激光测粒度

1 引言

微小颗粒态物质在日常生活和工业生产中有着很广泛的应用，尺寸的大小和分布情况直接关系到工业流程，产品质量以及能源消耗和生产过程的安全性。因此，准确方便地测量微小颗粒的直径（粒径）并得到粒径分布函数成为一个非常有意义的课题, 并由此发展了大量商业仪器。

迄今为止，在人们开发的多种利用微粒的物理性质确定其粒径分布的测量技术中，光散射技术以其非接触测量，方便快捷的特点而受到广泛关注[1]静态光散射法(即时间平均散射)测量散射光的空间分布规律，动态光散射则研究散射光在某固定空间位置的强度随时间变化的规律。动态光散射法理论较复杂、对实验装置的技术性能要求高、数据处理难度大。。根据光散射现象研究方向的不同，光散射技术可分为静态光散射法和动态光散射法。

2 基于米氏散射理论的激光粒度仪概述

静态光散射法的理论基础是米氏理论，米氏理论是以其创始人Gustav Mie命名的。Gustav Mie全名是Gustav Adolf Feodor Wilhelm Ludwig Mie，他于1908年在《Annalen der Phy sik》上发表了一篇论述微粒对光散射效应的论文。该论文开创了一个新的专业，其研究方向就是微粒对光的散射和吸收作用。

由米氏理论知当一束波长为，光强为的单色平面波照射到单个球形颗粒时，其散射光的光强分布为：

（1）

为入射光振动面与散射面的夹角，r 是观察点与散射体间的距离。强度函数i1，i2为：

（2）

其中，a i，b i为米氏系数，是粒子相对折射率m及无量纲参数的函数，可以用半整数阶贝塞尔函数和第二类汉克尔函数表示；

的勒让德和一阶缔合勒让德函数表示[2]。

由米氏理论我们可以得到不同粒径的颗粒的散射场光强的角分布量，选择适当的反演算法，就可得到样品的粒径分布状况。目前求粒径分布函数的方法主要有两种：非独立模式法（也称分布函数限制解法，Model dependent）和独立模式法（Model independent）[3]。非独立模式法就是预先假定被测微粒系统的粒径分布服从某个特定的分布函数，通常采用的是双参数分布函数，如正态分布函数，对数正态分布函数和Rosin-Rammler分布函数等。然后通过确定函数的参数来求得样品粒径分布。与之相反，独立模式则不对被测微粒系统的尺寸分布做任何假定，虽然过程很复杂，但理论上可以对任意分布的粒径体系进行求解。

人们把米氏理论进行了两种近似简化处理，当颗粒尺寸远小于入射光波长时，可看作瑞利散射；当颗粒尺寸远大于波长时，又可简化为夫琅和费衍射。一般可根据Van de Hulst参数P

来判定使用哪种近似计算。P＜0.3时，可作为瑞利散射处理；P>>30，适用夫琅和费衍射理

论；，则必须采用米氏理论分析（其中）[4]。

1963年，多宾斯（R.A.Dobbins）等人采用高压水银灯作光源，根据夫琅和费衍射理论首次成功实现了对粒子平均直径的测量。在光电接受部分使用微光度计测量散射光强分布，微光度计的径向位移用电容测微仪测量[5]。

1970年，由于激光、光电技术及电子计算机的迅速发展和广泛应用，戴克（R.H.Dieck）在多宾斯等人的基础上，以输出功率为1mw的氢氖激光器作光源，探测器用扫描微光度计，数据处理由计算机完成。1976年，斯威辛班克（J.Swithenbank）等人采用氦氖激光器作光源，用多元环形光电探测器接收散射光能的办法实现了对粒子尺寸及其分布的测量。他们提出的这一测量系统，后来由英国的Malvern公司发展成定型产品[5]，其原理见图1。

图1马尔文粒度仪原理图

1.激光器

2.扩束器

3.测量区

4.付立叶物镜

5.多元探测器

6.多路开关

7.放大电路

8.A/D电路9.接口电路10.计算机11.打印机12.对中显示

以夫朗和费衍射理论为指导设计的激光粒度仪，其原理是根据不同粒径的颗粒产生的衍射光随角度的分布不同，用阵列探测器探测激光通过颗粒后的衍射能量分布及其相应的衍射角度，由此反演出被测样品的粒径分布，其特点是被测颗粒粒径必须大于激光光波波长，通常根据此原理设计的仪器测量范围是3～1000微米，此项技术较为成熟[6,7]。国内外开发生产了许多相关产品，如英国马尔文公司，美国库尔特公司，美国布鲁克海文公司，德国SYMP ATEC GmbH公司，中国重庆大学、天津大学以及淄博分析仪器厂等机构[7]近些年来，研究人员不断探索，采用各种方法拓展测量范围，并实现产品小型化，以使其方便耐用。主要方法是把米氏理论与夫琅和费衍射理论结合起来并辅以大角度，多探测器，侧向辅助探测的接收方案

来拓展测量范围，使测量下限通常可以达到0.1微米，甚至更小。其典型产品有：。

1.英国马尔文公司开发的Mastersizer 2000激光粒度仪，测量范围：0.02～2000微米；

2.株式会社堀场所制作激光粒度分析仪LA-920，测量范围：0.02～2000微米；HORIB

A.LTD

3.珠海欧美克科技有限公司生产的LS800型激光粒度分析仪，测量范围：0.05～300微米；

4.济南润之科技有限公司生产的RISE-2008激光粒度仪，测量范围：0.02～800微米；

5.辽宁仪表研究所有限责任公司生产GSL-101BII激光粒度仪，测量范围：0.1～450微米；

6.成都精新粉体测试设备有限公司生产的JL-1177型激光粒度分布测试仪，测量范围：0.1～600微米；

7.丹东市百特仪器有限公司生产的BT-2002型激光粒度分布仪，测量范围：0.68～951微米；

8.济南微纳仪器有限公司生产的JL9200便携式激光粒度仪，测量范围：0.1～300微米；

9.丹东超威粉体技术有限公司生产的激光粒度分布仪cly-2000 系列，测量范围：0.18～570/0.67～1240微米；

10.济南微纳仪器有限公司生产的JL9200便携式激光粒度仪，测量范围：0.1～300微米；

由于不同类型的颗粒具有不同的物理及化学性质，国内外的公司和厂家也开发了具有针对性的激光粒度仪，使得激光粒度仪的应用更为广泛。比如济南润之科技有限公司采用超声分散法测量易团聚的超细颗粒；丹东市百特仪器有限公司采用包裹样品表面的方法测量磁性颗粒；珠海欧美克公司开发了干法粒度分析仪专门测量水泥或药品、磁性材料、淀粉等粉体样品等等。

3 结束语

通过科研人员的不懈努力，我们可以看到基于米氏散射理论和夫琅和费衍射理论的激光粒度仪的测量范围已经拓展到很宽的领域。然而在燃烧领域的研究中，人们希望把燃料粒子的尺寸和速度联系在一起。因而产生了一门新的测径技术——激光多普勒技术，它可以同时满足测量例子速度和粒子尺寸的要求。它的适用范围较宽，可以测量运动速度高达104m/s的粒子，尺寸范围为3µm-5mm。可以预计，对激光多普勒技术的深入研究将带给我们更多的惊喜[5]。