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激光粒度仪的工作原理详解

点击次数:132 发布时间:2021-07-09
    激光粒度仪所依据的物理原理是:当光束照射到颗粒上时,会偏离原来的传播方向。当颗粒较大,尤其当颗粒具有较强的吸收性时,这种偏离的规律可以用光的衍射理论描述,因此该仪器在诞生时的正式名称是“激光衍射法粒度分析仪”。但是在更一般的情况下,例如颗粒尺寸小于光波长,或者颗粒尺寸与光波长的尺度相近,并且对照明光透明,衍射理论不再适用,这时就需要用严格建立在麦克斯韦电磁波理论基础上的米氏散射理论来描述。近年来国际上越来越多地把这种仪器称为“静态光散射法粒度分析仪”。这里强调“静态”,是因为还有一种“动态”光散射粒度仪,又称为“动态光散射纳米粒度仪”。这是两种不同原理、适用于不同粒径范围的粒度分析仪,但都用激光作为光源,且都利用了颗粒的散射光信号。静态光散射粒度仪认为在某个测量点上,散射光的信号不随时间变化(因而是静态的),测量粒度是利用不同散射角上的散射光信号,即散射光的空间分布;而动态光散射粒度仪是在一个固定的散射角上测量散射光随时间的变化。

    在一定条件下,颗粒越大,散射光的分布范围越广。当颗粒为理想圆球时(粒度测量中,都假设颗粒是理想圆球),散射光斑由中心的亮斑和外围一系列明暗相间的同心圆环组成,这样的光斑称为“爱里斑(Airy Disk)”。中心亮斑包含了衍射光(从一般意义上说,颗粒的散射光可近似看成衍射光和几何散射光的相干叠加,但是几何散射光不包含颗粒大小的信息,换言之,颗粒大小信息只包含在衍射光的分布中)总能量的83.8%,因此通常把中心亮斑的角半径(从光斑中心点到第一个暗环的角距离)作为爱里斑的半径,或作为颗粒对光的散射角θA。业界普遍认为:颗粒越小,θA越大。或者说:颗粒大小与爱里斑大小有一一对应关系。

    从激光器发出的细激光束经过空间滤波和准直,成为一束平行、纯净的扩展光束,然后照射到测量池内。被测颗粒分散悬浮在池内的分散介质(例如,水)中。入射光如果遇到颗粒,就被散射,形成散射光;没有遇到颗粒的光仍然是平行光,沿着原来的方向传播。后者经过傅里叶透镜后被会聚到光电探测器的中心,并穿过中心上的小孔,被中心探测器接收。散射光经过傅里叶透镜后,相同散射角的光被聚焦到探测器的同一点上。因此探测器上的一个点代表一个散射角θ。探测器由多个独立的探测单元组成,每个单元对应一个散射角区间。单元序号从探测器的中心往外,逐渐增大。探测单元的中心对应的散射角以及单元的接收面积均随着序号增大呈指数式增大。每个单元输出的光电信号正比于投射到该单元上的散射光功率(习惯上称为“光能”)。所有单元输出的信号组成了散射光能分布。虽然任意大小的颗粒的散射光斑的中心亮斑都是中心强而边缘弱,但是散射光能分布的峰值则总是处在某个探测单元上。颗粒越小,散射光斑越大,散射光能分布的峰值就越往外。


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