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多光束單鏡頭激光粒度儀

 更新時(shí)間:2015-09-23  點(diǎn)擊量:2588

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,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,所追求的目標(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,采用不同波長激光束、* 的傅立葉鏡頭、*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)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)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,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。

光束鏡頭特點(diǎn)
單光束單鏡頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,價(jià)格低,品種很多,應(yīng)用廣泛,量程較小,是目前國內(nèi)外經(jīng)濟(jì)型激光粒度儀普遍采用的技術(shù)。
單光束多鏡頭結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,量程擴(kuò)大,價(jià)格較低,品種較多,是在“單光束單鏡頭"的基礎(chǔ)上的改進(jìn)型。測(cè)試下限拓展有限。
多光束多鏡頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜,量程寬,成本相對(duì)較高,是國外高性能激光粒度儀普遍采用的技術(shù)。
多光束單鏡頭結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,量程寬,成本相對(duì)較高,由于采用單鏡頭結(jié)構(gòu),克服了鏡頭之間的差異帶來的結(jié)果誤差。 

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*程可達(dá)0.01—2000微米,光路系統(tǒng)基本組成如圖1所示。  

圖1、三光束單鏡頭光路系統(tǒng)示意圖


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。




圖2  短波長激光大角度散射光分布
圖3  普通激光大角度散射光分布

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)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,從而測(cè)試上限達(dá)到2000微米。

第三,*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)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。其中小探測(cè)角度為0.08°,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。

圖4、組合鏡頭結(jié)構(gòu)示意圖圖5、光路架構(gòu)示意圖圖6、光電探測(cè)器基本結(jié)構(gòu)示意圖