在激光粒度仪中激光光束的聚焦点(通常简称光点),应通过探测器的中心而透射出,从而使探测器只接收被测颗粒的散射光,保证测量结果的准确可靠。为了增加仪器的测量上限(大粒径),小角度探测器距离探测器中心很近,光点变化导致探测器信号变化,严重时主光束照射到探测器的中心孔的边缘,而影响仪器的正常工作。
为了保证仪器长期稳定工作,目前仪器生产厂家的对中系统通常采用2种方式。
1、光学和探测器等机械结构固定,依靠系统的稳定性来保证激光光束中心稳定,也是目前大多数激光粒度仪生产厂家(包括国外公司)采用的方式。
2、采用自动对中系统随时对探测器的中心进行调整,在激光光点经常变动的系统中,这种方式有它的优点,但是这种方式也存在如下缺点:受光点中心位置,探测器数量和位置的限制,探测位置有死区,自动调节系统存在有静差,因此会产生额外的误差。2种方式各有优缺点,对于设计合理结构刚性稳定的仪器,完全不需要使用自动对中。
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。
湿法激光粒度分析仪采用全量程米氏散射理论,充分考虑到被测颗粒和分散介质的折射率等光学性质;
根据大小不同的颗粒在各角度上散射光强的变化反演出颗粒群的粒度分布数据。
激光粒度仪检测原理
由激光器发出的一束激光,经滤波、扩束、准值后变成一束平行光;
在该平行光束没有照射到颗粒的情况下,光束穿过富氏透镜后在焦平面上汇聚形成一个很小很亮的光点——焦点。
当通过某种特定的方式把颗粒均匀地放置到平行光束中时,激光将发生散射现象,一部分光向与光轴成一定的角度向外扩散。
理论与实践都证明,大颗粒引发的散射光的散射角小,颗粒越小,散射光的散射角越大。
这些不同角度的散射光通过富氏透镜后将在焦平面上将形成一系列的光环,由这些光环组成的明暗交替的光斑称为Airy斑。
Airy中包含着丰富的粒度信息,简单地理解就是半径大的光环对应着较小的粒径的颗粒,半径小的光环对应着较大粒径的颗粒;
不同半径上光环的光能大小包含该粒径颗粒的含量信息。
这样我们就在焦平面上安装一系列光的电接收器,将这些由不同粒径颗粒散射的光信号转换成电信号;
并传输到计算机中,再采用米氏散射理论通过计算机将这些信号进行数学处理,就可以得出粒度分布了。
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