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。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。
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。在光束中的适当的位置上放置一个富氏透镜,在该富氏透镜的后焦平面上放置一组多元光电探测器,不同角度的散射光通过富氏透镜照射到多元光电探测器上时,光信号将被转换成电信号并传输到电脑中,通过专用软件对这些信号进行数字信号处理,就会准确地得到粒度分布了。
激光粒度仪的光学结构:
激光粒度仪的光路由发射、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。
所谓激光粒度仪是专指通过颗粒的衍射或散射光的空间分布(散射谱)来分析颗粒大小的仪器。根据激光散射原理,颗粒大小不同,散射光能量随散射角度的分布也不同,此种分布称为散射谱。激光粒度仪就是通过检测颗粒群的散射谱反演颗粒大小及其分布的。
1、为什麽散射/衍射激光粒度仪必须采用激光作光源?
激光粒度仪是通过检测颗粒的散射谱来分析颗粒大小与分布的,因此能否获得清晰的散射谱至关重要,激光是一种准直性,单色性良好的光源,只有采用激光才能在散射/衍射粒度仪器中得到清晰的散射谱分布。用多种波长混合的光源不可能获得清晰的散射谱,只能获得多种散射谱的叠加,因此不能用于粒度仪。
在多种激光器中半导体激光与气体激光相比,气体光源波长短,线宽窄,单色性好,稳定性远优于半导体光源。因此微纳与大多数专业公司选用了气体激光器作为测量光源。
2、激光粒度仪与其他方法相比有什么优势?
激光粒度仪的光路实际是一个二维傅立叶变换器,因此具有傅立叶变换的许多特点:
1、所有颗粒的散射信息是以光速并行传输到达光电探测器的,因此速度快无与伦比;
2、探测器可以做的非常窄大约几个微米,因此分辨率非常高;
3、测试过程颗粒散射不会受到人为因素的干扰,因此测试重复性超群;
4、根据傅立叶变换的平移不变性,颗粒在样品池中的运动速度不会影响频谱分布,因此适用于动态颗粒的测试,这是其他粒度测试方法所无法比拟的,这成为了颗粒在线测试理论依据。
3、激光粒度仪测量下限是多少?
激光粒度仪测量粒度的原理是MIE散射理论。 MIE散射理论用数学语言精确描述了折射率为n、吸收率为m的特定物质的,粒径为d球型颗粒,在波长为λ单色光照射下,散射光强度随散射角θ变化的空间分布函数,此函数也称为散射谱。根据MIE散射理论可以看出颗粒越大,前向散射越强而后向散射越弱;随着颗粒粒径的减小,前向散射迅速减弱而后向散射逐渐增强。激光粒度仪正是通过设置在不同散射角度的光电探测器阵列,测试颗粒的散射谱,由此确定颗粒粒径的大小。这种散射谱对于特定颗粒在空间具有稳定分布的特征,因此称此种原理的仪器为静态激光粒度仪。
但是当颗粒粒径小到一定的程度dm,与另一种更小颗粒dm-δ相比,如果二种颗粒的散射谱非常相似,以至不能被光电探测器阵列所分辨,就认为达到了激光粒度仪的测量极限,此粒径dm就是激光粒度仪的测量下限。
此极限还与激光波长有关,研究表明红光635nm波长的激光测量极限为50纳米,而蓝光405nm波长的激光测量理论极限为20nm。
理论上,静态激光粒度仪欲分辨纳米级的颗粒至少需要二个条件:
1、具有测量后向散射的光电探测器阵列,2、需要用波长更短的激光器。在可见光的范围内,20nm是静态激光粒度仪的理论测量下限。
激光粒度仪是全球范围内公认的先进,快捷的颗粒测试仪器,国内国外有不少研制激光粒度仪的厂家,产品种类也比较繁多,如何才能选择一款适合自己的激光粒度仪呢?以下这几个产品关键点是必须要考虑的:
一、激光器选择:
激光粒度仪的重要部件之一,主要有HE-NE激光器和半导体激光器两种,其中HE-NE激光器的各项性能均优于半导体激光器,且成本也远高于半导体激光器,半导体激光器单向性差的问题,对测试结果的稳定性影响很大。因此推荐用户选择HE-NE激光器。
二、光电探测器:
国内产品采用的光电探测器的种类大同小异,一般就是半环式、点阵式等,半环式的优势是能够以较少的通道数达到很高的探测精度。而且在出现断环时可以临时采取并环操作,对测试结果影响很小。点阵式属于比较老的探测器类型,现在用的比较少。
三、仪器结构问题:
主要分为整体式和分体式,整体式就是将分散系统和测试系统整合为一体,协同操作,分体式则是分散系统独立于测试系统,测试者需要先操作分散系统,将样品分散好再将分散好的样品通过管道导入测试系统进行测试。这样的缺点是协同操作性不好,比较重的颗粒容易在管道中沉淀,清洗不便且对测试结果有一定影响,现在整体式结构的仪器是发展方向,进口产品大都采用整体式结构,国内的产品也慢慢在向整体式结构发展。
四、光路设计问题:
光路设计是激光粒度仪研制的基础,进口产品的优势不但在制造工艺上,光路的设计水平也是技术先进的标志,国内的厂家现在大都采用简单的平行光路设计。
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