CCD興起于20世紀(jì)70年代，是由一組規(guī)則排列的金屬-氧化物-半導(dǎo)體（ MOS）電容器陣列和輸入、輸出電路組成。它能夠利用時鐘脈沖電壓來產(chǎn)生和控制半導(dǎo)體勢阱的變化，完成對光的探測。不同于普通固態(tài)電子器件，CCD器件中信息的存在和表達(dá)方式為電荷，而不是電流或電壓，因此對信息的表達(dá)具有更高的靈敏度。按照感光單元的排列方式來劃分，CCD器件可以分為線陣CCD和面陣CCD。
傳統(tǒng)激光粒度儀采用環(huán)形光電二極管陣列作為探測器，但一般探測器只有 32 環(huán)，較低的空間分辨率限制了其在顆粒測量中的應(yīng)用。并且由于應(yīng)用量少，導(dǎo)致其成本非常高。近些年來，以面陣 CCD 為探測器的激光粒度儀得到了一定的發(fā)展，但在室溫條件下，面陣 CCD 容易受到暗電流的影響，動態(tài)范圍一般只有 20~30dB,且面陣CCD 存在價格高，尺寸小，采集電路設(shè)計復(fù)雜等缺陷。相比于面陣 CCD 探測器，線陣 CCD 具有分辨率高，動態(tài)響應(yīng)范圍寬等特點，并且可以對像素點進(jìn)行直接操作，具有更大的靈活性，因此能夠滿足不同環(huán)境條件下的顆粒粒度測量要求。目前，在不同工業(yè)領(lǐng)域，線陣 CCD 已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，如高性能文件打印、光譜掃描、光學(xué)字符識別等。由于應(yīng)用范圍廣，使得線陣 CCD 成本較低。所以采用線陣 CCD 探測器替代傳統(tǒng)探測器可以有效降低激光粒度儀的制造成本。
目前，激光粒度儀的光學(xué)結(jié)構(gòu)主要有前置式傅里葉透鏡光學(xué)結(jié)構(gòu)和后置式傅里葉透鏡光學(xué)結(jié)構(gòu)兩種，目前，依然采用前置式傅里葉透鏡光學(xué)結(jié)構(gòu)的激光粒度儀制造商有丹東百特、遼寧儀表研究所、成都精新以及國外的 Shimadzu、Sympatec 等公司。并且由于干法測量要求的特殊性，一般干法激光粒度儀也采用前置式傅里葉透鏡光學(xué)結(jié)構(gòu)。因此，本文主要對前置式傅里葉透鏡光學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行探討。線陣 CCD 具有 7450 個像素點，單位像素點的尺寸為 4.7×4.7μm，采用精度為8bit，采樣數(shù)據(jù)率為 30MHz。
隨著工業(yè)生產(chǎn)實踐的不斷進(jìn)步，針對小粒徑顆粒、不規(guī)則形狀顆粒和特殊材料顆粒的研究越來越深入。基于線陣 CCD 探測器的激光粒度儀測量性能需要從顆粒的散射光學(xué)模型、儀器的光學(xué)結(jié)構(gòu)和采集數(shù)據(jù)的反演算法三個方面來進(jìn)一步提高。
不管是 Mie 氏光散射理論還是夫瑯禾費衍射理論，其前提條件都是假設(shè)被測樣品為球形顆粒。而在實際社會生產(chǎn)過程中，顆粒的形狀往往是不規(guī)則的，采用傳統(tǒng)光散射理論描述顆粒的散射光強(qiáng)分布是不合適宜的，容易造成反演粒度分布偏離真實粒度分布。因此，建立更普適性的顆粒散射光學(xué)模型是提高激光粒度測量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。使用近似非負(fù)約束 Chin-Shifrin 算法是一種獲得準(zhǔn)確性更高的顆粒粒度分布的方法。
為了提高顆粒測量粒度范圍，擴(kuò)大線陣 CCD 的可測量散射角，建議采用漸變?yōu)V光片系統(tǒng)對中心艾里斑光強(qiáng)進(jìn)行濾光處理，獲取顆粒小角度散射光強(qiáng)信息，同時為了擴(kuò)大有效測量散射角，設(shè)計組合線陣 CCD 探測器，對大角度散射光進(jìn)行有效采集。另外，為了滿足不同社會生產(chǎn)需求，例如在線顆粒測量、超細(xì)顆粒粒度測量等。引入更高效的數(shù)據(jù)反演算法也迫在眉睫。
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