CN1760660A - 一种激光粒度仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光粒度仪，沿着光路前进的方向，包括：一激光管；一显微物镜；一针孔装置，所述针孔装置处于显微物镜的焦点上；一准直镜，所述准直镜的后焦点与针孔重合；一个或多个富里叶透镜，平行光束经过它后变成会聚光；一组探测器，包括多个探测单元，其中包括环形探测器；一数据分析和输出装置；待测样品盛在样品池中，放置在测量单元的检测区域内，所述样品池的两个端面上分别设置入射窗口玻璃和出射窗口玻璃，所述两块玻璃朝向样品池内侧的侧面为平面，且该两平面相互平行，所述出射窗口玻璃的截面为多边形或由折线和曲线围成的不规则形，作为光源的激光束从入射窗口玻璃入射，携带颗粒大小及其含量信息的散射光同时从入射窗口玻璃和出射窗口玻璃出射。可以有效突破窗口玻璃全反射对大角(前、后向)散射光出射的限制，从而显著扩展了激光粒度仪的测量下限(或者在测量下限已经扩展了的情况下，简化了仪器的光学结构)，因而扩大了仪器量程。
Description
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：一激光管，用以发射光源；一显微物镜，用以聚焦光束；一针孔装置，处于显微物镜的焦点上，用以过滤激光束的(空间)高频分量；一准直镜，其后焦点与针孔重合，因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，用以盛放被测粉体样品，要求样品颗粒处于完全分散状态，悬浮在池内的液体介质中，池的两个对面上镶有玻璃窗口，以便让照明光射到被测颗粒上，同时让散射光出射；一组探测器，由多个测量单元组成，一般来说，中心的若干个探测器是环形探测器，当样品池内没有被测颗粒时，入射光全部聚焦到环形探测器的中心，当样品池内有样品颗粒时，一部分散射光将被聚焦到其他探测单元上；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。
激光粒度仪是基于光波在行进中遇到微小颗粒时会发生散射(小角度时又称为衍射)，并且颗粒越小，散射角越大的原理测量颗粒大小的。显然，仪器能测量的散射角越大，则仪器对颗粒直径的测量下限就越小，因此仪器的量程就越宽。当仪器用来测量固体粉末时，粉末样品通常都要分散在液体介质中，粉末样品与液体的混合液动态地(以防止颗粒下沉)盛在样品池内，如附图1所示，样品池的两个端面上装有两块相互平行的平板玻璃2和4作为测量窗口，所述平板玻璃2和4的截面为长方形，即光路经过每块玻璃的入射面和出射面是相互平行的平面，作为光源的激光束1和携带颗粒大小及其含量信息的散射光5分别从窗口入射和出射。由于全反射现象的存在，太大的散射光不能从窗口出射，从而限制了仪器的测量下限。以最常用的测量介质——水为例，当入射光1沿着光轴8方向进入样品池，照射到被测颗粒3上，若光线6的散射角达到48.8°，则该光线7出射到空气中时，出射角达到90°。显然，48.8°就是仪器能接收的最大散射角(在水介质中)。该散射角对应的测量下限约为0.2μm(设光的波长为632.8nm)。在前向散射结构下，这一数值就是激光粒度仪的测量极限。
为了突破全反射的限制，有的制造商提出了双光束结构的粒度仪，如附图2所示，即用平行于光轴9的入射光束10测量较大的颗粒，对应的散射角较小，而用另一束与光轴9有一定夹角的光束11入射到样品池中，测量较小的颗粒，试图避免全反射现象的发生。这种方案的缺点是光学结构比较复杂。
发明内容
为了克服现有激光粒度仪技术的不足，本发明的目的在于：提供一种新型的激光粒度仪，可以有效突破窗口玻璃全反射对大角(前、后向)散射光出射的限制，从而显著扩展了激光粒度仪的测量下限(或者在测量下限已经扩展了的情况下，简化了仪器的光学结构)，因而扩大了仪器量程。
本发明所采用的技术方案是：
