颗粒粒径和混合比测量方法、装置、电子设备及存储介质

1.本发明涉及光散射颗粒检测技术领域，特别是涉及一种颗粒粒径和混合比测量方法、装置、电子设备及存储介质。


背景技术：

2.客观真实地反映离散状态颗粒的粒度大小和浓度是一项非常重要的工作，对离散状态颗粒的粒度大小和浓度进行测量，在动力、化工、医药、环保、水利、材料等领域中具有广泛应用背景。颗粒测量方法从最开始离线测量的显微镜方法等发展到如今的动态图像法、光散射法以及超声法等在线实时监测方法。其中光散射法因设备成本低、装置简单易实现以及测量快速等有点得以迅速发展。
3.消光法是光散射颗粒测量技术中的一种，其原理简单、操作方便、测量范围较宽、测量结果准确且速度快，可广泛应用于悬浮粉尘、火焰烟尘、磨损颗粒、湿蒸汽、乳剂等颗粒尺寸和浓度分析。自然界中的颗粒多种多样，且在一些情况下会互相掺杂混合，这些混合颗粒系的消光特征不同于单一颗粒系，混合颗粒的类型、比例都会对其消光谱产生影响，而传统的光散射建模和算法只能应用于单一颗粒系中，已经无法满足各类实用中的测试要求和精度。
4.综上所述，传统的光散射颗粒测量方法易受到混合颗粒的影响，且在颗粒测量中测量精度较差。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够对混合颗粒进行测量且测量精度较好的颗粒粒径和混合比测量方法、装置、电子设备及存储介质。
6.本发明提供了一种颗粒粒径和混合比测量方法，所述方法包括：
7.通过对混合有第一固体颗粒和第二固体颗粒的两相系统进行消光法测量获取对应的实验消光谱，所述第一固体颗粒和第二固体颗粒为两种不同类型的固体颗粒；
8.通过计算获取所述第一固体颗粒和第二固体颗粒在光波作用下的消光系数；
9.通过计算获取所述第一固体颗粒和第二固体颗粒的反照率，并判断对应光子是否被散射；若所述对应光子被散射，则
10.获取光子发生散射时的散射角以及所述光子发生相邻两次散射之间的随机自由步长；
11.基于所述光子发生散射时的散射角确定出射光子的出射方向，通过计算获取所述混合有第一固体颗粒和第二固体颗粒的两相系统对应的理论消光谱；
12.基于所述实验消光谱和理论消光谱获取目标函数，所述目标函数用于求解所述第一固体颗粒和第二固体颗粒的粒径和混合数目比。
13.在其中一个实施例中，所述通过对混合有第一固体颗粒和第二固体颗粒的两相系统进行消光法测量获取对应的实验消光谱，包括：
14.当所述测量区域内不含所述固体颗粒时，在所述测量区域内通过接收器接收来自激光发射器的激光，并获取第一接收信号；
15.当所述测量区域内含有所述固体颗粒时，在所述测量区域内通过接收器接收来自所述激光发射器的激光，并获取第二接收信号；
16.基于所述第一接收信号和第二接收信号获取所述激光的多个波长的信号强度谱，以获取对应不同波长的实验消光谱；
17.其中，所述第一接收信号为所述测量区域不含所述固体颗粒对应的激光信号，所述第二接收信号为所述测量区域含有所述固体颗粒对应的激光信号。
18.在其中一个实施例中，所述通过计算获取所述第一固体颗粒和第二固体颗粒在光波作用下的消光系数，之前包括：
19.采用蒙特卡罗方法模拟光散射过程，并将散射过程中的入射光离散化成多个非连续的光子以建立概率模型；
20.基于光子与颗粒之间的相互作用获取所述光子的运动方向，所述运动方向用于描述所述光子与固体颗粒作用后的被吸收和被散射过程。
21.在其中一个实施例中，所述通过计算获取所述第一固体颗粒和第二固体颗粒在光波作用下的消光系数，包括：
22.当所述光子与所述固体颗粒发生碰撞时，通过线性同余法产生的随机数判断所述固体颗粒的类型；
23.在所述固体颗粒具有所述被吸收和被散射过程时，通过计算获取所述消光系数。
24.在其中一个实施例中，所述通过计算获取所述第一固体颗粒和第二固体颗粒的反照率，并判断对应光子是否被散射，包括：
25.基于所述消光系数，获取对应散射截面和消光截面的反照率，所述反照率为所述散射截面和消光截面的比值；
26.若所述随机数大于所述反照率，则所述光子被吸收，若所述随机数小于等于所述反照率，则所述光子被散射。
27.在其中一个实施例中，所述获取光子发生散射时的散射角以及所述光子发生相邻两次散射之间的随机自由步长，包括：
28.在所述光子碰撞所述固体颗粒发生散射后，通过henyey-greenstein相函数确定所述散射角；
29.基于所述散射角以及光子散射后的散射方向获取所述光子的运动轨迹，并通过计算获取所述随机自由步长。
30.在其中一个实施例中，所述基于所述光子发生散射时的散射角确定出射光子的出射方向，通过计算获取所述混合有第一固体颗粒和第二固体颗粒的两相系统对应的理论消光谱，包括：
31.基于所述光子在所述测量区域中的坐标和相邻散射间的随机自由步长，获取所述光子首次发生散射时的坐标；
32.根据所述光子与固体颗粒的碰撞类型、散射角以及随机自由步长判断所述光子在所述固体颗粒中的传输过程，若所述光子被吸收，则停止所述传输过程，若所述光子被散射，则继续所述传输过程；
33.通过统计获取到达所述接收器的光子数目，基于所述光子数目获取所述理论消光谱。
34.本发明还提供了一种颗粒粒径和混合比测量装置，所述装置包括：
