多光束單鏡頭激光粒度儀

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(lái)測(cè)量粉體粒度的一種儀器，它已經(jīng)成為國(guó)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(kāi)發(fā)的三光束單鏡頭激光粒度儀，采用不同波長(zhǎng)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(guò)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(guò)近50年的發(fā)展，國(guó)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(lái)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(guó)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(lái)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(guó)外高性能激光粒度儀 的標(biāo)志性技術(shù)，通過(guò)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(guò)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(guò)一個(gè)鏡頭來(lái)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。

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(guò)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(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(guò)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(jiàn)，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。

	圖2  短波長(zhǎng)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(guò)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)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(guò)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(guò)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(guò)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