CN1865918A - 共轴双探测面的激光粒度仪 - Google Patents

Abstract

一种共轴双探测面的激光粒度仪。解决现有激光粒度仪，尤其是干法测量的激光粒度仪动态范围较小、不能满足宽分布粒径测量需要、调整也比较繁琐的问题。本发明包括激光发射器和接收器，接收器包括与激光发射器光束同轴依次设置的第一透镜、位于第一透镜焦平面上的第一多元光电探测器、第二透镜、位于第一与第二透镜组合焦平面上的第二多元光电探测器。该激光粒度仪一次就能完成总量程范围内的粒度测量，扩大了动态范围，尤其适用工作距离比较大的颗粒度测量。多元光电探测器整体制作，光电特性一致性好，对于信号采集有利，也容易获得无探测盲区的信号；测量时器件间的相对位置保持不变，简化了仪器调整和测量操作，可提高自动化测量水平。

Description

共轴双探测面的激光粒度仪

【技术领域】：本发明涉及一种激光粒度仪，尤其是测量喷雾或粉体粒度的干法激光粒度仪。

【背景技术】：激光粒度仪是目前广泛应用的颗粒粒度测量仪器，它是根据光的衍射(或散射)原理工作的。在不同衍射角处接收信号时，光电探测器(环)对不同尺寸颗粒衍射光的敏感程度不同，由此可以确定可测粒径范围(量程)，它与探测环半径成反比，与透镜焦距和入射光波长成正比。若在长焦距下测量小粒子，需要很大的探测环半径，制作比较困难且测量时信噪比太大，因而在长焦距时激光粒度仪工作在很小的角度，测量大粒子信息；短焦距虽然测量小粒子信号较好，但若测量很大的颗粒，最小环半径需要低至十几微米，受光学系统爱里斑尺寸和光电探测器特性影响，探测有效信号比较困难。

为了获得较大的量程，传统的做法是更换不同焦距的多个镜头。激光粒度仪能同时测量的最大与最小粒径比称为动态范围。通过更换镜头虽然获得的总量程较大，但测量的动态范围较小，不能满足宽分布粒径测量需要，调整也比较繁琐，限制了激光粒度仪的应用和标准化操作。近年来，逆傅立叶变换结构、在侧向和后向增加探测器、使用双光束或偏振光强度差等方法相继被采用，这些方法在扩大动态范围、尤其是将测量下限延伸到亚微米级取得了很好效果。但是在微米级颗粒测量中，上述结构显得比较复杂，尤其在喷雾及粉体干法测量领域，由于工作距离(指样品覆盖的范围)大，使用上述方法比较困难。

【发明内容】：本发明的目的是解决现有激光粒度仪，尤其是干法测量的激光粒度仪动态范围较小、不能满足宽分布粒径测量需要、调整也比较繁琐的问题，提供一种共轴双探测面的激光粒度仪。

本发明提供的共轴双探测面的激光粒度仪，包括激光发射器和接收器，接收器包括与激光发射器光束同轴依次设置的第一透镜、位于第一透镜的焦平面(P₁)上的第一多元光电探测器、第二透镜、位于第一与第二透镜的组合焦平面(P₂)上的第二多元光电探测器。接收器中的透镜及多元光电探测器同时安装在一个镜筒内。

第一多元光电探测器可在镜筒内的垂轴平面内做二维移动。

对于采用湿法测量，需要在激光发射器和接收器之间设置样品池，它的中心也位于光轴上。

本发明的优点和积极效果：本发明提供的激光粒度仪一次就能完成总量程范围内的粒度测量，扩大了动态范围，尤其适用工作距离比较大的颗粒度测量。因为多元光电探测器整体制作，光电特性一致性好，所以对于信号采集有利，也容易获得无探测盲区的信号；测量时器件间的相对位置保持不变，简化了仪器调整和测量操作，可以提高自动化测量水平。

【附图说明】：

图1是本发明提供的激光粒度仪的系统原理图；

图2是接收器结构示意图；

图3是本发明提供的分体式激光粒度仪系统结构示意图；

图4是第一多元探测器的典型结构示意图；

图5a、图5b是预对中套筒结构主视及侧视示意图；

图6a、图6b是精确对中套筒结构主视及侧视示意图；

图7a、图7b是对中第一多元探测器的垂轴二维平移机构主视及侧视示意图。

【具体实施方式】：

实施例1：

如图1、2、3所示，本发明提供的共轴双探测面的激光粒度仪为分体结构。包括激光发射器1和接收器21，激光发射器1带有空间滤波、扩束和准直装置，作用是提供准直光束。它可以与接收器做成整体结构，当测量喷雾或喷粉时，为了获得较长的工作距离一般做成分体结构，如图3所示分体式干法激光粒度仪。