35.测量模块，用于通过对混合有第一固体颗粒和第二固体颗粒的两相系统进行消光法测量获取对应的实验消光谱，所述第一固体颗粒和第二固体颗粒为两种不同类型的固体颗粒；
36.第一获取模块，用于通过计算获取所述第一固体颗粒和第二固体颗粒在光波作用下的消光系数；
37.判断模块，用于通过计算获取所述第一固体颗粒和第二固体颗粒的反照率，并判断对应光子是否被散射；若所述对应光子被散射，则
38.第二获取模块，用于获取光子发生散射时的散射角以及所述光子发生相邻两次散射之间的随机自由步长；
39.第三获取模块，用于基于所述光子发生散射时的散射角确定出射光子的出射方向，通过计算获取所述混合有第一固体颗粒和第二固体颗粒的两相系统对应的理论消光谱；
40.函数构造模块，用于基于所述实验消光谱和理论消光谱获取目标函数，所述目标函数用于求解所述第一固体颗粒和第二固体颗粒的粒径和混合数目比。
41.本发明还提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述任一种所述的颗粒粒径和混合比测量方法。
42.本发明还提供了一种计算机存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述的颗粒粒径和混合比测量方法。
43.上述颗粒粒径和混合比测量方法、装置、电子设备及存储介质，通过对混合有两种不同类型固体颗粒的两相系统进行消光法测量来获取对应的实验消光谱，随后通过计算获取这两种不同类型的固体颗粒在光波作用下的消光系数。然后，通过计算获取这两种不同类型固体颗粒的反照率，并判断对应光子是否被散射，若对应光子被散射，则获取光子发生散射时的散射角以及光子发生相邻两次散射之间的随机自由步长。根据出射的光子进行出射方向统计，并通过计算获取混合有两种类型固体颗粒的两相系统对应的理论消光谱。最后以实验消光谱和理论消光谱为基础获取目标函数，通过该目标函数求解这两种类型颗粒的粒径和混合数目比。该方法考虑了具有两种不同颗粒的混合颗粒系的消光谱预测，并结合消光谱构建的目标函数求解该混合颗粒系的颗粒粒径和混合比，不再局限于单一固体颗粒的测量，能够进行混合颗粒的测量，降低了固体颗粒测量中其他固体颗粒的干扰，进而提高了颗粒测量的准确性。
附图说明
44.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
45.图1为本发明提供的颗粒粒径和混合比测量方法流程示意图之一；
46.图2为本发明提供的颗粒粒径和混合比测量方法流程示意图之二；
47.图3为本发明提供的颗粒粒径和混合比测量方法流程示意图之三；
48.图4为本发明提供的颗粒粒径和混合比测量方法流程示意图之四；
49.图5为本发明提供的颗粒粒径和混合比测量方法流程示意图之五；
50.图6为本发明提供的颗粒粒径和混合比测量方法流程示意图之六；
51.图7为本发明提供的颗粒粒径和混合比测量方法流程示意图之七；
52.图8为本发明提供的具体实施例中颗粒粒径和混合比测量方法的测量原理示意图；
53.图9为本发明提供的具体实施例中颗粒粒径和混合比测量方法的光子传输去向统计图；
54.图10为本发明提供的具体实施例中颗粒粒径和混合比测量方法的消光谱示意图；
55.图11为本发明提供的颗粒粒径和混合比测量装置的结构示意图；
56.图12为本发明提供的计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
57.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
58.下面结合图1-图12描述本发明的颗粒粒径和混合比测量方法、装置、电子设备及存储介质。
59.如图1所示，在一个实施例中，一种颗粒粒径和混合比测量方法，包括以下步骤：
60.步骤s110，通过对混合有第一固体颗粒和第二固体颗粒的两相系统进行消光法测量获取对应的消光值，第一固体颗粒和第二固体颗粒为两种不同类型的固体颗粒。
61.具体的，服务端通过在测量区域内对混合有两种不同类型固体颗粒的两相系统进行消光法测量，来获取对应的实验消光谱。
62.步骤s120，通过计算获取第一固体颗粒和第二固体颗粒在光波作用下的消光系数。
63.具体的，服务端通过计算获取第一固体颗粒和第二固体颗粒在光波作用下的消光系数，第一固体颗粒和第二固体颗粒即为步骤s110中的两相系统中的两种不同类型的固体颗粒。
64.其中，消光系数q
ext
由下式计算：
[0065][0066]
式中，
[0067]
式中，
[0068]
式中，j
l+1/2
(α)和h
l+1/2
(α)分别为半整数阶贝塞尔函数和第一类汉克尔函数，α为
无因次粒径尺寸，α＝2πr/λ。当颗粒具有吸收特性时，颗粒折射率m＝n-iη的虚部不为零，而当颗粒对光无吸收时，则折射率虚部η为零，此时吸收系数q
abs
等于零，即消光系数等于散射系数，q
ext
＝q
sca
。对于不同颗粒类型，其粒径、折射率不同，则所对应的消光系数也不同，将两种颗粒的消光系数分别记为q
ext，1
与q
ext，2
。
[0069]
步骤s130，通过计算获取第一固体颗粒和第二固体颗粒的反照率，并判断对应光子是否被散射。
[0070]
