激光粒度仪设计
摘要:文章主要介绍激光粒度仪的系统结构及工作原理
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
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,
重复性：
准确率 ：
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，能将投射到上面的散射光能线性的装换为电压。见图6
图6 光电探测器阵列示意图
探测器的排列在一起出厂时就已经根据衍射理论确定，在实际探测时，分布在某个角度（位置）上的探测器接收到衍射光，说明样品中存在有对应的颗粒。见图
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图7
2、测量窗口
测量窗口（样品分散系统）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。由两部分组成，分别是用于盛装分散介质和样品的样品池和用于是样品充分均匀的分散于介质中的分散设备。
样品分散系统是保证样品正确分散和进样的重要附件，湿法分散进样器需要有内置超声和搅拌及足够力量的循环泵最好是离心泵，干法分散进样器需要有振动进样功能，气流压力可调，不同容量的样品盘可选。另外，在样品测量过程中样品有时会不可避免地粘附在样品池的窗口上，所以样品池是否容易拆卸清洁也非常重要。
3、供电系统
供电系统的任务为整个仪器设备提供可靠稳定的电源。仪器中需要供电的设备主要有He一Ne激光器、样品分散设备和数据采集器。根据设计要求，这些设备均是采用直流供电，因此需要把市电转换为直流电，一般采用开关电源来完成。供电系统如图2.6所示。
图8激光粒度仪供电系统示意图
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制 (PWM)控制IC和MOSFET构成。根据仪器的供电要求，我们选用AC/DC型开关电源，其输入为 AC220V50Hz市电，经过整流滤波后，输出为 DC12V。调压模块采用三端稳压集成电路LM317配合电位器实现。LM317具有输出电压可变、内藏保护功能、体积小、性价比高、工作稳定可靠等特点，经常用它制作输出电压可变的稳压电源。通过调节电位器的阻值，便可从LM317的输出端获得我们需要的3V直流电压。
4、测量系统
测控系统一般由数据采集器和运行于计算机的测控软件所组成。数据采集速度越快越好。在 ISO13320 国际标准中，特别提出如果颗粒粒径小于几十微米需采用米氏理论，输入正确的样品折射率和吸收率以便能获得更为准确的结果，所以在软件中需要有一般物质的光学参数即折射率和吸收率的数据库并能补充输入这些光学参数。另外，数据输出功能，用户报告格式设计功能，量程扩展功能等也是不可或缺的因素。
5、最后要提到的一点就是有关激光粒度仪测量的准确度和重现性或精度等指标，这些指标应该是针对标准样品（如NIST 可溯源的乳胶颗粒等）的某些特征值（如D50, D10, D90 等），如果只在仪器样本上简单地标上0.5%或更小而不指明针对性，势必会误导用户，所以用户在看到这些指标时，有必要确认其针对性和具体含义。
总结：本文首先详细介绍了激光粒度仪的设计原理以和它的系统结构以及参数，然后重点介绍了各组成部分的原理和参数，由此了解到在此方面国内外的发展状况。激光粒度仪具有测试速度快、重复性好、准确性好、操作简便等特点，它必将在其它粉体加工与应用领域得到更广泛的应用。
参考文献：
1《激光粒度仪原理与选购》 秦和义
2《激光粒度仪的光学结构》 张福根
3 法国clias激光粒度仪1190
4《激光粒度仪测控系统的设计与开发》 李秀斌
5 梁国标，李新衡，王燕民. 激光粒度测量的应用与前景[J]. 材料导报，2006。 6 张福根. 激光粒度仪的光学结构[C]. 中国颗粒学会2006年年会暨海峡两岸颗粒技术研讨会论文集, 北京：2006.
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