1　概述
　　關(guān)于材料的研究和生產(chǎn)過(guò)程經(jīng)常會(huì)涉及到顆粒狀材料的物理特性，例如粒度大小，比表面積等參數(shù)。顆粒的粒度分布以及顆粒的形狀對(duì)于最終產(chǎn)品的宏觀物理性能，例如抗沖擊性能、強(qiáng)度、流動(dòng)性等有著非常重要的影響。此外，面向材料宏觀物理性能發(fā)展的數(shù)學(xué)模擬和仿真也要求在數(shù)學(xué)建模之前得到關(guān)于顆粒大小和形狀的實(shí)際信息，所有這些都要求對(duì)顆粒的粒度和粒形進(jìn)行準(zhǔn)確分析。
　　目前測(cè)量顆粒粒度的方法很多，有篩分法，沉降法，激光衍射法，電阻法以及靜態(tài)圖像法。關(guān)于這些方法的詳細(xì)介紹可以參考有關(guān)書籍，這里就不贅述了。值得指出的是在激光衍射法中，其理論基礎(chǔ)是FRAUNHOFF衍射或者M(jìn)IE散射理論，這兩種方法都是根據(jù)顆粒在焦平面上形成的衍射以及散射信號(hào)的強(qiáng)弱來(lái)推算顆粒的大小。而傳統(tǒng)的圖像法中，是借助顯微鏡、攝像頭或數(shù)碼像機(jī)和圖形采集卡利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)采集的圖像進(jìn)行處理和計(jì)算，從而得到顆粒的大小以及形狀參數(shù)。考慮到這種方法單次所測(cè)到的顆粒個(gè)數(shù)較少，一般采用通過(guò)更換視場(chǎng)的方法進(jìn)行多次測(cè)量來(lái)提高測(cè)試結(jié)果的真實(shí)性。本文將針對(duì)這兩種方法的局限性，首先介紹使用激光通道利用時(shí)間轉(zhuǎn)換理論直接測(cè)量粒度分布，然后進(jìn)一步討論如何使用高分辨率顯微攝像頭進(jìn)行動(dòng)態(tài)顆粒粒形和粒度測(cè)量。
2　時(shí)間轉(zhuǎn)換理論
2.1　測(cè)量原理
　　時(shí)間轉(zhuǎn)換理論(Time of Transition，TOT)是指把時(shí)間域上的測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換為空間域上測(cè)量值。圖1給出了安米德(Ankersmid)粒度測(cè)量系統(tǒng)的示意圖，測(cè)量使用的是波長(zhǎng)為632.8nm的He-Ne 激光束（A），其功率為2MW,通過(guò)旋轉(zhuǎn)的楔形棱鏡（B）對(duì)樣品測(cè)量區(qū)域（G）進(jìn)行圓形掃描，測(cè)量顆粒位于樣品測(cè)量區(qū)域內(nèi)，它們可以是動(dòng)態(tài)的也可以是靜態(tài)的。
　　當(dāng)顆粒遮擋住旋轉(zhuǎn)中的激光束時(shí)，它就會(huì)引起PIN光電二極管（D）拾取的激光束信號(hào)強(qiáng)度的降低，這個(gè)時(shí)間的時(shí)刻為tB，由于激光束是在高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的，當(dāng)激光束掃過(guò)顆粒后，會(huì)引起PIN光電二極管（D）拾取的激光束信號(hào)強(qiáng)度的增加，這個(gè)時(shí)刻為tD(見圖2)。由于激光束的旋轉(zhuǎn)線速度v是已知的，因此該顆粒的大小d即可用下面的公式直接計(jì)算出來(lái): d=v·(tB-tD)
　　需要注意的是，對(duì)于一個(gè)球形顆粒，激光束不可能每次都是掃過(guò)球心（中心交互），也存在大量的非中心交互，如下圖3所示。然而，中心和非中心交互會(huì)在信號(hào)拾取端產(chǎn)生不同的交互信號(hào)，從而可以在軟件中通過(guò)特別設(shè)計(jì)的模式識(shí)別算法將非中心交互剔除。
2.2　特點(diǎn)
2.2.1　直接測(cè)量
　　從上面對(duì)于時(shí)間轉(zhuǎn)換理論(TOT)的基本原理的討論可以看出， TOT是直接對(duì)于每個(gè)單獨(dú)的顆粒進(jìn)行粒度測(cè)量的，而不是更據(jù)測(cè)得的其他特性例如衍射圖譜強(qiáng)度，電導(dǎo)率變化等二級(jí)特性等推算出來(lái)的，在這些二級(jí)特性里面含有很多不同顆粒交互作用和相互影響，這是TOT與其他粒度測(cè)量方法最大的不同。
2.2.2　與光學(xué)特性無(wú)關(guān)
