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激光粒度儀的工作原理詳解

點擊次數(shù):10131 更新時間:2021-07-09
    激光粒度儀所依據(jù)的物理原理是:當光束照射到顆粒上時,會偏離原來的傳播方向。當顆粒較大,尤其當顆粒具有較強的吸收性時,這種偏離的規(guī)律可以用光的衍射理論描述,因此該儀器在誕生時的正式名稱是“激光衍射法粒度分析儀”。但是在更一般的情況下,例如顆粒尺寸小于光波長,或者顆粒尺寸與光波長的尺度相近,并且對照明光透明,衍射理論不再適用,這時就需要用嚴格建立在麥克斯韋電磁波理論基礎(chǔ)上的米氏散射理論來描述。近年來國際上越來越多地把這種儀器稱為“靜態(tài)光散射法粒度分析儀”。這里強調(diào)“靜態(tài)”,是因為還有一種“動態(tài)”光散射粒度儀,又稱為“動態(tài)光散射納米粒度儀”。這是兩種不同原理、適用于不同粒徑范圍的粒度分析儀,但都用激光作為光源,且都利用了顆粒的散射光信號。靜態(tài)光散射粒度儀認為在某個測量點上,散射光的信號不隨時間變化(因而是靜態(tài)的),測量粒度是利用不同散射角上的散射光信號,即散射光的空間分布;而動態(tài)光散射粒度儀是在一個固定的散射角上測量散射光隨時間的變化。

    在一定條件下,顆粒越大,散射光的分布范圍越廣。當顆粒為理想圓球時(粒度測量中,都假設(shè)顆粒是理想圓球),散射光斑由中心的亮斑和外圍一系列明暗相間的同心圓環(huán)組成,這樣的光斑稱為“愛里斑(Airy Disk)”。中心亮斑包含了衍射光(從一般意義上說,顆粒的散射光可近似看成衍射光和幾何散射光的相干疊加,但是幾何散射光不包含顆粒大小的信息,換言之,顆粒大小信息只包含在衍射光的分布中)總能量的83.8%,因此通常把中心亮斑的角半徑(從光斑中心點到第一個暗環(huán)的角距離)作為愛里斑的半徑,或作為顆粒對光的散射角θA。業(yè)界普遍認為:顆粒越小,θA越大?;蛘哒f:顆粒大小與愛里斑大小有一一對應(yīng)關(guān)系。

    從激光器發(fā)出的細激光束經(jīng)過空間濾波和準直,成為一束平行、純凈的擴展光束,然后照射到測量池內(nèi)。被測顆粒分散懸浮在池內(nèi)的分散介質(zhì)(例如,水)中。入射光如果遇到顆粒,就被散射,形成散射光;沒有遇到顆粒的光仍然是平行光,沿著原來的方向傳播。后者經(jīng)過傅里葉透鏡后被會聚到光電探測器的中心,并穿過中心上的小孔,被中心探測器接收。散射光經(jīng)過傅里葉透鏡后,相同散射角的光被聚焦到探測器的同一點上。因此探測器上的一個點代表一個散射角θ。探測器由多個獨立的探測單元組成,每個單元對應(yīng)一個散射角區(qū)間。單元序號從探測器的中心往外,逐漸增大。探測單元的中心對應(yīng)的散射角以及單元的接收面積均隨著序號增大呈指數(shù)式增大。每個單元輸出的光電信號正比于投射到該單元上的散射光功率(習(xí)慣上稱為“光能”)。所有單元輸出的信號組成了散射光能分布。雖然任意大小的顆粒的散射光斑的中心亮斑都是中心強而邊緣弱,但是散射光能分布的峰值則總是處在某個探測單元上。顆粒越小,散射光斑越大,散射光能分布的峰值就越往外。


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