CN201773057U

CN201773057U - 一种激光粒度仪

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Publication number: CN201773057U
Application number: CN2010201636064U
Authority: CN
Inventors: 张福根
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-04-13
Filing date: 2010-04-13
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2020-04-13

Abstract

本实用新型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散射光出射的限制，使散射角从0°到180°的散射光全部能够出射到空气中，被探测器所接收，从而有效地改善了微米以下颗粒的粒度测量效果。包括有：光发射装置、盛放待测样品的样品池、探测装置以及用以分析散射光能分布数据并得出被测样品的粒度分布结果的数据分析和输出设备；样品池放置有入射窗口玻璃和出射窗口玻璃，相互平行；光发射装置发射的激光光源照射在入射窗口玻璃上；盛放待测样品的样品池放置在探测装置的检测区域内；入射窗口玻璃和出射窗口玻璃的法线与光发射装置的主光轴之间有一个倾斜角；光发射装置只发出一束偏振方向垂直于散射面的线偏振光。

Description

一种激光粒度仪

技术领域

本实用新型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，用以产生激光；一显微物镜，用以聚焦激光束；一针孔装置，处于显微物镜的焦点上，用以过滤光波的空间高频分量；一准直镜或会聚透镜，将光束变成截面有一定大小(典型值为直径10mm)的平行光或会聚光(前述激光管、显微物镜、针孔、透镜组成“光发射装置”)；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测量窗口玻璃，以便让入射光射到被测颗粒上，同时让散射光出射，通常玻璃与入射光(的中心光线或主轴)垂直；如果入射光是平行光，则样品池后有一个或多个富里叶透镜，将被颗粒散射的光线聚焦；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，就会产生散射光，它们将被聚焦到探测器的各单元上；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，粉末颗粒与液体的混合液动态地(以防止颗粒下沉)盛在样品池(如附图1)内。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，入射光垂直于玻璃平面，作为入射光的激光束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°。换言之，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。这种方案的缺点是光学结构比较复杂，且两束不同的入射光产生的散射光的数据在结合部的拼接是个棘手的问题。

发明内容

为了克服现有激光粒度仪技术的不足，本实用新型的目的在于：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散射光出射的限制，使散射角从0°到180°的散射光全部能够出射到空气中，被探测器所接收，从而有效地改善了微米以下颗粒的粒度测量效果，从而显著改善了激光粒度仪在1微米以下的测量效果。

本实用新型是通过以下技术方案来实现的：

一种激光粒度仪，包括有：用以发射激光束的光发射装置、盛放待测样品的样品池、探测装置以及用以分析散射光能分布数据并得出被测样品的粒度分布结果的数据分析和输出设备；所述样品池放置有入射窗口玻璃和出射窗口玻璃，入射窗口玻璃和出射窗口玻璃之间间隔有距离，入射窗口玻璃和出射窗口玻璃相互平行；所述光发射装置发射的激光束照射在入射窗口玻璃上；所述盛放待测样品的样品池放置在仪器的检测区域内；所述入射窗口玻璃和出射窗口玻璃的法线与光发射装置的主光轴之间有一个倾斜角；所述光发射装置是只发出一束激光束的装置；探测装置包括有一个以上的前向探测器和一个以上的后向探测器，所述前向探测器置于光发射装置的主光轴的上方，后向探测器置于光发射装置的主光轴的下方。

所述光发射装置是能发出垂直于散射面的偏振激光束的装置。

所述倾斜角的角度范围是0°到90°。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型的一种激光粒度仪，由于入射窗口玻璃和出射窗口玻璃的法线与光发射装置的主光轴之间具有一个不等于0°的倾斜角；所述光发射装置为单光束发生装置；探测装置包括有一个以上的前向探测器和一个以上的后向探测器，所述前向探测器置于光发射装置的主光轴上方，后向探测器置于光发射装置的主光轴下方。作为入射光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散射光出射的限制，能够方便地获得从0°到180°的连续的散射光能信息，从而显著改善了1微米以下颗粒的测量质量，简化了仪器的结构。本实用新型是对激光粒度测量仪器的技术水平的重要提升。

附图说明

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是本实用新型一种激光粒度仪的测试窗口的结构和光路示意图；

图4是本实用新型一种激光粒度仪的测试窗口实施例的结构和光路示意图；

图5是本实用新型一种激光粒度仪测试各种微小颗粒散射光能的分布曲线图。

附图标记说明：

1、激光束，2、入射窗口玻璃，4、出射窗口玻璃，9、主光轴，12、入射窗口玻璃法线，13、出射窗口玻璃法线，14、前向探测器，15、后向探测器，16、前向大角散射光线，17、后向散射光线，18、光发射装置，19、第一后向探测器，20、第二后向探测器，21、第三后向探测器，22、小角环形探测器阵列，23、中心探测器，24、第一探测器，25、第二探测器，26、第三探测器，27、第四探测器，28、第五探测器，29、第六探测器。