一种激光粒度仪，沿着光路前进的方向，依次包括：一用以发射激光的激光管；一用以聚焦光束的显微物镜；一用以过滤激光束的空间高频分量的针孔装置，所述针孔装置处于显微物镜的焦点上；一准直镜，所述准直镜的后焦点与针孔重合，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；一组探测器，包括多个探测单元，其中包括环形探测器；一数据分析和输出装置，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；待测样品盛在样品池中，放置在测量单元的检测区域内，所述样品池的两个端面上分别设置入射窗口玻璃和出射窗口玻璃，所述两块玻璃朝向样品池内侧的侧面为平面，且该两平面相互平行，所述出射窗口玻璃的截面为多边形或由折线和曲线围成的不规则形，作为光源的激光束从入射窗口玻璃入射，携带颗粒大小及其含量信息的散射光同时从入射窗口玻璃和出射窗口玻璃出射。
本发明的有益效果是，由于本发明的激光粒度仪的样品池的两个端面上分别设置入射窗口玻璃和出射窗口玻璃，所述两块玻璃朝向样品池内侧的侧面为平面，且该两平面相互平行，所述两块玻璃的其中一块或两块的截面可以为多边形或由折线和曲线围成的不规则形，作为光源的激光束和携带颗粒大小及其含量信息的散射光分别从入射窗口玻璃和出射窗口玻璃入射和出射，即光路经过每块玻璃的入射面和出射面可以不是平行的平面，可以有效突破窗口玻璃全反射对大角(前、后向)散射光出射的限制，从而显著扩展了激光粒度仪的测量下限，同时扩大了测量量程，因此，激光粒度仪能够对更微小的颗粒进行准确地测量，标志着激光粒度测量仪器迈上了新台阶。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是现有技术中激光粒度仪的测试窗口示意图；
图2是现有技术中激光粒度仪为突破测试窗口对大角散射光的全反射制约而采取的技术方案的示意图；
图3是本发明激光粒度仪的测试窗口实施例一的结构和光路示意图；
图4是本发明激光粒度仪的测试窗口实施例二的结构和光路示意图；
图5是本发明激光粒度仪的测试窗口实施例三的结构和光路示意图；
图6是本发明激光粒度仪的测试窗口实施例四的结构和光路示意图；
图7是本发明激光粒度仪的结构和光路示意图；
图8是本发明激光粒度仪的测量单元的结构和光路示意图；
图9是本发明激光粒度仪的实施例四的测量超细碳酸钙获得的粒度分布曲线图。
具体实施方式
本发明所涉及的一种激光粒度仪，沿着光路前进的方向，依次包括：一用以发射激光的激光管；一用以聚焦光束的显微物镜；一用以过滤激光束的空间高频分量的针孔装置，所述针孔装置处于显微物镜的焦点上；一准直镜，所述准直镜的后焦点与针孔重合，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；一组探测器，包括多个探测单元，其中包括环形探测器；一数据分析和输出装置，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；待测样品盛在样品池中，放置在测量单元的检测区域内。待测粉末样品分散在液体介质中，粉末样品与液体的混合液动态地(以防止颗粒下沉)盛在样品池内，样品池的两个端面上分别设置有两块玻璃，即入射窗口玻璃和出射窗口玻璃，本发明对所述两块玻璃的结构进行了改进，所述两块玻璃朝向样品池内侧的侧面为平面，且该两平面相互平行，所述两块玻璃的其中一块或两块的截面可以为多边形或由折线和曲线围成的不规则形，即光线经过每块玻璃的入射面和出射面可以不是相互平行的平面，所述玻璃作为测试窗口，作为光源的激光束从入射窗口玻璃入射，携带颗粒大小及其含量信息的散射光同时从入射窗口玻璃和出射窗口玻璃出射。
实施例一：
如图3所示，本实施例中，作为测试窗口的两块玻璃中，入射窗口玻璃14为平板玻璃，其截面为长方形，出射窗口玻璃21的截面为梯形，即出射窗口玻璃21的顶面和内侧面的夹角小于90°。在这种结构中，出射窗口玻璃21与空气的界面的一部分是斜面20。当斜面20的倾斜角适当时，就能保证最大至90°的散射光也能出射到空气中，以便被光电探测器接收。现将工作原理详述如下：照明光束13平行于主光轴12，从左至右穿过入射窗口玻璃14入射到样品池内，池内充满液体(例如，水)，被测颗粒分散悬浮在液体中。当光线遇到颗粒15时，就会发生散射。设其中的散射光线16的散射角为75°，则该光线经界面17折射进入玻璃21，成为光线19，该光线与界面17的法线的夹角为57.1°。当界面17与斜面20之间的夹角为30°时，光线19与界面20的法线的夹角为27.1°。光线18为对应的出射光线，它与界面20的法线的夹角为44.2°，与主光轴12的夹角为74.2°。
