1、引言

      激光粒度儀是一種利用顆粒使激光發(fā)生散射的原理來測(cè)量粉體粒度的一種儀器，它已經(jīng)成為國內(nèi)外粒度測(cè)試的主要手段。目前，從事激光粒度測(cè)試技術(shù)發(fā)展迅速，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，新產(chǎn)品層出不窮，所最求的目標(biāo)是高精度、高品質(zhì)、寬量程、智能化。丹東百特儀器有限公司開發(fā)的三光束單鏡頭激光粒度儀，采用不同波長(zhǎng)激光束、獨(dú)特的傅立葉鏡頭、獨(dú)特的光學(xué)結(jié)構(gòu)和光電探測(cè)器，使前向、側(cè)向和后向的散射光都通過一個(gè)鏡頭匯聚到光電探測(cè)器上，簡(jiǎn)化了光學(xué)系統(tǒng)，降低了成本，擴(kuò)大了量程。這種新型激光粒度儀的研制成功，標(biāo)志著丹東百特多光束激光粒度測(cè)試技術(shù)進(jìn)入了實(shí)用化的階段。

 
2、歷史回顧

      激光粒度儀經(jīng)過近50年的發(fā)展，國內(nèi)外已經(jīng)有很多規(guī)格和型號(hào)的產(chǎn)品。如果按光束和鏡頭數(shù)量來分類，大體可分為四種類型：一是“單光束單鏡頭”激光粒度儀，這種類型的激光粒度儀有很多品牌和型號(hào)，產(chǎn)銷量最多，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，現(xiàn)有的國產(chǎn)和進(jìn)口的經(jīng)濟(jì)型激光粒度儀大多屬于這種類型。二是“單光束多鏡頭”激光粒度儀，這種產(chǎn)品是在“單光束單鏡頭”基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，目的是為了接收大角度散射光，擴(kuò)大量程。三是“多光束多鏡頭”激光粒度儀，這是國外高性能激光粒度儀的標(biāo)志性技術(shù)，通過多束激光和多個(gè)鏡頭位置變化，更有效地接收大角度的散射光，從而達(dá)到擴(kuò)大量程的目的。四是丹東百特研制的 “多光束單鏡頭”激光粒度儀，這種儀器通過巧妙的光路設(shè)計(jì)，使多個(gè)激光器產(chǎn)生的散射光都通過一個(gè)鏡頭來接收，保證了不同激光器的散射光接收的一致性，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，降低了成本，同時(shí)擴(kuò)大了量程，提高了測(cè)試精度。

 

 

3、多光束單鏡頭光路系統(tǒng)的基本組成與量程

      本文多光束系統(tǒng)主要指三光束。采用前向、前側(cè)向和后側(cè)向排列方式，其中后向激光器采用了波長(zhǎng)更短的藍(lán)光激光器。通過對(duì)激光器位置的有效排列，配合廣角鏡頭和大尺寸光電探測(cè)器，使散射光的有效探測(cè)角度范圍為0.08-156°，極限量程可達(dá)0.01—2000微米，光路系統(tǒng)基本組成如圖1所示。

 

      那么，這樣的系統(tǒng)的量程究竟能不能達(dá)到0.01—2000微米呢？
      首先，采用短波長(zhǎng)的激光器有利于拓展測(cè)試下限。測(cè)試下限能不能達(dá)到0.01微米，關(guān)鍵要設(shè)法使0.01微米附近的散射光能分布有明顯的區(qū)分。通過對(duì)米氏散射理論研究，可以得到在短波長(zhǎng)激光照射下，一些亞微米甚至納米級(jí)顆粒的后向散射光能分布圖譜，如圖2。也可以得到在普通激光照射下同樣粒徑顆粒后向散射光能分布圖譜，如圖3。從兩種光束對(duì)相同顆粒照射產(chǎn)生的后向散射圖譜可以看出，短波長(zhǎng)激光能使0.01微米附近的散射圖譜有明顯區(qū)別，普通波長(zhǎng)的激光則不能使0.01微米附近的散射圖譜有明顯區(qū)別。可見，采用波長(zhǎng)短的藍(lán)色激光可提高量程下限的分辨率，對(duì)拓展量程下限極為有利，如果在實(shí)踐中各個(gè)環(huán)節(jié)處理好，量程下限極限就可能夠達(dá)到0.01微米。

 