具体的，服务端根据步骤s120中计算得到的消光系数，定义散射截面和消光截面比值为反照率a，以此判断光子碰撞颗粒后可能发生事件：
[0071]
a＝q
sca
/q
ext
。
[0072]
通过线性同余法产生的随机数ε2与反照率的大小作比较，反照率依据前面判断的颗粒类型进行选择，此时，聚苯乙烯的反照率为a1＝q
ext，1
/q
sca，1
、高密度玻璃的反照率为a2＝q
ext，2
/q
sca，2
：
[0073][0074]
若光子被吸收，则不会被接收器接收，若发生散射，则需要计算光子散射后的散射角及散射自由程。
[0075]
步骤s140，若对应光子被散射，则获取光子发生散射时的散射角以及光子发生相邻两次散射之间的随机自由步长。
[0076]
具体的，在光子被散射时，服务端获取光子发生散射时的散射角以及光子发生相邻两次散射之间的随机自由步长。
[0077]
其中，光子碰撞颗粒发生散射后，散射角由henyey-greenstein相函数确定，散射角θ0的抽样表示为：
[0078][0079]
式中，是线性同余法产生的[0，1]范围内的随机数，g是不对称因子，可由mie散射理论计算。确定光子散射方向后，进一步追踪光子的运动轨迹，计算光子发生相邻的两次散射之间的随机自由步长l可表示为：
[0080][0081]
式中，ε
l
是线性同余法产生的[0，1]范围内的随机数，浊度τ可由消光系数与颗粒系数目浓度确定。
[0082]
步骤s150，基于光子发生散射时的散射角确定出射光子的出射方向，通过计算获取混合有第一固体颗粒和第二固体颗粒的两相系统对应的理论消光谱。
[0083]
具体的，服务端根据出射的光子进行出射方向统计，以发射器中心点为原点，设光子的初始出射坐标为(x0，y0)：
[0084]
[0085]
式中，ε3为线性同余法产生的[0，1]范围内的随机数，此时，光子散射方向θ1＝θ0，入射光为平行光，因此θ0＝0。结合光子进入样品池的坐标与相邻散射间的随机自由步长，光子首次发生散射的坐标(x1，y1)可以表示为：
[0086][0087]
光子在颗粒介质中的传输过程通过碰撞类型判断、散射角及散射随机自由步长计算公式获取，若光子被吸收，则传输过程终止，反之，过程继续。光子在第n次散射时光子散射方向为θn＝θ
n-1
+θ0，第n次碰撞颗粒的位置可表示为：
[0088][0089]
通过统计最终到达接收器的光子数目n，即可计算得到理论消光谱：
[0090]
e＝ln(i/i0)＝ln(n/n
set
)。
[0091]
式中，n为接收透射光子总数，n
set
为设定光子数，一般光子样本容量为10万至100万。
[0092]
步骤s160，基于实验消光谱和理论消光谱获取目标函数，目标函数用于求解第一固体颗粒和第二固体颗粒的粒径和混合数目比。
[0093]
具体的，服务端根据步骤s110中得到的实验消光谱以及步骤s150中计算得到的理论消光谱构造目标函数：
[0094][0095]
其中，λi为已知波长，r1、r2、φ为待定参数，em为实验消光谱，e为理论消光谱。通过对目标函数j进行优化求解，获得颗粒粒径和混合比，优化过程可以通过particle swarm optimization(pso，粒子群优化)算法实现，同时不排除其他最优算法。
[0096]
上述颗粒粒径和混合比测量方法，通过对混合有两种不同类型固体颗粒的两相系统进行消光法测量来获取对应的实验消光谱，随后通过计算获取这两种不同类型的固体颗粒在光波作用下的消光系数。然后，通过计算获取这两种不同类型固体颗粒的反照率，以判断对应光子是否被散射，若对应光子被散射，则获取光子发生散射时的散射角以及光子发生相邻两次散射之间的随机自由步长。根据出射的光子进行出射方向统计，并通过计算获取混合有两种类型固体颗粒的两相系统对应的理论消光谱。最后以实验消光谱和理论消光谱为基础获取目标函数，通过该目标函数求解这两种类型颗粒的粒径和混合数目比。该方法考虑了具有两种不同颗粒的混合颗粒系的消光谱预测，并结合消光谱构建的目标函数求解该混合颗粒系的颗粒粒径和混合比，不再局限于单一固体颗粒的测量，能够进行混合颗粒的测量，降低了固体颗粒测量中其他固体颗粒的干扰，进而提高了颗粒测量的准确性。
[0097]
如图2所示，在一个实施例中，本发明提供的颗粒粒径和混合比测量方法，通过对混合有第一固体颗粒和第二固体颗粒的两相系统进行消光法测量获取对应的实验消光谱，包括以下步骤：
[0098]
步骤s112，当测量区域内不含固体颗粒时，在测量区域内通过接收器接收来自激
光发射器的激光，并获取第一接收信号。
[0099]
具体的，当测量区域内不含固体颗粒时，服务端在测量区域内通过接收器接收来自激光发射器的激光，并获取测量区域内不含有固体颗粒对应的信号。
[0100]
步骤s114，当测量区域内含有固体颗粒时，在测量区域内通过接收器接收来自激光发射器的激光，并获取第二接收信号。
[0101]
具体的，当测量区域内含有固体颗粒时，服务端在测量区域内通过接收器接收来自激光发射器的激光，并获取测量区域内含有固体颗粒对应的信号。
[0102]
步骤s116，基于第一接收信号和第二接收信号获取激光的多个波长的信号强度谱，以获取对应不同波长的实验消光谱。
[0103]