在极端情况下，设散射光线16与主光轴的夹角为90°，则该光线进入出射窗玻璃21后成为光线19，它与界面17的法线的夹角为60.4°，与界面20的法线的夹角为30.4°，到空气的出射角为50.7°。出射光线18与主光轴的夹角为80.7°。
由此可见，让大角散射光从斜面出射，能够有效地避开全反射的限制。
对小角散射光23，仍然从平行面22出射，与一般的激光粒度仪的测试窗结构无异。
实施例二：
如图4所示，后向散射光的出射窗(即入射窗口玻璃14)，也采用梯形截面结构，入射窗口玻璃(14)的底面和内侧面的夹角小于90°。则大角度的后向散射光24也能避开全反射的限制。
实施例三：
当照明激光是非偏振光时，大角散射光必然是部分偏振光；由于激光器谐振腔内偏振模式的竞争，导致照明光各偏振分量的强度出现随机波动(但总强度保持基本稳定)，从而使得大角散射光的强度出现随机波动，这将显著降低激光粒度仪测量亚微米颗粒时的精度。为克服激光偏振模式竞争对粒度测量的负面影响，专利“一种具有偏振补偿能力的激光粒度仪(ZL01 2 49644.8)”提出了一种能够补偿激光偏振模式竞争引起的散射光强度波动的测量装置。该装置要求在相互垂直的两个散射面(由入射光和散射光构成的平面)上同时接收散射光。为适应偏振补偿的要求，附图3和附图4所示的梯形窗口的二维结构可分别变为附图5的三维结构。
如附图5所示，本实施例中，作为测试窗口的两块玻璃中，入射窗口玻璃14为平板玻璃，即为一种长方体，出射窗口玻璃21的纵向和横向截面均为梯形，即：出射窗口玻璃21为一种四棱锥台结构。
实施例四：
如附图6所示，本实施例中，作为测试窗口的两块玻璃中，入射窗口玻璃14和出射窗口玻璃21的纵向和横向截面均为梯形，即：入射窗口玻璃14和出射窗口玻璃21均为一种四棱锥台结构。不仅能够适应偏振补偿的要求，而且对于后向散射两个散射面上的散射光也能避开全反射的限制。
附图7是本发明激光粒度仪的结构和光路示意图。71是激光管；72是显微物镜，用以聚焦光束；73是针孔，处于显微物镜的焦点上，用以过滤激光束的(空间)高频分量；74是准直镜，其后焦点与针孔重合，因此光束经过准直镜后变成平行光；75是富里叶透镜，平行光束经过它后变成会聚光7a，会聚光入射到测量单元76，聚焦到环形探测器8i的中心(见附图8)。计算机77用以分析散射光能分布数据，得出被测样品的粒度分布。
附图8是测量单元的详图。该单元采用前、后向散射光同时接收以及双向偏振光补偿技术。8a是入射的照明光束(等同于附图7中的7a)，8b是水平基板，用以固定水平散射面上的光电探测器和环形光电探测器8i。8g是样品池的测试窗，被测颗粒处于两块测试窗之间的狭缝中。8j和8f是处于水平面上，分别用以接受从窗口的平面和斜面出射的前向散射光的光电探测器(由若干个组成)；8l和8c则是处于水平面上，分别用以接受从窗口的斜面和平面出射的后向散射光的光电探测器(由若干个组成)。同理，8k、8h、8m和8d表示固定在垂直基板8e上、分别用以接收前向平面出射、前向斜面出射、后向平面出射和后向平面出射的散射光的光电探测器。
附图9是本发明激光粒度仪的实施例四的测量超细碳酸钙获得的粒度分布曲线图，附表1是相应的粒度分布表。结果表明，D50＝0.102μm，D10＝0.045μm，D90＝0.175μm。测量下限达到0.02μm。
| 粒径下限(μm) | 粒径上限(μm) | 累积分布(％) | 微分分布(％) |
| 0.020 | 0.023 | 2.3 | 0.7 |
| 0.023 | 0.028 | 3.3 | 1.0 |
| 0.028 | 0.032 | 4.8 | 1.5 |
| 0.032 | 0.038 | 6.8 | 2.1 |
| 0.038 | 0.045 | 9.7 | 2.9 |
| 0.045 | 0.052 | 13.8 | 4.0 |
| 0.052 | 0.061 | 19.3 | 5.5 |
| 0.061 | 0.072 | 26.6 | 7.3 |
| 0.072 | 0.085 | 36.1 | 9.5 |
| 0.085 | 0.099 | 47.6 | 11.6 |
| 0.099 | 0.110 | 60.8 | 13.1 |
| 0.110 | 0.137 | 74.1 | 13.4 |
