LS 13 320激光粒度仪

图5 透镜后（或会聚光、或逆向）傅立叶变换结构
• 后向散射光就是大于90º的散射光，因此也是对散射角接收 范围的扩展，以扩展粒度测试下限。
这种结构现已成为 Malvern、Horiba和 欧美克激光粒度仪 等品牌产品的基本 结构。
图6 带后向散射光接受机构的透镜后傅立叶变换结构
• 同样是为了增大散射光的接收角
• 采用这种结构的制造商有美国的Beckman Coulter 和 Microtrac公司。
图7 双镜头光学结构
• 上述各种光学结构大约在10年或更早以前就被提出，有的成了某些品 牌仪器的基本结构（但不是全部），有的已不再使用。下面介绍当前 流行仪器的各种光学结构。
• 一、双波长、双光束的透镜后傅立叶变换结构。
• 进一步研究表明，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 的粒度分布了。
图2 不同粒径的颗粒产生不同角度的散射光
• Mie理论：描述了光与任意大小的颗粒之间的相互作用，这种相互 作用是角度的函数，假定光波长和极化已知，而且颗粒为光滑、球 形、均匀并已知折射率。Mie理论比Fraunhofer提出的理论要复杂 ，因为它要解决颗粒和光之间所有可能的相互作用。
激光粒度仪
主要内容
• 激光粒度仪的原理 • 激光粒度仪的光学结构 • LS 13 320激光粒度仪 • 操作步骤 • 注意事项 • 讨论
激光粒度仪的原理
• 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 试粒度大小和分布的。
• 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1所示。
图8 双波长、双光束的透镜后傅立叶变换结构
•二、三光束的双 镜头结构。
•双镜头结构的作用和 传统的双镜头一样。 三光束中光束1为主 入射光，作用如同传 统的照明光，光束2 用以扩大前向散射光 的出射角，光束3用 以扩大后向散射光的 出射角盲区。
图9 三光束双镜头结构
• 三、带有PIDS技术的光学结构
图1 激光束在无阻碍状态下的传播示意图
• 米氏（ Mie ）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 ，小角度(θ)的散射光是由大颗粒引起的；大角度(θ1)的散 射光是由小颗粒引起的，如图2所示。
• ISO标准声明，尽管近似法仍然可以用来测试粒径大于50 微米的颗粒，但建议使用米氏理论测试粒径小于50微米的 颗粒。米氏理论在所有的测试范围内都适用。因此设计用 来测试粒径小于50微米的微粒的仪器一律应支持米氏理论 。
激光粒度仪的光学结构
• 为了有效地测量不同角度上的散射光的强度，需要运用光学手段对散 射光进行处理。在图3所示的光束中的适当的位置上放置一个傅氏透 镜，在傅氏透镜的后焦平面上放置一组多元光电探测器，这样不同角 度的散射光通过傅氏透镜就会照射到多元光电探测器上，将这些包含 粒度分布信息的光信号转换成电信号并传输到电脑中，通过专用软件 用Mie散射理论对这些信号进行处理，就会准确地得到所测试样品的 粒度分布。
✓在这种结构下扩大接 受角，将受到傅立叶透 镜口径的制约。
图4 有少许改进的经典结构
• Malvern的早期仪器在小颗粒量程段采用这种结构，该结构的优点 是最大接收角不受傅立叶镜头口径限制，但是它只在较小散射角（ <5º）上能实现精确聚焦。随着散射角增大，聚焦误差会越来越大 。聚焦有误差意味着探测器上的一个确定位置并不对应一个确定的 散射角，从而使仪器的分辨率降低。
图3 激光粒度仪的经典光学结构
• 激光粒度仪光学结构的变迁
• 测量下限是激光粒度仪重要的技术指标。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。
✓增加了辅助探头—— 这些探头用以弥补环形 探测器阵列最大外径的 不足，来扩大仪器对散 射光的接受角，从而扩 展仪器的测量下限。
这种结构在传统的透镜后傅立叶结构的主照明光束之外，又增加 一束斜入射、短波长（蓝光）的照明光束。增加的照明光束是为了扩 大仪器的测量下限。
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。
现阶段Malvern MS2000和日本Horiba的LA-950均采用这种结构。
• Fraunhofer理论：当粒度d远大于光波长l，或当物质具有很高的吸 收能力时，颗粒的边缘效应对总体散射强度作用较大。此时干涉效 应是由颗粒边界（衍射）上的光弯曲引起的。在光散射测量中，由 于光源远离散射体，而且光学通常设计成使照射散射体的入射光束
为均匀的平行线，只有Fraunhofer衍射发生。只可应用于完全不 透明的颗粒和小角度的散射（大颗粒）。
• 目前由Beckman Coulter 独家使用。这种结构是在普通的激光粒度仪光 学结构（双镜头结构或透镜后傅立叶结构）之外，增加一种称为PIDS 技术的测量系统。所谓PIDS是“散射的偏振强度差”的英文缩写。
• 它是利用亚微米颗粒对水平偏振光和垂直偏振光有不同的散射光场分布 ，与此相对，大颗粒在两个偏振态上则没有什么差异。为了提高对小粒 径的分辨率，PIDS中用了3种不同的波长（450nm、600nm和900nm） 。
• Fraunhofer衍射只是Mie理论在d >> l的极限状态下的简单形式。
• 国际标准ISO 13320-1中重要的建议就是要求为被测试材 料选择正确的光学模型，激光衍射是通过预测微粒的光学 散射行为进行粒度分析，这种预测的质量决定了测试结果 的准确性。
• 米氏理论可以提供对微粒光散射行为最严格和全面的预测 。而当激光衍射仪器被开发出来的时候，计算机的计算能 力非常有限，使用米氏理论需要大量的计算能力，制造商 就使用了一种米氏理论的近似方法——Fraunhofer理论 。
• 在粒度较小时，粒度与光波长比值（d/l）减少，因而干涉效应也减少， 散射图变得较为光滑且对角度依赖性减少。在较小的粒度范围内，粒度 对散射强度模式的灵敏度也大大减少，这样要获取准确的粒度则越来越 困难。