具体实施方式

本实用新型公开一种激光粒度仪，如图3，包括有：用以发射激光束的光发射装置、盛放待测样品的样品池、探测装置以及用以分析散射光能分布数据并得出被测样品的粒度分布结果的数据分析和输出设备；所述样品池放置有入射窗口玻璃2和出射窗口玻璃4，入射窗口玻璃2和出射窗口玻璃4之间间隔有距离，入射窗口玻璃2和出射窗口玻璃4相互平行；所述光发射装置发射的激光束1照射在入射窗口玻璃2上；所述盛放待测样品的样品池放置在仪器的检测区域内；所述入射窗口玻璃2和出射窗口玻璃4的法线12、13与光发射装置的主光轴9之间有一个倾斜角；所述光发射装置是只发出一束激光束的装置；探测装置包括有一个以上的前向探测器14和一个以上的后向探测器15，所述前向探测器14置于光发射装置的主光轴9的上方，后向探测器置15于光发射装置的主光轴9的下方。

所述倾斜角的角度范围是0°到90°。

所述入射窗口玻璃2和出射窗口玻璃4为平板玻璃，其截面为长方形，所述倾斜角为70°。

本实用新型提出一种测量窗口斜置的光学结构，如附图3所示。在本结构中，入射窗口玻璃2和出射窗口玻璃4相互平行，其法线12和13相对于光学系统的主光轴9有一个倾斜角，该倾斜角的角度范围是0°到90°；入射光线1只需一束。

下面以水介质为例，说明本实用新型的工作原理及优势。当悬浮介质是水(实用中最常用的介质)时，窗口玻璃的倾斜角可以取70°，根据折射定律可以算出，唯一的入射光线1沿着主光轴9方向入射，因此其入射角为70°，折射到水介质中时，与前、后窗口玻璃法线的夹角为45°。这样，入射光线和小角散射光线(对应于大颗粒)从出射窗口玻璃4出射时，相对于出射窗口玻璃4的入射角为45°左右，出射到空气中的出射角为70°左右，仍然沿着主光轴方向。而对前向大角散射光而言，即使散射角达到90°(前向大角的极限)，如前向大角散射光线16，其相对出射窗口玻璃4的入射角也是45°，小于水对空气的全反射角48°，可以顺利折射到空气中，被前向探测器14接收。对于后向散射光线17，由于后向探测器置15置于主光轴的下方，即使散射角达到180°，其相对入射窗口玻璃2的入射角也是45°，可以顺利出射到空气中，被后向探测器接收。由此可见，采用本实用新型，可以实现0°到180°任意方向散射光的连续接收，从而极大地改善静态光散射粒度仪在亚微米范围的测量精度，而入射光只有一束，结构非常简单。

实施例：

附图4是本实用新型实施例的示意图。

光发射装置18位于入射窗口玻璃2和出射窗口玻璃4的前方，所述出射窗口玻璃4的后方，设置有小角环形探测器阵列22。

所述小角环形探测器阵列22围绕圆心半径约0.2毫米的区域是通透的。

所述探测装置包括有位于所述小角环形探测器阵列22后方的中心探测器23。

所述前向探测器14包括有多个大角探测器(单元)，本实施例中，包括有分布在圆弧轨迹上的第一探测器24、第二探测器25、第三探测器26、第四探测器27、第五探测器28、第六探测器29等等。

后向探测器置15包括有：第一后向探测器19、第二后向探测器20、第三后向探测器21等等。

从光发射装置18发出一束汇聚的激光束，穿过测量窗口(前、后窗口玻璃分别为入射窗口玻璃2和出射窗口玻璃4)，聚焦在小角环形探测器阵列22的共同圆心上。探测器阵列22围绕圆心半径约0.2毫米的区域是通透的，因此未经颗粒散射的光线将穿过该圆心，照到中心探测器23上。为了有效地提高对小颗粒的测量灵敏度，可采用垂直线偏振光装置产生垂直偏振的激光束。当样品池内有颗粒时，将产生散射光。小角度的散射光将被小角探测器阵列22接收。大角度的散射光当它在介质(假定为水)中的散射角小于等于90°(称为“前向散射”)时，将被分立的大角探测器24-29(图中所示的探测器个数是示意性的，并不代表实际的个数)所接收，其中对应于介质中90°散射角的探测器29对应空气中的散射角为140°。后向散射光(对应于介质中的散射角为90-180°)被后向探测器21-19接收(类似于前向散射，图中所示的探测器个数是示意性的，并不代表实际的个数)。如此，采用本实用新型的仪器就能连续地测量0-180°角度范围(全范围)内任意角度的散射光能。

表1给出了经过优化的所有探测器的放置角度及其有效探测面积，其中有效探测面积是指扣除了探测器与散射源之间的距离、窗口玻璃的透射系数及光电转换效率的影响之后的理论面积。

表1

序号

角度(°)

面积(mm²)

序号

角度(°)

面积(mm²)

序号

角度(°)

面积(mm²)

