CN101290281A - 一种三光束单镜头激光粒度仪 - Google Patents

Abstract

本发明一种三光束单镜头激光粒度仪，由于是以一个性能独特的汇聚镜头、三束不同方向的激光、扇形/矩形组合结构的光电探测器、样品池、控制系统组成。三个从不同方向照射到样品池上的光束，所产生前向、侧向和后向散射光通过汇聚镜头汇聚到光电探测器上。汇聚镜头不仅能大视场角收集散射光，还在保证中心视场角散射光(轴上)的成像的质量达到衍射极限的同时尽量减少场曲，最大限度的提高大视场角散射光(轴外)的成像的质量，配合大尺寸光电探测器，因此，光路结构简化，体积减小，成本降低。测试范围扩大，并且克服由于多镜头之间的差异带来的误差，测量精度高。

Description

一种三光束单镜头激光粒度仪

技术领域

本发明涉及一种粉体粒度测量的仪器，尤其涉及一种新型的激光粒度测量仪器。

背景技术

激光粒度仪已经成为目前最流行的粉体粒度测量仪器。现有技术中的激光粒度仪，沿着光路前进的方向，通常依次包括：一激光器，在激光器内包括：激光管，用以发射光源；激光器里还有透镜，用以聚焦光束；空间滤波器(针孔)，用以过滤激光束的(空间)高频分量；准直透镜，此光束经过准直镜后变成平行光；一个或多个富里叶透镜，平行光束经过它后变成会聚光；一样品池，该样品池通常与循环系统相连形成通路，样品池是四周密封两端与管路相连，两个透光面是玻璃的，粉体样品(悬浮液)流过样品池时，激光从一个面透过玻璃照射到被测颗粒上，散射光从另一个面射出；一组由多个环形或扇形测量单元组成的光电探测器。当样品池内没有被测颗粒时，入射光全部聚焦到光电探测器的中心；当样品池内有样品颗粒时，有颗粒产生的一部分散射光将被聚焦到其他测量单元上；一信号放大和传输电路，一数据分析和输出装置，通常为计算机，用以分析散射光能分布数据，得出被测样品的粒度分布结果。

目前市场上的激光粒度仪有单光束单镜头粒度仪、单光束多镜头粒度仪、多光束多镜头粒度仪，上述不同粒度仪在性能、价格方面主要差异是：

单光束单镜头结构简单，价格低，品种很多，应用广泛，量程较小，是目前国内外经济型激光粒度仪普遍采用的技术。

单光束多镜头结构相对复杂，量程有所扩大，价格较低，品种较多，是在“单光束单镜头”的基础上的改进型。各镜头光学特性的差异可能对测量精度带来影响。

多光束多镜头结构复杂，量程宽，价格高，是国外高性能激光粒度仪普遍采用的技术。各镜头光学特性的差异可能对测量精度带来影响。

目前尚未见有多光束单镜头粒度仪的报道。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有激光粒度仪的缺陷，提出一种结构简单，量程宽，成本低、精度高的激光粒度仪。

本发明所采用的主要技术方案是：

本发明一种三光束单镜头激光粒度仪，包括激光器、样品池、光电探测器、控制系统。其特征在于：三个光束分别是由三个半导体激光器发出，前向激光器安装在样品池前的水平方向，发出的光束是沿着水平方向照射的平行光束；侧向激光器安装在前向激光器一侧，发出的光束是沿着与水平方向光束成一定角度照射的平行光；后向激光器安装在汇聚镜头后侧，后向激光器前置有补偿透镜，后向激光器发出的光束是沿着与水平方向光束的逆向成一定角度照射，在样品池后装有汇聚镜头，在汇聚镜头的焦平面上置有光电探测器，光电信号通过与之相连的控制系统输入到计算机中，在计算机内装有相应的粒度分析软件。

汇聚镜头。

本汇聚镜头由4片3组透镜构成，每片透镜均为月牙形，且凹面朝向样品池一侧。其中第一组与第三组为正焦距，第二组胶合透镜为负焦距，各组透镜的参数满足f1＞-f2≥f3、r5≌r3-Δ3_5，式中f1、f2、f3、分別为第一組、第二組及第三組镜头的焦距，r3、r5分別为第3面及第5面的曲率半径，Δ3_5为第3面至第5面的间隔。

本汇聚镜头中的第二组胶合面(面4)的高折射率侧蒸镀折射率为1.6～1.8、厚度为λ/4的增透膜。

前向激光器和侧向激光器是红光半导体激光器，激光波长为635nm。后向激光器是蓝光激光器，激光波长为405nm。

散射光光电探测器：一种扇形/矩形混合结构，其中中心两侧是90°扇形交叉排列，右边分别是45°扇形和15°扇形连续排列，左边是矩形连续排列，中心点上下各有6个30°扇形连续排列的探测器。