　　在TOT粒度測(cè)量過(guò)程中，不像激光衍射或者散射理論那樣,需要知道材料的光學(xué)特性如折射指數(shù)等等，因此對(duì)于未知材料特性和參數(shù)的顆粒，特別是混合物顆粒的測(cè)量,因?yàn)榛旌衔镱w粒中不同材料的光學(xué)特性不同，很難計(jì)算其綜合光學(xué)特性值。因此使用時(shí)間轉(zhuǎn)換理論進(jìn)行粒度測(cè)量的結(jié)果更加客觀、準(zhǔn)確。
2.2.3　透明顆粒測(cè)量
　　對(duì)于透明顆粒（例如鉆石）的測(cè)量，激光衍射法很難進(jìn)行分析。但是如果使用TOT理論，透明度不同的顆粒會(huì)產(chǎn)生不同的交互信號(hào)，如圖4所示。透明顆粒由于其聚焦作用，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中間高的交互信號(hào)，如圖4(a)所示；不透明顆粒的交互信號(hào)和2.1節(jié)所述的信號(hào)一致，如圖4(c)所示；而半透明顆粒的交互信號(hào)介于兩者之間，如圖4(b)所示。通過(guò)軟件很容易識(shí)別出這些不同的交互信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)透明顆粒的測(cè)量。
　　此外，通過(guò)實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)并配合不同的測(cè)量池模塊，使用TOT可以測(cè)量高濃度樣品，基本不需對(duì)樣品進(jìn)行稀釋。對(duì)于特殊材料例如纖維、氣溶膠、低熔點(diǎn)的油脂和蠟等，安米德都提供不同的測(cè)量池模塊來(lái)滿足科研人員的需求。
3　動(dòng)態(tài)粒形分析
3.1　概述
　　材料科學(xué)研究的深入和對(duì)于數(shù)學(xué)建模的要求，使得材料基本參數(shù)日趨復(fù)雜，除了傳統(tǒng)的顆粒粒度大小和粒度分布，很多研究需要了解諸如弗雷特直徑(Feret Diameter)、長(zhǎng)細(xì)比(Aspect Ratio)、形狀因子(Shape Factor)、卷曲度(Curl Index)等關(guān)于顆粒粒形形貌的參數(shù)。例如對(duì)于圖5所示的兩種顆粒，很難僅僅用一個(gè)粒度大小來(lái)完整地描述它們。
3.2　基于圖像的粒形分析
　　傳統(tǒng)的粒形分析是靜態(tài)的，只能通過(guò)變換視場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)靜態(tài)樣品的觀測(cè)，耗時(shí)而且準(zhǔn)確度低。安米德研發(fā)的動(dòng)態(tài)粒形分析技術(shù)則在很大程度上提高了分析的精度并且縮短了分析所需的的時(shí)間。如圖1所示，顆粒處于正常流動(dòng)狀態(tài)中，視頻粒形分析通道采用一個(gè)高分辨率的CCD顯微攝像頭(F)配合圖像采集卡，提供對(duì)于測(cè)量區(qū)(C)焦點(diǎn)平面上的圖像，然后傳給圖像分析軟件進(jìn)行粒形分析計(jì)算。圖像的照明由一個(gè)同步頻閃光源(E)來(lái)提供，其強(qiáng)度和脈沖寬度都可以通過(guò)軟件來(lái)控制。采集到的圖像除了傳到計(jì)算機(jī)上的幀捕獲卡供分析以外，還可以顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上供研究人員進(jìn)行輔助觀察。
　　在圖像分析軟件中，軟件可以消除焦點(diǎn)外的顆粒、提供圖像增強(qiáng)和優(yōu)化和自動(dòng)照明校正等功能,以保證得到清晰的高質(zhì)量的圖像用于進(jìn)一步的粒形分析。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析，軟件還提供了宏語(yǔ)言支持，除了標(biāo)準(zhǔn)的宏語(yǔ)言模塊以外，還允許用戶根據(jù)自己的需求訂制自己的分析方法。功能強(qiáng)大的圖像分析軟件允許對(duì)多種粒形參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析計(jì)算,包括弗雷德直徑、面積、周長(zhǎng)、形狀因子、長(zhǎng)細(xì)比等，這些二維粒度粒形信息與激光分析數(shù)據(jù)形成了良好的互補(bǔ)。此外，軟件還設(shè)計(jì)有粒形參數(shù)過(guò)濾功能，剔除不滿足要求的顆粒，實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的應(yīng)用。
3.3　應(yīng)用舉例
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摘自《中國(guó)水泥》2004年 12月號(hào)