1

1.51E 02

3.00E-02

25

5.36E-01

5.03E-01

49

1.01E+01

1.70E+01

2

2.11E-02

3.63E-02

26

6.06E-01

5.24E-01

50

1.16E+01

1.82E+01

3

2.89E-02

4.38E-02

27

6.98E-01

5.46E-01

51

1.31E+01

1.94E+01

4

3.66E-02

5.28E-02

28

7.83E-01

5.67E-01

52

1.53E+01

2.07E+01

5

4.44E-02

6.34E-02

29

8.85E-01

5.89E-01

53

1.74E+01

2.19E+01

6

5.21E-02

7.60E-02

30

1.00E+00

6.10E-01

54

1.96E+01

2.32E+01

7

5.99E-02

9.08E-02

31

1.13E+00

6.32E-01

55

2.17E+01

2.45E+01

8

6.76E-02

1.08E-01

32

1.28E+00

6.53E-01

56

2.45E+01

2.59E+01

9

7.58E-02

1.29E-01

33

1.45E+00

6.75E-01

57

2.79E+01

2.72E+01

10

8.49E-02

1.53E-01

34

1.64E+00

6.96E-01

58

3.12E+01

2.85E+01

11

9.56E-02

1.81E-01

35

1.85E+00

7.17E-01

59

3.46E+01

2.97E+01

12

1.08E-01

2.14E-01

36

2.09E+00

7.39E-01

60

3.86E+01

3.10E+01

13

1.22E-01

2.52E-01

37

2.36E+00

7.60E-01

61

4.36E+01

3.22E+01

14

1.38E-01

2.96E-01

38

2.66E+00

7.82E-01

62

4.92E+01

3.33E+01

15

1.56E-01

3.47E-01

39

3.00E+00

7.38E+00

63

5.56E+01

3.44E+01

16

1.77E-01

3.10E-01

40

3.37E+00

8.12E+00

64

6.29E+01

3.55E+01

17

2.00E-01

3.31E-01

41

3.78E+00

8.91E+00

65

7.10E+01

3.64E+01

18

2.27E-01

3.53E-01

42

4.23E+00

9.74E+00

66

8.03E+01

3.73E+01

19

2.56E-01

3.74E-01

43

4.75E+00

1.06E+01

67

9.07E+01

3.81E+01

20

2.90E-01

3.96E-01

44

5.54E+00

1.16E+01

68

1.03E+02

3.88E+01

21

3.27E-01

4.17E-01

45

6.14E+00

1.26E+01

69

1.16E+02

3.95E+01

22

3.70E-01

4.39E-01

46

6.99E+00

1.36E+01

70

1.31E+02

4.00E+01

23

4.19E-01

4.60E-01

47

7.93E+00

1.47E+01

71

1.48E+02

4.04E+01

24

4.74E-01

4.81E-01

48

8.95E+00

1.58E+01

72

1.67E+02

4.06E+01

图5给出了各种微小颗粒在本实施例中产生的散射光的(相对)能量分布图，曲线30-39分别代表直径为0.02、0.04、0.095、0.15、0.20、0.28、0.40、0.55、0.77、1.07微米颗粒的光能分布曲线。由图5可见，这些光能分布呈现出以下特征：

(1)每种粒径的颗粒的光能分布都是连续光滑的，且有一个明显的主峰；

(2)不同粒径的光能分布之间有明显的差异，这种差异是有规律的，即颗粒越小，光能分布的主峰越靠右(散射角越大)。所以利用本实用新型，可以很好地测量1微米至0.02微米大小的任意颗粒。

上述所列具体实现方式为非限制性的，对本领域的技术人员来说，在不偏离本实用新型范围内，进行的各种改进和变化，均属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种激光粒度仪，包括有：用以发射激光束的光发射装置、盛放待测样品的样品池、探测装置以及用以分析散射光能分布数据并得出被测样品的粒度分布结果的数据分析和输出设备；所述样品池放置有入射窗口玻璃(2)和出射窗口玻璃(4)，入射窗口玻璃(2)和出射窗口玻璃(4)之间间隔有距离，入射窗口玻璃(2)和出射窗口玻璃(4)相互平行；所述光发射装置发射的激光束(1)照射在入射窗口玻璃(2)上；所述盛放待测样品的样品池放置在仪器的检测区域内；其特征在于：所述入射窗口玻璃(2)和出射窗口玻璃(4)的法线(12、13)与光发射装置的主光轴(9)之间有一个倾斜角；所述光发射装置是只发出一束激光束的装置；探测装置包括有一个以上的前向探测器(14)和一个以上的后向探测器(15)，所述前向探测器(14)置于光发射装置的主光轴(9)的上方，后向探测器置(15)于光发射装置的主光轴(9)的下方。

2.根据权利要求1所述的一种激光粒度仪，其特征在于：所述光发射装置是能发出垂直于散射面的偏振激光束的装置。

3.根据权利要求1所述的一种激光粒度仪，其特征在于：所述倾斜角的角度范围是0°到90°。

4.根据权利要求3所述的一种激光粒度仪，其特征在于：所述入射窗口玻璃(2)和出射窗口玻璃(4)为平板玻璃，所述倾斜角为70°。