接收器21包括与激光发射器光束同轴依次设置的第一透镜3、位于第一透镜的焦平面P₁上的第一多元光电探测器4、第二透镜5、位于第一与第二透镜的组合焦平面P₂上的第二多元光电探测器6，它们的透光中心位于同一个透光轴上。接收器中的透镜及多元光电探测器同时安装在一个镜筒7内(见图2)。2为待测颗粒样品区，探测信号的平面为透镜3的焦平面P₁和透镜3与5的组合焦平面P₂。P₁面的第一多元光电探测器4(见图4)中间为孔19，外面为对称布置的对中环17，和有效信号探测环18。P₂面与P₁面关于透镜5共轭。大颗粒的衍射光可以通过P₁面的中央孔19照射到P₂面的第二多元光电探测器6上，小粒子衍射信号直接在P₁面接收，从而可以同时使用两个探测面上的衍射光信号进行处理来扩大动态范围。对于透镜5来讲，P₁面为入瞳面，P₂面为出瞳面，P₁面上第一探测器4的中央孔19为孔径光阑，当P₂面探测环尺寸小于出瞳尺寸时，孔阑本身不会对P₂面信号产生影响。

透镜3焦距为f₁’，为了获得较大的工作距离，其口径可为60mm以上。透镜5焦距为f₂’，为了缩短仪器整体结构，一般f₁’＞f₂’。透镜3和透镜5的组合焦距为f’，f’＞＞f₁’，典型值为5～10。透镜3和透镜5间的距离根据f’、f₁’和f₂’由组合透镜成像公式确定。多元探测器4(见图4)和6一般为半圆形或扇形结构，半径由内到外分别为S₁ ⁽¹⁾～S_N+1 ⁽¹⁾和S₁ ⁽²⁾～S_M+1 ⁽²⁾，N、M分别表示多元探测器4和6的探测环序号，由内到外依次增大，为了获得无探测盲区的信号需满足下面的关系式

$S_1^{\left(1\right)}/{{f_1}^{\′}=S}_{M+1}^{\left(2\right)}/f^{\′}$ ①

多元光电探测器4和6探测光信号并转换成电信号经放大后转入计算机进行处理，即可得出测试结果。

激光粒度仪工作过程分为：仪器对中和测量两部分。对中是将仪器的器件中心定位在光轴上，测量是获得待测样品的数据。

分体结构的仪器对中分为预对中和精确对中两个步骤(见图5、图6)。附图5是预对中套筒结构图，8为透明玻璃板，中心处有直径与激光束光斑直径相等的刻线11，9为镜筒、10为金属板，中心处有直径与激光束光斑直径相等的刻线12。预对中时，将对中套筒9套在镜筒7上、透镜3的前面，调整激光发射器1和底座22的调整螺钉20，当光斑完全通过刻线11并照射在刻线12内时完成预对中。此步骤只需在仪器安装时调整一次。

附图6是精确对中套筒结构图，13为套筒，14为粒子板，其中心处有圆形的粒子群15、直径与激光束光斑直径相等的刻线16。精确对中是在预对中完成之后，将精确对中套筒13套在镜筒7上、透镜3前面，微调整底座的调整螺钉20，使光斑落在刻线16内；然后根据多元光电探测器6的对中装置(本发明图中省略)调整镜筒7与底座22的相对位置，使聚焦光斑落在多元探测器6的中心。上述调整之后，再根据多元探测器4的对中环17上衍射光能变化，通过调整手轮24使滑块23、25沿垂轴方向做二维平移，从而使多元探测器4对中，如图7所示。此步骤在每次测量前都需要进行操作。

测量时，首先在未通入喷雾或粉体样品(在样品区2的位置)时测量背景光，然后通入样品，使激光发射器1发出的平行光被样品衍射，其衍射光经透镜3和5照射在多元光电探测器4、6上产生电信号，将电信号放大后输入计算机处理，得出测试结果。

测量前，对透镜5预先测定其透射系数，以修正输入计算机的数据。

当采用湿法测量时需要使用样品池(参见图1)，它的中心也位于光轴上；干法测量时不需要样品池(参见图3)，在相应区域直接喷射样品，喷射的范围(即激光粒度仪的工作距离)由透镜3的口径决定，最大可达到6米。

实施例2：

本发明提供的共轴双探测面的激光粒度仪也可以制成整体结构式，整体结构的仪器不需要进行预对中，其它工作过程与分体式结构仪器相同，本例附图省略。

Claims (3)

1、一种共轴双探测面的激光粒度仪，包括激光发射器和接收器，其特征是接收器包括与激光发射器光束同轴依次设置的第一透镜、位于第一透镜的焦平面(P₁)上的第一多元光电探测器、第二透镜、位于第一与第二透镜的组合焦平面(P₂)上的第二多元光电探测器。

2、根据权利要求1所述的共轴双探测面的激光粒度仪，其特征是接收器中的第一透镜、第一多元光电探测器、第二透镜和第二多元光电探测器同时安装在一个镜筒内。

3、根据权利要求2所述的共轴双探测面的激光粒度仪，其特征是第一多元光电探测器可在镜筒内的垂轴平面内做二维移动。

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