| 0.137 | 0.161 | 85.8 | 11.7 |
| 0.161 | 0.189 | 94.1 | 8.2 |
| 0.189 | 0.221 | 98.3 | 4.2 |
| 0.221 | 0.260 | 99.7 | 1.4 |
| 0.260 | 0.305 | 100.0 | 0.3 |
| 0.305 | 0.358 | 100.0 | 0.0 |
| 0.358 | 0.420 | 100.0 | 0.0 |
| 0.420 | 0.493 | 100.0 | 0.0 |
| 0.493 | 0.579 | 100.0 | 0.0 |
| 0.579 | 0.679 | 100.0 | 0.0 |
| 0.679 | 0.797 | 100.0 | 0.0 |
| 0.797 | 0.936 | 100.0 | 0.0 |
| 0.936 | 1.100 | 100.0 | 0.0 |
| 1.10 | 1.290 | 100.0 | 0.0 |
| 1.29 | 1.510 | 100.0 | 0.0 |
| 1.51 | 1.780 | 100.0 | 0.0 |
| 1.78 | 2.090 | 100.0 | 0.0 |
| 2.09 | 2.450 | 100.0 | 0.0 |
附表1
综上所述，采用梯形截面测试窗，可以有效突破窗口玻璃全反射对大角(前、后向)散射光出射的限制，从而显著扩展了激光粒度仪的测量下限。
上述所列具体实现方式为非限制性的，对本领域的技术熟练人员来说，在不偏离本发明的范围内，可以进行各种改进和变化。比如所述入射窗口玻璃和出射窗口玻璃的截面形状并不限于梯形，还包括其他多边形甚至带有曲面的不规则的形状。
Claims (7)
1、一种激光粒度仪，沿着光路前进的方向，依次包括：一用以发射激光的激光管；一用以聚焦光束的显微物镜；一用以过滤激光束的空间高频分量的针孔装置，所述针孔装置处于显微物镜的焦点上；一准直镜，所述准直镜的后焦点与针孔重合，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；一组探测器，包括多个探测单元，其中包括环形探测器；一数据分析和输出装置，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；待测样品盛在样品池中，放置在测量单元的检测区域内，所述样品池的两个端面上分别设置入射窗口玻璃和出射窗口玻璃，其特征在于：所述两块玻璃朝向样品池内侧的侧面为平面，且该两平面相互平行，所述出射窗口玻璃的截面为多边形或由折线和曲线围成的不规则形，作为光源的激光束从入射窗口玻璃入射，携带颗粒大小及其含量信息的散射光同时从入射窗口玻璃和出射窗口玻璃出射。
2、根据权利要求1所述的一种激光粒度仪，其特征在于：所述入射窗口玻璃的截面为多边形或由折线和曲线围成的不规则形。
3、根据权利要求1所述的一种激光粒度仪，其特征在于：所述出射窗口玻璃(21)的截面为梯形，出射窗口玻璃(21)的顶面和内侧面的夹角小于90°。
4、根据权利要求1至3中任何一项所述的一种激光粒度仪，其特征在于：入射窗口玻璃(14)采用梯形截面结构，入射窗口玻璃(14)的底面和内侧面的夹角小于90°。
5、根据权利要求1所述的一种激光粒度仪，其特征在于：所述出射窗口玻璃(21)的纵向和横向截面均为梯形，出射窗口玻璃(21)为一种四棱锥台结构。
6、根据权利要求5所述的一种激光粒度仪，其特征在于：入射窗口玻璃(14)和出射窗口玻璃(21)的纵向和横向截面均为梯形，入射窗口玻璃(14)和出射窗口玻璃(21)均为一种四棱锥台结构。
7、根据权利要求1所述的一种激光粒度仪，其特征在于：所述测量单元包括水平基板(8b)；用以固定水平散射面上的光电探测器和环形光电探测器(8i)；样品池的测试窗(8g)；被测颗粒处于两块测试窗之间的狭缝中；若干个用以接受从窗口的平面和斜面出射的前向散射光的光电探测器处于水平面上；若干个用以接受从窗口的斜面和平面出射的后向散射光的光电探测器；以及若干个固定在垂直基板(8e)上的分别用以接收前向平面出射、前向斜面出射、后向平面出射和后向平面出射的散射光的光电探测器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |