激光粒度仪应用与发展详解

激光器发出的激光束经聚焦、低通滤波和准直后，变成直径为 8~25mm 的 平行光。平行光束照到测量窗口内的颗粒后，发生散射。散射光经过傅立叶 透镜后，同样散射角的光被聚焦到探测器的同一半径上。一个探测单元输出 的光电信号就代表一个角度范围（大小由探测器的内、外半径之差及透镜的 焦距决定）内的散射光能量，各单元输出的信号就组成了散射光能的分布。 尽管散射光的强度分布总是中心大，边缘小，但是由于探测单元的面积总是 里面小外面大，所以测得的光能分布的峰值一般是在中心和边缘之间的某个 单元上。当颗粒直径变小时，散射光的分布范围变大，光能分布的峰值也随 之外移。所以不同大小的颗粒对应于不同的光能分布，反之由测得的光能分 布就可推算样品的粒度分布。
激光粒度仪应用与发展
材化12-1 张斌
激光粒度仪介绍
激光粒度仪是通过测量颗粒群的衍射光谱经计算机处理来分析其 颗粒分布的。它可用来测量各种固态颗粒、雾滴、气泡及任何两相悬 浮颗粒状物质的粒度分布、测量运动颗粒群的粒径分布。它不受颗粒 的物理化学性质的限制。该类仪器因具有超声、搅拌、循环的样品分 散系统，所以测量范围广（测量范围可0.02~2000微米，有的甚至更 宽）；自动化程度程度高；操作方便；测试速度快；测量结果准确、 可靠、重复性好。可广泛用于石油化工、陶瓷、染料、水泥、煤粉、 研磨材料、金属粉末、泥沙、矿石、雾滴、乳浊液等粒度的测定。如 国产JL、WJL系列激光粒度分析仪，英国产Mastersizer系列激光粒度 分析仪，以及可用来测定纳米级的PCS纳米粒度分析仪。
• 5）高度智能化，MS2000采用最先进的模块化设计思想，干、湿进样器转 换方便。当进样器与主机连接时，软件自动识别干法或湿法进样器。当操 作者遇到问题或对仪器操作不熟悉时，可以通过软件提示功能解决问题。
• 6）结果报告形式多样，可提供粒度分布数据、图形、平均值、中数粒径 、峰值等大量信息。根据用户要求，粒度可自由分级，自由修改报告界面 ，加所需内容。所有操作无需重新编程。所得数据和图形可和WINDOWS应用 软件（如Microsoft Word，Excel）动态连接。
、液体样品，都可以在30s之内完成光路校正、背景扣除、取样（6000次） 、数据处理、报告生成等全部操作。 • 3)真正的激光衍射方法，完全符合1997年颁布的ISO13320激光衍射方法 粒度分析国际标准。 • 4）MS2000具有SOP（Standard Operation Programme）功能，即标准操作 规程。在软件的指引下完成设置和自动操作，消除人为操作误差和外部环 境影响误差。所以SOP特别适合跨地域的质量控制，为不同试验室的试验数 据对比带来了方便。在水利行业，可保证各泥沙室的颗粒分析在相同控制 参数下完成，使资料更具一致性。
测量下限是激光粒度仪重要的技术指标。激光粒度仪光学结构的改进基 本上都是为了扩展其测量下限或是小颗粒段的分辨率基本思路是增大散射光 的测量范围、测量精度或者减少照明光的波长。
激光粒度仪的结构
仪器系统的组成主要包括三部分， 1）主机（光学元件），标志为MasterSizer2000；主机用来收集测量样品
1 在泥沙分析中的应用
田岳明等人在长江泥沙分析研究中的应用时共采集了长江干流(上、中、 下游)和一级支流汉江的 23 个具有较广泛代表性水文测站的309组悬移质泥 沙样品和35组床沙样品，分别进行常规粒、吸结合法颗粒分析和激光法颗粒 分析，并进行样品颗粒级配测试。收集对比分析资料得出结果为，激光粒度 仪分析稳定(重复)性较好，精确度较高；激光粒度仪在粒径大于 0.031 mm 以上与传统法相比系统偏差较小，而以下则系统偏差较大，同组粒径累积百 分数最大相差达60%，一般表现为粒径越小、相差越大。另外，不同河段、不 同沙样条件下，激光粒度仪与传统粒吸法分析泥沙颗粒级配两者之间相关关 系复杂、随机性大；即使是在同一河段、同一单站，也不是理论上一一对应 函数关系，而是存在对应的差异性。
激光粒度仪的应用
基于光散射理论的激光粒度仪已经广泛用于粉末冶金、薄膜、 膜片料、催化剂、绝缘材料、润滑油、超导体、无线电技术等行 业,涉及化学、制药、食品、建材等工业领域并发挥着越来越大的 作用。激光粒度仪可以直接测定大气中烟尘与灰尘在不同时间、 不同位置的含量,从而得出大气中烟尘灰尘时间-空间分布图,为解决 环境污染和全球性气候预测起到一定的指导作用。近年来,大气污 染、金属氧化物和水力部门对江河的检测等都是激光粒度仪应用 的新焦点。
激光粒度仪经典的光路如图所示。它由发射、接受和测量窗口等三部分组成。发射部分由光源 和光束处理器件组成，主要是为仪器提供单色的平行光作为照明光。接收器是仪器光学结构的关键。 测量窗口主要是让被测样品在完全分散的悬浮状态下通过测量区，以便仪器获得样品的粒度信息。
接收器由傅立叶透镜和光电探测器阵列组成。所谓傅立叶透镜就是针对物方在无限远，像方在后 焦面的情况消除像差的透镜。激光粒度仪的光学结构是一个光学傅立叶变换系统，即系统的观察面 为系统的后焦面。由于焦平面上的光强分布等于物体（不论其放置在透镜前的什么位置）的光振幅 分布函数的数学傅立叶变换的模的平方，即物体光振幅分布的频谱。激光粒度仪将探测器放在透镜 的后焦面上，因此相同传播方向的平行光将聚焦在探测器的同一点上。探测器由多个中心在光轴上 的同心圆环组成，每一环是一个独立的探测单元。这样的探测器又称为环形光电探测器阵列，简称 光电探测器阵列。
内粒度大小的原始数据。 2）附件（进样器），标识为Hydro2000G(普通湿法)；附件唯一的目的就是
将样品分散混匀充分并传送到主机以便于测量。 3）计算机和Malvern测量软件；Malvern软件可定义、控制整个测量过程，
并同时处理测量的粒度分布数据、显示结果并打印报告。
仪器主要性能指标：
• 1）单量程检测范围0.02～2000μｍ的颗粒直径，无需更换镜头。 • 2）检测速度快，扫描速度1000次/s。任何粒度分布在此范围之内的固体
测量基本原理
激光粒度仪是根据颗粒能使激光产生散射这一物理现象测试粒度 分布的。由于激光具有很好的单色性和极强的方向性，所以一束平行 的激光在没有阻碍的无限空间中ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ会照射到无限远的地方，并且在传 播过程中很少有发散的现象。当光束遇到颗粒阻挡时，一部分光将发 生散射现象。散射光的传播方向将与主光束的传播方向形成一个夹角 θ。散射理论和结果证明，散射角θ的大小与颗粒的大小有关，颗粒 越大，产生的散射光的θ角就越小；颗粒越小，产生的散射光的θ角 就越大。