具体的，服务端基于步骤s112和步骤s114中得到的第一接收信号和第二接收信号获取激光对应测量区域内不含有或含有固体颗粒对应的不同波长的信号强度谱，获取对应不同波长的实验消光谱。
[0104]
如图3所示，在一个实施例中，本发明提供的颗粒粒径和混合比测量方法，通过计算获取第一固体颗粒和第二固体颗粒在光波作用下的消光系数，之前包括以下步骤：
[0105]
步骤s310，采用蒙特卡罗方法模拟光散射过程，并将散射过程中的入射光离散化成多个非连续的光子以建立概率模型。
[0106]
具体的，服务端采用蒙塔卡罗方法模拟光散射的过程，并将安设过程中的入射光离散化成多个非连续的光子以建立对应的概率模型。
[0107]
步骤s320，基于光子与颗粒之间的相互作用获取光子的运动方向，运动方向用于描述光子与固体颗粒作用后的被吸收和被散射过程。
[0108]
具体的，服务端基于光子与固体颗粒之间的相互作用获取光子的运动方向，并通过该运动方向描述光子与固体颗粒作用后被吸收和被散射的过程。
[0109]
如图4所示，在一个实施例中，本发明提供的颗粒粒径和混合比测量方法，通过计算获取第一固体颗粒和第二固体颗粒在光波作用下的消光系数，包括以下步骤：
[0110]
步骤s122，当光子与固体颗粒发生碰撞时，通过线性同余法产生的随机数判断固体颗粒的类型。
[0111]
具体的，当光子与固体颗粒发生碰撞时，通过线性同余法产生的随机数判断固体颗粒的类型。
[0112]
步骤s124，在固体颗粒具有被吸收和被散射过程时，计算并获取消光系数。
[0113]
具体的，在固体颗粒具有被吸收和被散射的过程时，计算并获取对应的消光系数。
[0114]
如图5所示，在一个实施例中，本发明提供的颗粒粒径和混合比测量方法，通过计算获取第一固体颗粒和第二固体颗粒的反照率，并判断对应光子是否被散射，包括以下步骤：
[0115]
步骤s132，基于消光系数，获取对应散射截面和消光截面的反照率，反照率为散射截面和消光截面的比值。
[0116]
具体的，服务端基于上述获取到的消光系数获取对应散射截面和消光截面的反照率之间的比值，即反照率。
[0117]
步骤s134，若随机数大于反照率，则光子被吸收，若随机数小于等于反照率，则光子被散射。
[0118]
具体的，若随机数大于步骤s132中得到的反照率，则判定光子被吸收，若随机数小于等于该反照率，则判定光子被散射。
[0119]
如图6所示，在一个实施例中，本发明提供的颗粒粒径和混合比测量方法，获取光子发生散射时的散射角以及光子发生相邻两次散射之间的随机自由步长，包括以下步骤：
[0120]
步骤s142，在光子碰撞固体颗粒发生散射后，通过henyey-greenstein相函数确定散射角。
[0121]
具体的，服务端在光子碰撞固体颗粒发生散射后，通过henyey-greenstein相函数确定相应的散射角。
[0122]
步骤s144，基于散射角以及光子散射后的散射方向获取光子的运动轨迹，并通过计算获取随机自由步长。
[0123]
具体的，服务端基于散射角以及光子散射后的散射方向获取光子的运动轨迹，基于该运动轨迹计算并获取对应的随机自由步长。
[0124]
如图7所示，在一个实施例中，本发明提供的颗粒粒径和混合比测量方法，基于光子发生散射时的散射角确定出射光子的出射方向，通过计算获取混合有第一固体颗粒和第二固体颗粒的两相系统对应的理论消光谱，包括以下步骤：
[0125]
步骤s152，基于光子在测量区域中的坐标和相邻散射间的随机自由步长，获取光子首次发生散射时的坐标。
[0126]
具体的，服务端基于光子在测量区域中的坐标和相邻散射间的随机自由步长，获取该光子首次发生散射时的坐标。
[0127]
步骤s154，根据光子与固体颗粒的碰撞类型、散射角以及随机自由步长判断光子在固体颗粒中的传输过程，若光子被吸收，则停止传输过程，若光子被散射，则继续传输过程。
[0128]
其中，碰撞类型即为光子与固体颗粒发生碰撞后是被吸收还是被散射的两种情况。
[0129]
具体的，服务端通过光子与固体颗粒的碰撞类型、散射角以及随机自由步长判断光子在固体颗粒中的传输过程，若该光子被吸收，则停止该光子在固体颗粒中的传输过程，若该光子被散射，则继续该光子在固体颗粒中的传输过程。
[0130]
步骤s156，通过统计获取到达接收器的光子数目，基于光子数目获取理论消光谱。
[0131]
具体的，服务端通过统计获取到达接收器的光子数目，并基于统计的光子数目获取该光子对应的理论消光谱。
[0132]
在具体的实施例中，本发明提供一种颗粒粒径和混合比测量方法，将蒙特卡罗方法引入混合颗粒系的消光测量，计算理论消光谱，再结合混合颗粒两相体系的消光谱测量和最优化算法计算。参见图8所示，首先，由激光发射器发出一束平行光，在距离发射器s＝45mm处有一样品池为测量区，样品池厚度为l＝10mm，距离样品池s＝45mm处布置有接收器，发射器与接收器的直径均为d
t
＝dr＝1mm，发射器发射波长为λ＝0.4～0.8μm。当测量区域不含颗粒时，激光透过被测区域后由接收器接收，接收信号为i0，当测量区混有两种颗粒类型，聚苯乙烯颗粒的半径为r1，高密度玻璃颗粒的半径为r2，其中高密度玻璃颗粒所占数目比为混合比φ，混合颗粒系体积浓度为cv＝2
