，因此光電二極管的信號減弱，這種效應稱為消光現(xiàn)象。通常定義透射光的強度與入射光強度之比為透過率，用符號T表示，見圖3。

圖3 多元光電探測器示意圖

透過率與粒度分布組合可求解得到粒子濃度信息。透過率T和粒度分布函數(shù)W存在關系：

從理論上說，在不同濃度下測量得到的粒度分布函數(shù)應該一致的。而濃度不同導致透過率信號變化。因此，通過式（9），可以確定比例系數(shù)β并由此得到濃度CV。其關系如下：

然而，需要說明的是，以上關于粒度分布和濃度的測量都是建立在球形顆?；A上。而煙霧粒子通常是非球形的，因此，測量得到的粒度分布會與實際情況稍有差別，這也導致測量得到的濃度偏離真值。所以，應在實際測量中對每種樣品的球形度有個估計，或者對測量結果進行標定。

4 測試系統(tǒng)構成及技術參數(shù)

4.1 測試系統(tǒng)構成

測試系統(tǒng)根據(jù)Mie散射理論設計，由探測裝置、信號采集模塊和計算機三部分構成。其中：探測裝置包括激光發(fā)射器、擴束器、光學透鏡、測量區(qū)、接收透鏡、光電探測器、信號處理模塊等組成；數(shù)據(jù)采集模塊負責將探測裝置輸出的模擬信號轉化成數(shù)字信號送計算機處理；計算機需安裝的軟件包含了信號分析模塊、結果顯示模塊、結果打印模塊和結果保存調(diào)用模塊［10］。其中，探測裝置結構如圖4所示。

圖4 探測裝置示意圖

4.2 主要技術參數(shù)

探測裝置采用金屬材料（如鋁合金或不銹鋼等）加工，外徑約為100mm，測量區(qū)光程L=150mm，寬60mm；

半導體激光器輸出波長633μm、額定功率大于10mW；

粒徑測量范圍為：1μm～60μm；

透過率范圍為：0.3～0.95；

測量重復度優(yōu)于2%。

5 關鍵技術及解決方案

首先，可測量的粒子濃度存在上限（最大濃度）和下限（最小濃度），當粒子濃度過高時，光散射中包含復散射成份（即顆粒的散射光再次被散射）增加，這會導致測量結構偏離實際情況；當粒子濃度過低時，散射光信號較弱，測量容易受雜散光影響。因此，測量區(qū)長度應考慮實際的測量需求合理地設計，使可測量濃度的上限和下限覆蓋大部分測試情況，濃度范圍以透過率表示為0.3～0.95之間最佳。對應的濃度可依據(jù)粒子平均粒徑由如下公式計算：

其次，可測量的粒徑范圍也存在上限（即最大粒徑）和下限（最小粒徑），這涉及到接收透鏡焦距、光電探測器參數(shù)、測量區(qū)長度這些參數(shù)，而測量區(qū)長度又關聯(lián)到發(fā)射端和接收端光學系統(tǒng)的保護等技術問題?？紤]上述諸多因素采用了專門設計加工的多元光電探測器與焦距為150mm的接收透鏡搭配。其最佳測量粒徑范圍為1μm～60μm。

第三，探測裝置光學系統(tǒng)的防污染問題。煙塵顆粒很容易污染光學系統(tǒng)，這會影響系統(tǒng)的工作性能和使用壽命。系統(tǒng)采用保護氣達到防污染目的。在探測系統(tǒng)工作時，應調(diào)整供氣氣壓，即能保護光學系統(tǒng)不受污染，同時又要避免保護氣壓力過大導致測量區(qū)中粒子被吹散從而影響測量結果［11］。

6 數(shù)據(jù)處理結構設計

包含了信號分析模塊、結果顯示模塊，如圖5所示，結果打印模塊和結果保存調(diào)用模塊。其中，信號分析模塊：數(shù)據(jù)采集模塊將信號送入信號分析模塊，該模塊提供了三種分析模式，即Freedom分布模式、RR分布模式、NG分布模式。根據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊送入的中心孔信號和散射光信號演算出粒度分布和濃度數(shù)據(jù)信息。在測量中根據(jù)要求可以選擇三種模式中的一種。結果顯示模塊：模式分析出來的數(shù)據(jù)結果按三種方式進行顯示、單次采集的結果詳細信息顯示、包括兩根探針的顆粒分布詳細信息和關鍵結果顯示、數(shù)據(jù)對比圖、連續(xù)測量結果趨勢圖；結果輸出、保存模塊主要負責對計算機處理完成的數(shù)據(jù)進行打開、保存和打印預覽、打印的功能［12］。

圖5 結果顯示示意圖

7 結語

通過對可用于煙幕質(zhì)量濃度、粒度分布測量的原理及試驗設備技術實施途徑、結構設計、軟件設計等技術內(nèi)容進行了詳細論述。經(jīng)過驗證其原理正確、實施技術途徑可行、操作方便，只要對不同檢測對象的探測區(qū)長度、激光發(fā)射器輸出功率進行合理設計，并適當控制煙幕濃度等條件，文中論述的試驗設備完全可用于煙幕質(zhì)量濃度、粒度分布等物理參數(shù)的測量。