激光粒度测量的应用与前景

　　0　引言

　　在科学研究和工农业生产中的固体原料和制品,很多都是以粉体形态存在的,颗粒粒度分布对这些产品的质量和性能起着重要的作用。例如,催化剂的粒度对催化效果有着重要的影响;水泥的粒度影响凝结时间及最终的强度;各种矿物填料的粒度影响着制品的质量与性能;涂料的粒度会影响涂饰效果和表面光泽;药物的粒度影响口感、吸收率和疗效等等。因此,在粉体加工与应用领域中,相应的颗粒粒度测量就显得相当重要。有效地测量与控制粉体的颗粒粒度及其分布,对提高产品质量、降低能源消耗、控制环境污染、保护人类的健康等具有重要意义。

　　颗粒粒度测量的方法[1,2]很多,激光散射法是目前用途最广泛的一种。这种方法具有测量范围宽(通常为0. 1 ~3500μm)、粒度分析快、再现性较好、可实现在线测量等特点[3,4],对科学研究和生产过程中的粒度控制起着重要的作用。此外,激光粒度仪可以得出多种粒度数据,如体积平均粒径、比表面积、区间粒度分布和累计粒度分布等。

　　1　激光粒度仪的原理

　　当光线通过不均匀介质时,会发生偏离其直线传播方向的散射现象,它是由吸收、反射、折射、透射和衍射的共同作用引起的。散射光形式中包含有散射体大小、形状、结构以及成分、组成和浓度等信息。因此,利用光散射技术可以测量颗粒群的浓度分布与折射率大小,还可以测量颗粒群的尺寸分布。激光粒度仪的结构如图1所示。

　　由激光器(一般为He2Ne激光器或半导体激光器)发出的光束。经空间滤波器和扩束透镜后,得到了一个平行单色光束,该光束照射到由分散系统传输过来的颗粒样品后发生散射现象。研究表明,散射光的角度和颗粒直径成反比,散射光强随角度的增加呈对数衰减。这些散射光经傅立叶透镜后成像在排列有多环光电探测器的焦平面上。多环探测器上的中央探测器用来测定样品的体积浓度,外围探测器用来接收散射光的能量并转换成电信号,而散射光的能量分布与颗粒粒度分布直接相关。通过接收和测量散射光的能量分布就可以反演得出颗粒的粒度分布特征。

　　激光粒度仪主要依据Fraunhofer衍射和Mie散射两种光学理论。这两种光学理论及其在激光粒度测量中的使用条件描述如下。

　　(1)Fraunhofer衍射

　　光的衍射是光波在传播过程中遇到障碍物后,偏离其原来的传播方向弯入障碍物的几何影区内,并在障碍物后的观察屏上呈现光强分布的不均匀现象。光源和观察屏距离衍射物都相当于无限远时的衍射即为Fraunhofer衍射,其衍射场可在透镜的后焦面上观察到。设透镜焦距为f,颗粒的直径为D,入射光在颗粒周围介质中的波长为λ,则在透镜后焦面上的颗粒的衍射光强为[5]: