激光粒度仪中的短筒功率谱采集物镜设计

在颗粒检测领域中,激光散射法粒度测试仪的基本原理为,一束准直激光照射被测粒子场,光与粒子相互作用产生的散射光被物镜汇聚到位于后焦面的同心环形光电探测器上,转化为数字信号,通过算法来反演迭代粒子场的尺寸分布,见图1·

近年来,新型颗粒材料的问世与应用,要求颗粒测量仪器测试范围在几微米至几千微米,同时要求仪器小型化·

　　本文分析了大粒度测量范围对粒度仪光学系统的参数要求,设计出实现短筒长的物镜·该方案可适用于光学系统多种焦距值切换,从而使仪器小型化·

1　透镜焦距的选择

　　根据被测粒度资料,确定仪器测量的粒子群直径分布在10~1 000μm范围·当光束照射在直径大于光波波长(0·632 8μm)几倍或几十倍的粒子,主要引起衍射效应,因此可以根据Fraunhofer衍射原理计算衍射光强分布函数[1]·

设粒子直径为D,透镜L足够靠近粒子,使其能够接受粒子衍射的全部光信号,如图2所示·球形粒子形成的Fraunhofer衍射可近似地用圆孔的Fraun-hofer衍射规律描述,即在透镜后焦面上光强分布为

式中:I0为与入射强度成正比的常数;J1为第一类一阶贝赛尔函数;r为探测器的径向半径[1]·

探测器由32个同心半圆环组成,接收粒子向透镜后焦面上任何半径的衍射光,而衍射光能密度分布在一特定半径上有最大值[2],即

式中:D为待测粒子直径; r0为探测器径向尺寸; f为透镜焦距.其关系曲线见图3·透镜焦距的选择,应使粒子形成的衍射光能密度分布峰值不超出探测器的光敏面范围,根据式(3)可以确定物镜焦距与可测粒度范围·当探测器环半径rmin=0.27mm,rmax=15.15mm时,测量最小粒度9μm和最大粒度1 000μm对应的物镜焦距分别为500和1 000 mm·由图3可知,透镜焦距越大,其测量范围越大;不同焦距的透镜对应仪器的测量范围有重叠·由于在给定焦距上,不同直径粒子对各环衍射光能的贡献不同,因此应根据不同应用领域中被测量粒子敏感测量范围选择焦距,以减小衍射能量信息的丢失,提高测量准确度·综上所述,在激光散射法粒度测试仪中,若测量粒子直径范围为10~1 000μm,需要配备多个焦距的物镜,见表1·

2　透镜结构设计

　　激光粒度仪需要设计多个焦距物镜,其中长焦距物镜结构设计应满足仪器的小型化要求,焦距的更换调整应方便·

2·1　光学系统参数选择

　　由于透镜的孔径限制,会使位于不同位置的粒子产生渐晕效应,使粒子在探测器所有环都不发生渐晕条件为光组的入窗与物平面重合,即将视场光阑安放在物镜的实像平面上·在激光粒度仪中将探测器位于频谱面上,以F500为例,当探测器最外环半径rmax=15.15 mm,相应视场半角为