补偿透镜：折射率为1.47502～1.67502，色散系数31.6～51.6，两个面的曲率半径分别是63.949091和111.660704。

本发明的有益效果是，由于本发明是以一个性能独特的汇聚镜头、三束不同方向的激光、扇形/矩形组合结构的光电探测器、样品池、控制系统组成。三个从不同方向照射到样品池上的光束，所产生前向、侧向和后向散射光通过汇聚镜头汇聚到光电探测器上。汇聚镜头不仅能大视场角收集散射光，还在保证中心视场角散射光(轴上)的成像的质量达到衍射极限的同时尽量减少场曲，最大限度的提高大视场角散射光(轴外)的成像的质量，配合大尺寸光电探测器，因此，光路结构简化，体积减小，成本降低。测试范围扩大，并且克服由于多镜头之间的差异带来的误差，测量精度高。

附图说明

图1是本发明激光粒度仪的结构示意图

图2是图1中汇聚镜头结构示意图。

图3是图1中散射光光电探测器组合结构示意图，

图4是本发明激光粒度仪的结构和光路示意图

图中：1前向激光器  2侧向激光器  3后向激光器  4样品池  5汇聚镜头6前向光电探测器  7侧向激光探测器  8逆向激光探测器  9散射光探测器10补偿透镜  11壳体  12计算机

F1平行光束  F2侧向光束  F3逆向光束  F散射光

具体实施方式

结合附图详细说明本发明的结构和光路原理：

一种三光束单镜头激光粒度仪，三个光束分别是由三个半导体激光器发出，其中第一个光束是前向激光器1发出的沿着水平方向照射的平行光束F1；第二个是由侧向激光器2发出的侧向光束F2，是沿着与水平方向光束成一定角度照射的；最后一个是由后向激光器3发出的逆向光束F3是沿着与水平方向光束的逆向成一定角度照射。三光束单镜头激光粒度仪的结构见图1，三光束单镜头激光粒度仪包括常规激光粒度仪的样品池、控制系统。在壳体11内，前向激光器1安装在样品池4前水平方向，在样品池4后面装有汇聚镜头5，该镜头是由4片3组透镜构成(图2)，每片透镜均为月牙形，且凹面朝向样品池一侧。其中第一组即第一片透镜(面1，面2)与第三组即第四片透镜(面6，面7)为正焦距，第二片和第三片透镜(面3，面4，面5)组成第二组胶合透镜，为负焦距，第二组胶合面(面4)的高折射率侧蒸镀折射率为1.7、厚度为λ/4的增透膜。胶合面镀增透膜的目的是为了增加透光率，减少胶合面的反射率和镜片本身所产生散射光。

各组透镜的参数满足f1＞-f2≥f3、r5≌r3-Δ3_5，式中f1、f2、f3、分別为第一組、第二組及第三組镜头的焦距，r3、r5分別为第3面及第5面的曲率半径，Δ3_5为第3面至第5面的间隔。这样设计的目的是实现大视场角收集散射光，在保证中心视场角散射光(轴上)的成像的质量达到衍射极限的同时尽量减少场曲，最大限度的提高大视场角散射光(轴外)的成像的质量。

本汇聚镜头5的作用是同时接收三个方向光束所产生的散射光并将这些散射光汇聚到焦平面的汇聚镜头。三个方向的光束分别来自正入射角0°、斜入射角30°和背后入射角215°。正、斜入射的两种红激光波长都为635nm、背后入射的蓝激光波长为405nm。当样品池中有颗粒时，由三个光束产生的散射光都将通过汇聚镜头汇聚到焦平面上。在焦平面上的散射光的像高与散射光角度的关系为h＝f*n*tan(θ/2)，式中h为像高，n为水的折射率，θ为散射角，f为汇聚镜头的焦距。

前向激光器1发出的主光束是沿着水平方向照射的平行光束F1，穿过样品池和汇聚镜头后入射到光电探测器中心孔中，由中心孔后的光电探测器6接收；侧向激光器2安装在前向激光器1一侧，发出的侧向主光束F2是沿着与水平光束F1成30°角度照射，穿过样品池和汇聚镜头后照射到光电探测器7上。前向激光器1和侧向激光器2是由激光管、透镜、针孔装置、准直镜组成，输出的光束是平行光，激光管是红光半导体激光管，波长是635nm，后向激光器3安装在汇聚镜头5和补偿透镜10的后下方，后向激光器3与补偿透镜成非共轴设置，发出的逆向光束F3是沿着与水平光束F1的逆向成35度角照射。光束F3经过补偿透镜后变成一定角度的发散光束，发散光再经汇聚镜头形成平行光照射到样品池上，这个平行主光束一部分穿过样品池照射到光电探测器8上，一部分由样品池反射到光电探测器9上。激光器3中的激光管是蓝光半导体激光管，波长是405nm，激光器3与补偿透镜成非共轴光路，光束是呈一定角度的发散光束，经汇聚镜头后变成平行光进入样品池，可以产生最大角度达156度的散射光。由于蓝激光束同时通过汇聚镜头和补偿透镜的边缘，所以正好抵消彼此产生的像差。