×
10-5
，颗粒粒径与混合比为待测量，激光透过被测区域接收到的信号为i。对于可见光，可获得多个波长的信号强度谱，对应不同波长获
得消光谱ln[i0/i]。
[0133]
随后，采用蒙特卡罗方法模拟散射过程，将入射光离散化成大量非连续的光子建立概率模型，通过光子与颗粒之间的相互作用统计光子去向，描述其与颗粒作用后的吸收、散射过程，光子经发射器出射后进入样品池，若光子和颗粒发生碰撞，需要通过线性同余法产生的随机数ε1判断颗粒类型是聚苯乙烯颗粒或是高密度玻璃颗粒：
[0134][0135]
颗粒有吸收和散射过程时，需计算颗粒在光波作用下的消光系数q
ext
，由下式计算：
[0136][0137]
式中，
[0138]
其中，
[0139]
式中，j
l+1/2
(α)和h
l+1/2
(α)分别为半整数阶贝塞尔函数和第一类汉克尔函数，α为无因次粒径尺寸，α＝2πr/λ。当颗粒具有吸收特性时，颗粒折射率m＝n-iη的虚部不为零，而当颗粒对光无吸收时，则折射率虚部η为零，此时吸收系数q
abs
等于零，即消光系数等于散射系数，q
ext
＝q
sca
。对于不同颗粒类型，其粒径、折射率不同，则所对应的消光系数也不同，将两种颗粒的消光系数分别记为q
ext，1
与q
ext，2
。
[0140]
然后根据计算得到的消光系数，定义散射截面和消光截面比值为反照率a，以此判断光子碰撞颗粒后可能发生事件：
[0141]
a＝q
sca
/q
ext
。
[0142]
通过线性同余法产生的随机数ε2与反照率的大小作比较，反照率依据前面判断的颗粒类型进行选择，此时，聚苯乙烯的反照率为a1＝q
ext，1
/q
sca，1
、高密度玻璃的反照率为a2＝q
ext，2
/q
sca，2
：
[0143][0144]
若光子被吸收，则不会被接收器接收，若发生散射，则需要计算光子散射后的散射角及散射自由程。
[0145]
在本实施例中，光子碰撞颗粒发生散射后，散射角由henyey-greenstein相函数确定，散射角θ0的抽样表示为：
[0146][0147]
式中，是线性同余法产生的[0，1]范围内的随机数，g是不对称因子，可由mie散射理论计算。确定光子散射方向后，进一步追踪光子的运动轨迹，计算光子发生相邻的两次散射之间的随机自由步长l可表示为：
[0148][0149]
式中，ε
l
是线性同余法产生的[0，1]范围内的随机数，浊度τ可由消光系数与颗粒系数目浓度确定。
[0150]
结合图8所示，假设光束沿着x轴方向传播，平行光入射。以发射器中心点为原点，光子的初始出射坐标(x0，y0)：
[0151][0152]
式中，ε3为线性同余法产生的[0，1]范围内的随机数，此时，光子散射方向θ1＝θ0，入射光为平行光，因此θ0＝0。结合光子进入样品池的坐标与相邻散射间的随机自由步长，光子首次发生散射的坐标(x1，y1)可以表示为：
[0153][0154]
光子在颗粒介质中的传输过程通过碰撞类型判断、散射角及散射随机自由步长计算公式获取，若光子被吸收，则传输过程终止，反之，过程继续。光子在第n次散射时光子散射方向为θn＝θ
n-1
+θ0，第n次碰撞颗粒的位置可表示为：
[0155][0156]
通过统计最终到达接收器的光子数目n，即可计算得到理论消光谱：
[0157]
e＝ln(i/i0)＝ln(n/n
set
)。
[0158]
式中，n为接收透射光子总数，n
set
为设定光子数，一般光子样本容量为10万至100万。结合图9所示，选取10万光子数进行传输，模拟r＝0.2μm的聚苯乙烯颗粒的光子去向，可以看出在给定粒径下，随着波长增大透射光子数逐渐增多。按光散射理论，波长增大，亚微米区颗粒的无因次参数α(α＝2πr/λ)减小，再结合计算随机自由步长的公式，光子准直透射的概率增大。由于接收器位置相对样品池较远，光子准直透射的概率增大。由于接收器位置对样品池较远，被接收的光子发生散射的概率很小，其随光波长增大而减小，且以单散射为主。发生逃逸的光子数随光波长增大而逐渐减小，其中以前向逃逸为主。结合图10所示，当两种颗粒粒径不同时，r1＝0.2μm、r2＝0.15μm，按不同混合比φ混合的消光谱分布，可以看出，随着入射光波长的增大，不同混合比的消光谱呈递减趋势，受高密度玻璃消光系数变化的影响，其消光谱递减趋势不同，说明高密度玻璃份额的增加对消光谱趋势影响较大。
[0159]
根据计算得到的理论消光谱获取实验消光谱构造的目标函数：
[0160][0161]
其中，λi为已知波长，r1、r2、φ为待定参数，em为实验消光谱，e为理论消光谱。通过对目标函数j进行优化求解，获得颗粒粒径和混合比，优化过程可以通过particle swarm optimization(pso，粒子群优化)算法实现，同时不排除其他最优算法。
[0162]
上述颗粒粒径和混合比测量方法，在消光测量中，入射光由于受到颗粒介质的散
