CN110118707A - 一种折反式激光粒度仪 - Google Patents

Abstract

一种折反式激光粒度仪，用于颗粒粒度分布测量。由激光器1发出的光经过扩束准直后形成平行光，照射在颗粒样品2区域，颗粒对光发生散射。颗粒的散射光经过透镜3后到达半透半反镜4，半透半反镜4与光路的光轴成45°摆放。在半透半反镜4后面且位于透镜3的焦平面上放置光电探测器阵列5，用于接收颗粒的散射光；在与光轴垂直的方向上设置透镜6，在透镜3和透镜6的组合焦平面上放置光电探测器阵列7，经半透半反镜4反射和透镜6透射后的颗粒散射信号由光电探测器阵列7接收。由光电探测器阵列5、7接收的颗粒散射信号被采集后，经计算机处理得到颗粒散射的角分布信号，从而得到颗粒粒度分布。

Description

一种折反式激光粒度仪

技术领域：

本发明涉及一种折反式激光粒度仪，适用于测量颗粒粒度分布，尤其是在粉体粒度、液体雾滴等领域 的应用。

背景技术：

颗粒粒度分布范围是激光粒度仪的一项主要指标。测量的粒度分布范围越宽，仪器的应用范围越广。 目前为了扩大测量范围，采用的技术方案主要有：汇聚光路结构、前向和侧向及后向探测信号、多光源多 探测器阵列相结合、多透镜组和多探测器阵列相结合等。在实际应用中，不同探测器对多光源的响应度不 同；前、侧、后向探测器的灵敏度；如果有两条或多条光路照射样品区，采样点不同，不具有代表性。上 述原因造成仪器的标定困难，测量有效性和精度差。

目前采用散射法的激光粒度测量范围一般在亚微米级到毫米级。上述技术方案虽然能够满足粒度分布 范围测量要求，但性能有待进一步提高。

针对以上问题，提出采用单一光源和多个接收透镜及透镜组的方式，将同一采样区域的颗粒散射信号 由半透半反射进行分光，并在透镜或透镜组的焦平面上接收散射信号的功率谱分布，采用折射光路和反射 光路相结合的方式，提高单次测量中可以测量的粒度分布范围，同时可以减小仪器结构，在保证测试性能 的同时，简化光学镜组、光电探测器阵列和仪器的制造、调整和操作。

发明内容：

本发明的目的是解决已有的激光粒度仪在激光粒度测量时，测量粒度分布有限，单纯增大透径口径、 焦路或增加光电探测器阵列的单元数量、制作超大或微小尺寸探测单元困难的问题，提出采用折射和反射 式的分光光路，分别由两路透镜组和透镜焦平面上的两个探测器阵列探测颗粒散射功率谱分布，经信号采 集和计算机处理后合成一个信号阵列，反演得到颗粒粒度分布。

本发明提供的折反式激光粒度仪，主要包括激光器1、颗粒样品2、透镜3、半透半反镜4、光电探测 器阵列5、透镜6、光电探测器阵列7。

由激光器1发出的光经过扩束准直后形成平行光，照射在颗粒样品2区域，颗粒对光发生散射。颗粒 的散射光经过透镜3后到达半透半反镜4，半透半反镜与光路的光轴成90°摆放。半透半反镜的透射和反 射比为1∶1，即颗粒的散射光有50％透过半透半反镜。在半透半反镜4后面且位于透镜3的焦平面上放置 光电探测器5，用于接收颗粒的散射光；在与光轴垂直的方向上设置透镜6，透镜6与透镜3组合成新的 透镜组，其组合焦距根据颗粒测量范围要求确定，一般大于透镜3的焦距。在透镜3和透镜6的组合焦平 面上放置光电探测器阵列7，经半透半反镜4反射和透镜6透射后的颗粒散射信号由光电探测器阵列7接 收。由光电探测器阵列5、7接收的颗粒散射信号进行采集和计算机处理后得到颗粒散射的角分布信号， 经过计算机处理后得到颗粒粒度分布。

光电探测器阵列5接收到的是颗粒散射的高频空域信号，其尺寸与透镜3的焦距近似成正比，因此可 以减小光电探测器的尺寸，使其整体尺寸不会过大，便于加工；光电探测器阵列7接收到的是颗粒散射的 低频空域信号，其尺寸与透镜3和透镜6的组合焦距近似成正比，一般来讲，透镜3和透镜6用两个小焦 距的透镜组合成大焦距的透镜组，其焦距大于透镜3的焦距，从而使光电探测器阵列7的尺寸不致于太小 而难加工。经过设计，光电探测器阵列5和光电探测器阵列7的尺寸相同，它们分别检测到颗粒散射的高、 低频空域信号后组合在一起，用计算机处理后使测量颗粒分布的范围扩大。

