基于散射原理的激光粒度测试仪研究

　　0　引言

　　颗粒涉及到科学研究和国民经济的广泛领域,直接影响着产品的质量和性能,准确测定颗粒的粒度及其分布对相关领域和学科的技术进步有重要意义。常用的粒度测试方法有筛分法、显微镜法、沉降法、电学法、表面积法和光学法等。其中,激光散射法由于测试精度高、测量速度快、重复性好、可测粒径范围宽、非接触式测量、自动化程度高、操作简便等优点而得到广泛应用。为提高其测试精度,本文通过深入研究Mie理论,设计了光学系统、环形光电探测器,结合样品循环系统及数据采集电路,研制了激光散射粒度测试系统。并基于对无模式反演算法的研究,提出了一种改进的独立模式算法,编制了测试软件。实验结果表明,该算法实现了对粒径及分布的各项参数的准确、快速测量,且有效地提高了测量的精度。

　　1　测量原理及系统结构

　　1.1　测量原理

　　激光粒度测试仪是根据颗粒能使激光产生散射这一物理现象测试粒度分布的。米式散射理论表明,当光束遇到颗粒阻挡时,一部分光将发生散射现象,散射光的传播方向将与主光束的传播方向形成一个夹角θ,θ角的大小与颗粒的大小有关,颗粒越大,产生的散射光的θ角就越小;颗粒越小,产生的散射光的θ角就越大。

　　对于确定粒径,并且具有一定粒度分布的球形颗粒,根据米式理论可以得到其散射光强度分布:

　　其中,α为无因次粒径,θ为散射角,m是颗粒与介质的相对折射率,i(θ,α,m)是光强分布函数,f(α)是粒径分布,k为一常系数,I(θ)是某角度上的光强。将积分离散化后得到

　　其中,(E1,E2,…,En)T是指n个光能检测器上测量到的光能值,(N1,N2,…,Nm)T是将整个粒度分布离散成m个粒级后,各个粒级含有的颗粒个数,而矩阵T称为光能分布矩阵,它的每个元素是指具有j粒级的粒子在第i个检测器上的散射光能量[1]。在计算时通常将个数分布转换为重量分布:

　　这样,测量不同角度上的散射光的强度,通过适当的数值计算手段,就可以得到样品的粒度分布。

　　1.2　系统总体设计

　　激光粒度测试仪的构成如图1所示。经过滤波和准直后得到的均匀平行单色光束照射到样品池,产生散射光信号。为了测量不同角度上的散射光的光强,在适当位置放置一个傅里叶变换透镜,在该傅氏透镜的后焦平面上放置一组多元光电探测器,不同角度的散射光通过傅氏透镜照射到多元光电探测器上,就可以得到散射光强的分布。对接收到的电信号经放大处理、A/D采样后,在计算机中用粒度分析软件进行求解,得到颗粒粒度分布情况。