射和吸收，透射光强度会衰减，通过建立理论模型描述该过程并计算理论消光谱，并用光谱仪测量消光谱，之后通过将理论模型计算和实验消光谱进行对比，采用二者误差最小化的方法求得混合颗粒系的粒径和混合比。目前用于消光谱粒径和浓度测量的理论模型仅仅考虑了只包含一种类型颗粒物两相介质中的光能衰减机理，而没有考虑两相介质中包含了两种颗粒的情况，但是由于颗粒类型不同，颗粒物性参数的不同在光波长作用下造成光能衰减，这导致以往采用的单种理论模型不再适用，并可能导致颗粒粒径测量结果误差。该方法通过蒙特卡罗的方法描述光能在两种混合颗粒物的介质中的波动，并计算此种情况下的消光谱，进而获得一种可以用于两种颗粒混合情况下的颗粒粒径和混合比的测量方法，在实验室科学研究以及在线测量和工业现场均具有较好的实用性。
[0163]
下面对本发明提供的颗粒粒径和混合比测量装置进行描述，下文描述的颗粒粒径和混合比测量装置与上文描述的颗粒粒径和混合比测量方法可相互对应参照。
[0164]
如图11所示，在一个实施例中，一种颗粒粒径和混合比测量装置，包括测量模块1110、第一获取模块1120、判断模块1130、第二获取模块1140、第三获取模块1150和函数构造模块1160。
[0165]
测量模块1110用于通过对混合有第一固体颗粒和第二固体颗粒的两相系统进行消光法测量获取对应的实验消光谱，第一固体颗粒和第二固体颗粒为两种不同类型的固体颗粒。
[0166]
第一获取模块1120用于通过计算获取第一固体颗粒和第二固体颗粒在光波作用下的消光系数。
[0167]
判断模块1130用于通过计算获取第一固体颗粒和第二固体颗粒的反照率，并判断对应光子是否被散射。若对应光子被散射，则
[0168]
第二获取模块1140用于获取光子发生散射时的散射角以及光子发生相邻两次散射之间的随机自由步长。
[0169]
第三获取模块1150用于基于光子发生散射时的散射角确定出射光子的出射方向，通过计算获取混合有第一固体颗粒和第二固体颗粒的两相系统对应的理论消光谱。
[0170]
函数构造模块1160用于基于实验消光谱和理论消光谱获取目标函数，目标函数用于求解第一固体颗粒和第二固体颗粒的粒径和混合数目比。
[0171]
在本实施例中，本发明提供的颗粒粒径和混合比测量装置，测量模块具体用于：
[0172]
当测量区域内不含固体颗粒时，在测量区域内通过接收器接收来自激光发射器的激光，并获取第一接收信号。
[0173]
当测量区域内含有固体颗粒时，在测量区域内通过接收器接收来自激光发射器的激光，并获取第二接收信号。
[0174]
基于第一接收信号和第二接收信号获取激光的多个波长的信号强度谱，以获取对应不同波长的实验消光谱。
[0175]
其中，第一接收信号为测量区域不含固体颗粒对应的激光信号，第二接收信号为测量区域含有固体颗粒对应的激光信号。
[0176]
在本实施例中，本发明提供的颗粒粒径和混合比测量装置，还包括模拟模块，用于：
[0177]
采用蒙特卡罗方法模拟光散射过程，并将散射过程中的入射光离散化成多个非连
续的光子以建立概率模型。
[0178]
基于光子与颗粒之间的相互作用获取光子的运动方向，运动方向用于描述光子与固体颗粒作用后的被吸收和被散射过程。
[0179]
在本实施例中，本发明提供的颗粒粒径和混合比测量装置，第一获取模块具体用于：
[0180]
当光子与所述固体颗粒发生碰撞时，通过线性同余法产生的随机数判断固体颗粒的类型。
[0181]
在固体颗粒具有被吸收和被散射过程时，通过计算获取消光系数。
[0182]
在本实施例中，本发明提供的颗粒粒径和混合比测量装置，判断模块具体用于：
[0183]
基于消光系数，获取对应散射截面和消光截面的反照率，反照率为散射截面和消光截面的比值。
[0184]
若随机数大于反照率，则光子被吸收，若随机数小于等于反照率，则光子被散射。
[0185]
在本实施例中，本发明提供的颗粒粒径和混合比测量装置，第二获取模块具体用于：
[0186]
在光子碰撞固体颗粒发生散射后，通过henyey-greenstein相函数确定散射角。
[0187]
基于散射角以及光子散射后的散射方向获取光子的运动轨迹，并通过计算获取随机自由步长。
[0188]
在本实施例中，本发明提供的颗粒粒径和混合比测量装置，第三获取模块具体用于：
[0189]
基于光子在测量区域中的坐标和相邻散射间的随机自由步长，获取光子首次发生散射时的坐标。
[0190]
根据光子与固体颗粒的碰撞类型、散射角以及随机自由步长判断光子在固体颗粒中的传输过程，若光子被吸收，则停止传输过程，若光子被散射，则继续传输过程。
[0191]
通过统计获取到达接收器的光子数目，基于光子数目获取理论消光谱。
[0192]
图12示例了一种电子设备的实体结构示意图，该电子设备可以是智能终端，其内部结构图可以如图12所示。该电子设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器和网络接口。其中，该电子设备的处理器用于提供计算和控制能力。该电子设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该电子设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现颗粒粒径和混合比测量方法，该方法包括：
[0193]
通过对混合有第一固体颗粒和第二固体颗粒的两相系统进行消光法测量获取对应的实验消光谱，第一固体颗粒和第二固体颗粒为两种不同类型的固体颗粒；
[0194]