三个光束都通过样品池4和汇聚镜头5。在汇聚镜头5的焦平面的后面放置一个前向光电探测器6，在镜头5的焦平面下侧置有一个侧向光电探测器7，在镜头5前焦平面一侧置有逆向光电探测器8，在镜头5的后焦平面上置有一组散射光电探测器9，见图3，本光电探测器是由一系列光电池组成的用来将散射光信号转换成电信号的光电探测器阵列，所采用结构是扇形/矩形混合结构，中心处是30微米的小孔，小孔左右两边是交叉排列的90°扇形探测器，共有46个，中间是45°连续排列的扇形探测器，共有9个，右侧是15°连续排列的扇形探测器，共有7个。左侧是连续排列的矩形探测器，共15个。小孔上下两侧各有6个(共12个)30°扇形对称连续排列的探测器，用于测量颗粒形状和对中标志。

各光电探测器信号通过与之相连的转换传输和处理电路输入到计算机12中，在计算机12内装有相应的粒度分析软件。

参照图4说明样品检测程序：把待测样品(悬浮液或乳浊液)输送到样品池4中，前向光束F1、侧向光束F2及逆向光束F3以间歇方式照射到盛有待测样品的样品池4后，每个激光束都将产生与颗粒大小和含量相关的不同角度的散射光F，这些散射光F都通过汇聚镜头汇聚到焦平面上。汇聚镜头起两个作用，一是将前向、侧向、后向的散射光汇聚到光电探测器上，二是对前向主光束F1和前侧向主光束F2这两个平行激光束起汇聚作用；对逆向光束F3起准直作用。在汇聚镜头的后焦平面上放置的光电探测器9，将光电探测器信号通过与之相连的转换传输和处理电路输入到计算机12中，并通过粒度分析软件进行分析，从而得出粒度分布。由于汇聚镜头和光电探测器可以同时接收前向、侧向和后向散射光，并采用短波长的蓝光激光器，使本系统的理论测量范围达到0.01～2000μm。

Claims (6)

1一种三光束单镜头激光粒度仪，包括激光器、样品池、光电探测器、控制系统，其特征在于：三个光束分别是由三个半导体激光器发出，前向激光器安装在样品池前的水平方向，发出的光束是沿着水平方向照射的平行光束；侧向激光器安装在前向激光器一侧，发出的光束是沿着与水平方向光束成一定角度照射的平行光；后向激光器安装在镜头后侧，后向激光器前置有补偿透镜，后向激光器发出的光束是沿着与水平方向光束的逆向成一定角度照射，在样品池后装有汇聚镜头，在汇聚镜头的焦平面上置有光电探测器，光电信号通过与之相连的控制系统输入到计算机中，在计算机内装有相应的粒度分析软件。

2按权利要求1一种三光束单镜头激光粒度仪，所说的汇聚镜头其特征在于：汇聚镜头由4片3组透镜构成，每片透镜均为月牙形，且凹面朝向样品池一侧，其中第一组与第三组为正焦距，第二组胶合透镜为负焦距，各组透镜的参数满足f1＞-f2≥f3、r5≌r3-Δ3_5，式中f1、f2、f3、分别为第一組、第二組及第三組镜头的焦距，r3、r5分别为第3面及第5面的曲率半径，Δ3_5为第3面至第5面的间隔。

3按权利要求1和2一种三光束单镜头激光粒度仪，其特征在于：汇聚镜头中的第二组胶合面(面4)的高折射率侧蒸镀折射率为1.6～1.8、厚度为λ/4的增透膜。

4按权利要求1一种三光束单镜头激光粒度仪，所说的激光器其特征在于；前向激光器和侧向激光器是红光半导体激光器，激光波长为635nm；后向激光器是蓝光激光器，激光波长为405nm。

5按权利要求1一种三光束单镜头激光粒度仪，所说的补偿透镜，其特征在于：补偿透镜折射率为1.47502～1.67502，色散系数31.6～51.6，两个面的曲率半径分别是63.949091和111.660704。

6按权利要求1一种三光束单镜头激光粒度仪，所说的散射光光电探测器其特征在于：一种扇形/矩形混合结构，其中中心两侧是90°扇形交叉排列，右边分别是45°扇形和15°扇形连续排列，左边是矩形连续排列，中心点上下各有6个30°扇形连续排列的探测器。

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