激光粒度仪

激光粒度分析仪

摘要:激光粒度分析仪是根据光的散射原理测量粉颗粒大小的，是一种比较通用的粒度仪。其特点是测量的动态范围宽、测量速度快、操作方便，尤其适合测量粒度分布范围宽的粉体和液体雾滴。对粒度均匀的粉体，比如磨料微粉，要慎重选用。

激光粒度仪集成了激光技术、现代光电技术、电子技术、精密机械和计算机技术，具有测量速度快、动态范围大、操作简便、重复性好等优点，现已成为全世界流行的粒度测试仪器。

关键字:工作原理系统构成参数

引言：在工农业生产和研究中，很多原材料和产品都以粉体的形态存在着，粉体在生产中占有举足轻重的地位。粉体的粒度分布可以影响到产品的质量和性能，因此，在粉体行业，有效控制与测量粉体的粒度分布，对提高产品质量、降低能源消耗、控制环境污染、保护人类的健康具有重要意义。

粒度测试仪器是用物理的方法测试固体颗粒的大小和分布的一种仪器，在建筑、涂料、石油、医药、环保、食品等领域有广泛地应用。粒度仪根据测试原理的不同分为沉降式粒度仪、沉降天平、激光粒度仪、光学颗粒计数器、电阻式颗粒计数器、颗粒图像分析仪等。其中，激光粒度仪作为一种以激光作为探测光源的新型粒度测试仪器，因其测试速度快、测试范围宽、重复性和真实性好、操作简单等特点，已经在粉体加工、应用与研究领域得到广泛应用。

激光粒度分析仪是根据光的散射原理测量粉颗粒大小的，是一种比较通用的粒度仪。其特点是测量的动态范围宽、测量速度快、操作方便，尤其适合测量粒度分布范围宽的粉体和液体雾滴。对粒度均匀的粉体，比如磨料微粉，要慎重选用。

激光粒度仪集成了激光技术、现代光电技术、电子技术、精密机械和计算机技术，具有测量速度快、动态范围大、操作简便、重复性好等优点，现已成为全世界流行的粒度测试仪器。

激光粒度仪作为一种新型的粒度测试仪器，已经在其它粉体加工与应用领域得到广泛的应用。它的特点是测试速度快、重复性好、准确性好、操作简便。对提高产品质量、降低能源消耗有重要意义。

一、激光粒度仪的工作原理

以夫琅禾费衍射和Mie散射为指导设计的激光粒度仪，原理是根据不同粒径的颗粒产生的衍射光角度的不同和不同数量的颗粒产生的散射光强度的不同,利用阵列探测器将投射到其上面的散射光能线性的转换成电压，然后送到采集卡，该卡将电信号放大，再进行A/D转换后送入计算机，按事先编制的程序，根据米散射理论进行数据处理，把散射谱空间分布反演为颗粒大小的分布，由此繁衍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波长，通常此原理设计的仪器测量范围是3-1000um，原理图见图1。

图1 激光粒度仪系统原理图

1、米氏散射基本理论

米氏散射理论是德国人G.Mie于1908年提出的，他利用电磁场的麦克斯

韦方程进行推导，得出关于光散射的严格解。具体指出在均匀介质中的各向同性的球形粒子在单色平行光的照射下，发生散射与该粒子直径、粒子与介质间的折射率、入射光波长之间的关系。

米氏散射理论表明，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，θ角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。即小角度(θ)的散射光是有大颗粒引起的；大角度(θ1)的散射光是由小颗粒引起的。如图2所示。

图2 不同粒径的颗粒产生不同角度的散射光

2、米氏散射的近似—夫琅禾费衍射

将夫琅禾费衍射理论与几何散射 (包括折射和反射 )相结合 ,给出平行光入射下圆形颗粒在前向大角度范围内的散射光强分布近似算法。由于考虑了衍射、折射和反射相互间的干涉效应和颗粒对光的吸收性 ,对于正常或非正常衍射状态下无因次参量α≥ 40的耗散颗粒 ,在前向 0°～ 60°散射之内 ,该方法对散射光强计算结果与米氏理论结果是吻合的。由于计算速度比米氏理论快 ,有效角度范围比夫琅禾费衍射理论宽 ,因而适合于大颗粒的前向光强计算。将这一计算方法应用到大角度采光时的激光粒度测量实验中。

二、激光粒度仪系统结构及其参数：

图3 双波长、双光束的透镜后傅立叶变换结构

红色激光源：一般采用He-Ne激光器，输出波长为632.8nm

傅里叶透镜：焦距为180mm

蓝色光源：波长为466nm的固体光源

干法测量范围：0.1-2500um

湿法测量范围：0.04-2500um

电源：110-240 V, 50/60 Hz, <100 VA

重复性： < 1%

准确率：< 3%

三、各组成部分的原理

1、光学系统

（1）红色激光源

由于激光具有很好的单色性和极强的方向性，所以在没有阻碍的无限空间中激光将会照射到无穷远的地方，并且在传播过程中很少有发散的现象。如图4所示。

图4 激光束在无阻碍状态下的传播示意图

（2）傅里叶透镜

散射光的强度代表该粒径颗粒的数量。这样，测量不同角度上的散射光的强度，就可以得到样品的粒度分布。为了测量不同角度上的散射光的光强，需要运用光学手段对散射光进行处理。我们在光束中的适当的位置上放置一个傅里叶透镜。

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。见如图3

图5 激光粒度仪原理示意图

（3）蓝色光源

所谓的双光束的透镜后傅立叶变换结构则是比普通的单光束结构又增加一束以45°角入射的短波长（蓝光）照明光束。这一结构的作用是拓宽测量范围。

蓝色光源之所以能扩大仪器的测量下线，是因为在只有正入射光束的情况下，散射光从测量窗口往空气中出射时由于受全反射现象的限制，能出射的最大散射角约为48º（假设悬浮介质为水）。就是说前向散射48~90º，后向散射90~138º，即48~138º范围内的散射光不能被探测器接收，而这一范围内的散射光包含了亚微米颗粒的大量信息。照明光斜入射使得上述角范围内的散射光相对于测量窗口玻璃有较小的入射角，得以避开全反射的制约。此外，散射光的分布范围取决于粒径与光波长的比值。在相同的散射角下，照明光波长越短，对应的粒径越小。因此用短波长的照明光斜入射到测量窗口上，能有效地扩大测量下限。

（4）光电探测阵列

激光粒度仪将探测器放在透镜的后焦面上，因此探测器上任一半径都对应某一确定的散射角，也就是说同样散射角的光被聚焦到探测器的同一半径上，光电探测阵列由一系列同心环带组成，每一环带是一个独立的探测器，能将投射到