通过计算获取第一固体颗粒和第二固体颗粒在光波作用下的消光系数；
[0195]
通过计算获取第一固体颗粒和第二固体颗粒的反照率，并判断对应光子是否被散射；若对应光子被散射，则
[0196]
获取光子发生散射时的散射角以及光子发生相邻两次散射之间的随机自由步长；
[0197]
基于光子发生散射时的散射角确定出射光子的出射方向，通过计算获取混合有第一固体颗粒和第二固体颗粒的两相系统对应的理论消光谱；
[0198]
基于实验消光谱和理论消光谱获取目标函数，目标函数用于求解第一固体颗粒和第二固体颗粒的粒径和混合数目比。
[0199]
本领域技术人员可以理解，图12中示出的结构，仅仅是与本发明方案相关的部分结构的框图，并不构成对本发明方案所应用于其上的电子设备的限定，具体的电子设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
[0200]
另一方面，本发明还提供了一种计算机存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现颗粒粒径和混合比测量方法，该方法包括：
[0201]
通过对混合有第一固体颗粒和第二固体颗粒的两相系统进行消光法测量获取对应的实验消光谱，第一固体颗粒和第二固体颗粒为两种不同类型的固体颗粒；
[0202]
通过计算获取第一固体颗粒和第二固体颗粒在光波作用下的消光系数；
[0203]
通过计算获取第一固体颗粒和第二固体颗粒的反照率，并判断对应光子是否被散射；若对应光子被散射，则
[0204]
获取光子发生散射时的散射角以及光子发生相邻两次散射之间的随机自由步长；
[0205]
基于光子发生散射时的散射角确定出射光子的出射方向，通过计算获取混合有第一固体颗粒和第二固体颗粒的两相系统对应的理论消光谱；
[0206]
基于实验消光谱和理论消光谱获取目标函数，目标函数用于求解第一固体颗粒和第二固体颗粒的粒径和混合数目比。
[0207]
又一方面，提供了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。电子设备的处理器从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令时实现颗粒粒径和混合比测量方法，该方法包括：
[0208]
通过对混合有第一固体颗粒和第二固体颗粒的两相系统进行消光法测量获取对应的实验消光谱，第一固体颗粒和第二固体颗粒为两种不同类型的固体颗粒；
[0209]
通过计算获取第一固体颗粒和第二固体颗粒在光波作用下的消光系数；
[0210]
通过计算获取第一固体颗粒和第二固体颗粒的反照率，并判断对应光子是否被散射；若对应光子被散射，则
[0211]
获取光子发生散射时的散射角以及光子发生相邻两次散射之间的随机自由步长；
[0212]
基于光子发生散射时的散射角确定出射光子的出射方向，通过计算获取混合有第一固体颗粒和第二固体颗粒的两相系统对应的理论消光谱；
[0213]
基于实验消光谱和理论消光谱获取目标函数，目标函数用于求解第一固体颗粒和第二固体颗粒的粒径和混合数目比。
[0214]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，该计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本发明所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可编程rom(eprom)、电可擦除可编程rom(eeprom)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(ram)或者外部高速缓冲存储器。
[0215]
作为说明而非局限，ram以多种形式可得，诸如静态ram(sram)、动态ram(dram)、同
步dram(sdram)、双倍数据率sdram(ddrsdram)、增强型sdram(esdram)、同步链路(synchlink)dram(sldram)、存储器总线(rambus)直接ram(rdram)、直接存储器总线动态ram(drdram)、以及存储器总线动态ram(rdram)等。
[0216]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0217]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种颗粒粒径和混合比测量方法，其特征在于，所述方法包括：通过对混合有第一固体颗粒和第二固体颗粒的两相系统进行消光法测量获取对应的实验消光谱，所述第一固体颗粒和第二固体颗粒为两种不同类型的固体颗粒；通过计算获取所述第一固体颗粒和第二固体颗粒在光波作用下的消光系数；通过计算获取所述第一固体颗粒和第二固体颗粒的反照率，并判断对应光子是否被散射；若所述对应光子被散射，则获取光子发生散射时的散射角以及所述光子发生相邻两次散射之间的随机自由步长；基于所述光子发生散射时的散射角确定出射光子的出射方向，通过计算获取所述混合有第一固体颗粒和第二固体颗粒的两相系统对应的理论消光谱；基于所述实验消光谱和理论消光谱获取目标函数，所述目标函数用于求解所述第一固体颗粒和第二固体颗粒的粒径和混合数目比。