本发明的优点和积极效果：

一般地，在激光粒度测量方法中，常采用单一相干光源照射在颗粒样品区域，颗粒样品的散射光由一 个透镜作傅立叶变换，在透镜的焦平面上用光电探测器阵列接收散射功率谱分布，激光粒度仪的专用光电 探测器阵列为非等距环形，受光学加工和微电子加工工艺条件限制，透镜和光电探测器阵列加工困难，且 测量范围有限。改进方法的信号一致性较差，影响了激光粒度仪应用范围的发展。本发明提出的折反式的 激光粒度仪，采用同一光源，采样点相同，由于在分光光路中采用的半透半反镜其透射和反射比为1∶1， 即通过透镜3后，有50％的光经半透半反镜4透射，另外50％的光经半透半反镜4反射，且透镜3和透镜6 经镀增透膜处理后透射率可以达到99％以上；经优化设计后，探测器阵列5和7的尺寸可以完全相同，因 此在两个探测器阵列5和7和的信号一致性好，因此在保证仪器其它性能的同时可以扩大粒度测量范围。

同时，根据光学原理，透镜3和透镜6可以用两个小焦距的透镜组合成一个长焦镜组，并考虑半透半 反镜的转折光路性质，因此可以减小了仪器所占的空间。

附图说明：

图1是本发明提供的折反式激光粒度的测试系统原理示意图。

具体实施方式：

下面结合实施例及附图均是进一步详细描述本发明。实施例仅用于详细说明本发明，并不限制本申请 权利要求保护范围。

如图1所示，为本发明提供的样品折反式激光粒度仪测试方法示意图。主要组成部分包括激光发射器 1、样品2、透镜3、半透半反镜4、光电探测器阵列5、透镜6、环形光电探测器阵列7。

本发明的测试步骤为：首先自带滤波装置的激光发射器1经过扩束准直和空间滤波后提供平行光束， 作为入射光源，照射在颗粒样品2上。颗粒样品对入射光束发生散射。一方面，入射平行光经透镜3后到 由半透半反镜4分别透射和反射后分成两束。其中半透半反镜4与光轴成45°角放置。经半透半反镜4透 镜的入射平行光强为入射总光强的50％，并在透镜3的焦平面上会聚为一点，光电探测器阵列5放置在该 焦平面；经半透半反镜4反射的入射平行光为入射总光强的50％，该反射光经过透镜6后会聚在由透镜3 和透镜6组成的透镜组的组合焦平面上一点，光电探测器阵列7放置在该组合焦平面。选取透镜3的焦距f₁′＝300mm，透镜6的焦距f₂′＝50mm，透镜3距透镜6的距离为360mm，则由透镜3和透镜6组成的透镜焦距 为f′＝1500mm。另一方面，颗粒样品2的散射光经透镜3透射、半透半反镜4透射后在透镜的焦平面上形 成空间频谱，由于光电探测器阵列5的尺寸小，且透镜3的焦距f₁′小，因此光电探测器阵列5接收颗粒散 射光的高频空域信息；透镜3和透镜6的组合焦距f′大，将光电探测器阵列7和光电探测器阵列5用同样 尺寸参数，即两个探测器完全相同，因此光电探测器阵列5接收颗粒散射光的低频空域信息。透镜3和透 镜6做镀增透膜处理，因此可以忽略透镜造成的光信号损失，将光电探测器阵列5和光电探测器7接收到 的光信号经数据采集后由计算机进行处理，即将颗粒散射光的低频信号和高频信号进行合成，经数据反算 后，扩大了颗粒粒度的测量范围。

Claims (3)

1.一种折反式激光粒度仪，其特征在涉及的硬件包括激光器1、颗粒样品2、透镜3、半透半反镜4、光电探测器阵列5、透镜6、光电探测器阵列7。具体测量过程如下：

由激光器1发出的光经过扩束准直后形成平行光，照射在颗粒样品2，颗粒对光发生散射。散射光经过透镜3后分成两种，其中一路经半透半反镜4透射，到达光电探测器阵列5，形成散射角分布；另一路由半透半反镜4反射后经过透镜6，在光电探测器阵列7上形成角分布。将光电探测器阵列5和光电探测器阵列7的散射角分布信号经信号采集和计算机处理后计算得到颗粒粒度分布。

2.根据权利要求1所述的折反式激光粒度仪，其特征在于在光路中，将半透半反镜放置在透镜3后，对散射光信号进行分束处理。

3.根据权利要求1所述的折反式激光粒度仪，其特征在于采用一个激光器1作为光源，颗粒散射信号经透镜3透射后分成两路，其中一路经半透半反镜4透射后，由光电探测器阵列5接收；另一路由半透半反镜4反射后经透镜6透射，由光电探测器阵列7接收，从而扩大颗粒粒度分布的测量范围。