      其次，高性能的鏡頭是實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展量程的關(guān)鍵。經(jīng)過上述分析，我們知道在理論上短波長(zhǎng)激光能使0.01微米附近的散射圖譜有明顯區(qū)別，但與微米粒徑區(qū)段的散射信號(hào)相比，這個(gè)區(qū)域的散射信號(hào)的區(qū)別的幅度仍然較小。分辨這種較小差別信號(hào)的一個(gè)重要條件是要有一個(gè)高性能的廣角小相差鏡頭。要求該鏡頭應(yīng)具備良好的平場(chǎng)特性，有較小的場(chǎng)曲特性，有較小的球差特性和廣角特性等等，為達(dá)到這些光學(xué)要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)由四個(gè)透鏡組成的鏡頭，如圖4，其中透鏡2和透鏡3膠合在一起，組成一個(gè)負(fù)焦距透鏡，與透鏡1和透鏡3兩個(gè)正焦距透鏡組合正焦距透鏡組合形成一個(gè)高性能的鏡頭，這樣的設(shè)計(jì)保證大視場(chǎng)角散射光的不失真地匯聚到光電探測(cè)器上，使系統(tǒng)的測(cè)試下限達(dá)到0.01微米。同時(shí)，該鏡頭還要保證中心視場(chǎng)角散射光(軸上) 的成像的質(zhì)量達(dá)到衍射極限，從而保證測(cè)試上限達(dá)到2000微米。

      第三，獨(dú)特的光路結(jié)構(gòu)有利于匯聚各個(gè)角度的散射光。本系統(tǒng)所采用的三光束光路架構(gòu)如圖5所示。

 

      前向紅激光光束是沿著水平方向照射，穿過樣品池和匯聚鏡頭后入射到光電探測(cè)器中心孔中，所產(chǎn)生的散射光角度0.08-47°；側(cè)向綠激光光束沿著與水平光束成35°角方向照射，所產(chǎn)生的散射光角度為35-83°；后向藍(lán)激光光束放置在鏡頭后面，發(fā)出的是一束發(fā)散光束，經(jīng)過鏡頭后變成平行光，所產(chǎn)生的散射光的角度為109-156°。上述三個(gè)光束所產(chǎn)生的散射光經(jīng)過同一個(gè)鏡頭匯聚到同一個(gè)探測(cè)器上，使數(shù)據(jù)處理具有連續(xù)性和一致性。
      第四，光電探測(cè)器的性能是擴(kuò)大量程的重要前提。本系統(tǒng)所采用的光電探測(cè)器陣列是由交叉排列的扇形和矩形光電探測(cè)器組合排列而成，具有靈敏度高、尺寸大和中心孔小等特點(diǎn)，同時(shí)具備接收大角度的和小角度的散射光。其中最小探測(cè)角度為0.08°，最大探測(cè)角度達(dá)到了156°，能夠同時(shí)滿足量程上限下限的要求。加探測(cè)器的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

      第五，高精度的、穩(wěn)定的反演算法是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的保證。激光粒度測(cè)試的直接物理量是散射光能分布，如果不能真實(shí)有效地將接收的散射光能分布反演為粒度分布，其它的種種努力將毫無意義。因此反演算法的優(yōu)劣對(duì)拓寬量程起著至關(guān)重要的作用。經(jīng)過長(zhǎng)期深入研究和反復(fù)實(shí)踐，在本系統(tǒng)中采用的反演算法具有精度高、速度快、穩(wěn)定性好的效果。圖7的上半部分值六個(gè)隨機(jī)樣品的理論粒度分布，下半部分是通過理論粒度得到散射光能分布后再進(jìn)行反演計(jì)算得到的粒度分布，可以看出兩組對(duì)應(yīng)的粒度分布十分接近。

 

      第六，實(shí)際測(cè)試結(jié)果效果良好。通過采用短波長(zhǎng)激光、組合鏡頭、特殊光路結(jié)構(gòu)、大尺寸光電探測(cè)器以及獨(dú)特的反演算法等措施后，系統(tǒng)能不能對(duì)量程所覆蓋的所有粒度范圍的的樣品都進(jìn)行有效測(cè)量，特別是能否對(duì)粒度分布在量程的上限和下限附近的樣品進(jìn)行有效測(cè)量，是本系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵，這就對(duì)制造環(huán)節(jié)提出了更高的要求。比如在光電探測(cè)器設(shè)計(jì)、選材、制作方面；在鏡頭的設(shè)計(jì)、參數(shù)確定和安裝方面；在激光器選擇及其位置排列方面；在樣品池的材料與制作工藝方面都需要做大量的工作，使設(shè)計(jì)方案得以實(shí)現(xiàn)。圖8是對(duì)粗、中、細(xì)三種不同粒度的樣品進(jìn)行粒度測(cè)試的的結(jié)果。從這三個(gè)測(cè)試結(jié)果可以看出，本系統(tǒng)無論對(duì)最小粒徑接近量程下限的樣品，還是對(duì)最大粒徑接近量程上限的樣品，都具有較好的效果。