2.根据权利要求1所述的颗粒粒径和混合比测量方法，其特征在于，所述通过对混合有第一固体颗粒和第二固体颗粒的两相系统进行消光法测量获取对应的实验消光谱，包括：当所述测量区域内不含所述固体颗粒时，在所述测量区域内通过接收器接收来自激光发射器的激光，并获取第一接收信号；当所述测量区域内含有所述固体颗粒时，在所述测量区域内通过接收器接收来自所述激光发射器的激光，并获取第二接收信号；基于所述第一接收信号和第二接收信号获取所述激光的多个波长的信号强度谱，以获取对应不同波长的实验消光谱；其中，所述第一接收信号为所述测量区域不含所述固体颗粒对应的激光信号，所述第二接收信号为所述测量区域含有所述固体颗粒对应的激光信号。3.根据权利要求1所述的颗粒粒径和混合比测量方法，其特征在于，所述通过计算获取所述第一固体颗粒和第二固体颗粒在光波作用下的消光系数，之前包括：采用蒙特卡罗方法模拟光散射过程，并将散射过程中的入射光离散化成多个非连续的光子以建立概率模型；基于光子与颗粒之间的相互作用获取所述光子的运动方向，所述运动方向用于描述所述光子与固体颗粒作用后的被吸收和被散射过程。4.根据权利要求3所述的颗粒粒径和混合比测量方法，其特征在于，所述通过计算获取所述第一固体颗粒和第二固体颗粒在光波作用下的消光系数，包括：当所述光子与所述固体颗粒发生碰撞时，通过线性同余法产生的随机数判断所述固体颗粒的类型；在所述固体颗粒具有所述被吸收和被散射过程时，通过计算获取所述消光系数。5.根据权利要求4所述的颗粒粒径和混合比测量方法，其特征在于，所述通过计算获取所述第一固体颗粒和第二固体颗粒的反照率，并判断对应光子是否被散射，包括：基于所述消光系数，获取对应散射截面和消光截面的反照率，所述反照率为所述散射截面和消光截面的比值；若所述随机数大于所述反照率，则所述光子被吸收，若所述随机数小于等于所述反照率，则所述光子被散射。6.根据权利要求5所述的颗粒粒径和混合比测量方法，其特征在于，所述获取光子发生
散射时的散射角以及所述光子发生相邻两次散射之间的随机自由步长，包括：在所述光子碰撞所述固体颗粒发生散射后，通过henyey-greenstein相函数确定所述散射角；基于所述散射角以及光子散射后的散射方向获取所述光子的运动轨迹，并通过计算获取所述随机自由步长。7.根据权利要求5所述的颗粒粒径和混合比测量方法，其特征在于，所述基于所述光子发生散射时的散射角确定出射光子的出射方向，通过计算获取所述混合有第一固体颗粒和第二固体颗粒的两相系统对应的理论消光谱，包括：基于所述光子在所述测量区域中的坐标和相邻散射间的随机自由步长，获取所述光子首次发生散射时的坐标；根据所述光子与固体颗粒的碰撞类型、散射角以及随机自由步长判断所述光子在所述固体颗粒中的传输过程，若所述光子被吸收，则停止所述传输过程，若所述光子被散射，则继续所述传输过程；通过统计获取到达所述接收器的光子数目，基于所述光子数目获取所述理论消光谱。8.一种颗粒粒径和混合比测量装置，其特征在于，所述装置包括：测量模块，用于通过对混合有第一固体颗粒和第二固体颗粒的两相系统进行消光法测量获取对应的实验消光谱，所述第一固体颗粒和第二固体颗粒为两种不同类型的固体颗粒；第一获取模块，用于通过计算获取所述第一固体颗粒和第二固体颗粒在光波作用下的消光系数；判断模块，用于通过计算获取所述第一固体颗粒和第二固体颗粒的反照率，并判断对应光子是否被散射；若所述对应光子被散射，则第二获取模块，用于获取光子发生散射时的散射角以及所述光子发生相邻两次散射之间的随机自由步长；第三获取模块，用于基于所述光子发生散射时的散射角确定出射光子的出射方向，通过计算获取所述混合有第一固体颗粒和第二固体颗粒的两相系统对应的理论消光谱；函数构造模块，用于基于所述实验消光谱和理论消光谱获取目标函数，所述目标函数用于求解所述第一固体颗粒和第二固体颗粒的粒径和混合数目比。9.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。10.一种计算机存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。

技术总结
本发明涉及一种颗粒粒径和混合比测量方法、装置、电子设备及存储介质，包括：通过对混合有第一固体颗粒和第二固体颗粒的两相系统进行消光法测量获取对应的实验消光谱，第一固体颗粒和第二固体颗粒为两种不同类型的固体颗粒。通过计算获取第一固体颗粒和第二固体颗粒在光波作用下的消光系数。通过计算获取第一固体颗粒和第二固体颗粒的反照率，并判断对应光子是否被散射。若光子被散射，则获取光子发生散射时的散射角以及光子发生相邻两次散射之间的随机自由步长。根据光子的出射方向，通过计算获取混合有第一固体颗粒和第二固体颗粒的两相系统对应的理论消光谱。基于实验消光谱和理论消光谱获取目标函数，求解固体颗粒的粒径和混合数目比。粒径和混合数目比。粒径和混合数目比。


技术研发人员：黄茜 苏格毅 宋延勇 苏明旭
受保护的技术使用者：上海理工大学
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/7/7