智能紧凑型微粒子分析仪为工业应用提供新的传感器
- 2020/2/20 10:05:19 13548
- 来源：传感器专家网
【仪表网 仪表研发】在许多工业和环境应用中，确定微观颗粒的大小和分布至关重要。例如，在制药工业中，对含有各种化学成分的颗粒进行在线测量和控制(在片剂固化之前)，可能会极大地提高终医疗产品的产量和质量。此外，我们呼吸的空气、喝的水和吃的食物也可能含有多种不健康的微粒，那么检测它们对于我们的健康至关重要。
(a)用于测量颗粒悬浮液的实验装置示意图，显示了由光纤耦合LED，CMOS图像传感器摄像头和聚合物角空间滤光片(ASF)组成的光学硬件。(b)ASF的工作原理：收集来自颗粒样品的散射光，直至达到特定的累积截止角，该截止角由孔的几何尺寸确定。为了简单起见，仅示出了两个孔，但是在初始实验中，使用了具有不同直径的23个孔。(c)ICFO的光学硬件实验室原型。
近日，在《光科学与应用》杂志上发表的一篇新论文中，来自西班牙的ICFO和IRIS、荷兰的Ipsumio B.V.、丹麦的技术大学、德国的德累斯顿理工大学和英国的利兹大学的欧洲科学家和工程师团队，将消费电子产品和人工智能技术相结合，研制出一种新型的微粒子分析仪。该微粒子分析仪在尺寸、重量和成本方面都小了一个数量级，而测量颗粒尺寸的精度至少可以与商用轻型光颗粒分析仪相媲美。
利兹大学(University of Leeds)化学过程工程教授、ProPAT技术经理弗朗斯•穆勒(Frans Muller)说：“由欧盟资助的ProPAT项目旨在为工业应用提供新的传感器，ICFO的创新就是一个很好的例子。在现实世界条件和工业中，中等规模测试的反馈将传感器从实验室设备转移到了潜在的工业环境中。”
传统上，激光衍射(LD)的粒度分析仪(PSA)被广泛应用于测量数百纳米到几毫米的粒度。在这样的设备中，激光聚焦在稀释的颗粒样品上，产生衍射(散射)图案，由一组光探测器测量，并利用成熟的散射理论转换成颗粒尺寸分布。这些设备精确可靠，但体积大(每个尺寸约为半米)、重量重(数十公斤)且价格昂贵(通常成本约为十万美元或更多)。此外，它们的复杂性以及经常需要训练有素的人员维护的事实，使得它们不切实际，例如在大多数在线工业应用中，通常需要在多个位置的处理环境中安装探针。
新开发的微粒子分析仪使用准直光束结构，使用简单的LED发光二极管(LED)和单个金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，类似于智能手机中使用的图像传感器。关键的创新点是用聚合物棒挤出的不同直径的孔阵列制成的小角度空间滤波器。在照亮目标样品时，光会散射并穿过ASF到达传感器上，从不同大小的孔收集的光代表了一组不同的散射角，一个自组织机器学习(ML)模型将传感器图像转换成粒子大小。同样的装置可以很容易地转换成一个雾度计，雾度计是表征多种光学材料的不可少的仪器。
该论文的第一作者和ICFO光电组的博士候选人鲁拜亚·侯赛因(Rubaiya Hussain)说：“这是非常令人兴奋的事情，看着一种简单的消费类光子器件是如何制造出来的，用LED和手机摄像头的简单组合、一种利用可伸缩光子晶体纤维和机器学习数据处理技术制造的创新型角度滤波器，就让我们制造出如此紧凑、廉价和精确的设备。”
为了验证新的微粒子分析仪，在液体分散体系中，研究人员在几种工艺浓度下测试了水和玻璃微珠的混合物，其尺寸在13-125微米之间。激光衍射系统无法测量如此高的浓度，因为光被多次散射，导致散射图案无法转化为粒子大小。使用随机森林机器学习算法，可以成功地分析来自新设备的数据，增加可以测量的颗粒大小和浓度的工作范围。
德累斯顿工业大学机械过程工程小组研究员Dipl.-Ing说，“我们使用巴塞罗那ICFO的微粒子分析仪装置，从不同粒径范围和标准玻璃珠浓度收集数据。根据所获得的结果和我们的经验，我们很高兴地看到，中值的百分之几的精度体积粒径(D50)在微米范围内可与其他测量技术(例如LD)相提并论。”
未来，光学硬件的改进也在设计中，研究人员正在进一步优化创新的ASF组件和改进数据捕获方法，以便为机器学习算法生成更大、更高保真度的数据集。未来的工作还将包括对非球形颗粒的分析，这些颗粒是用精心设计的干湿测量进样系统收集的，从而实现对一系列工业相关系统的高精度分析。
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