一种多光束单镜头激光粒度仪(一)

作者: 范继来 马明杰 董青云 |文章来源: 丹东百特仪器有限公司 丹东 118009 |时间: 2014-06-19 |关注 4979



摘要:本文介绍了一种三光束单镜头激光粒度仪,从理论和实践两个方面阐述了这种激光粒度仪的性能特点。并着重从应用方面展示了这种高性能激光粒度仪具有的一些独特的技术和优越的性能。
关键词:三光束,单镜头,量程

1、引言

激 光粒度仪是一种利用颗粒使激光发生散射的原理来测量粉体粒度的一种仪器,它已经成为国内外粒度测试的主要手段。目前,激光粒度测试技术发展迅速,新技术不 断涌现,新产品层出不穷,所追求的目标是高精度、高品质、宽量程、智能化。丹东百特仪器有限公司开发的三光束单镜头激光粒度仪,采用不同波长激光束、独特 的傅立叶镜头、独特的光学结构和光电探测器,使前向、侧向和后向的散射光都通过一个镜头汇聚到光电探测器上,简化了光学系统,降低了成本,扩大了量程。这 种新型激光粒度仪的研制成功,标志着丹东百特多光束激光粒度测试技术进入了实用化的阶段。

2、历史回顾

激 光粒度仪经过近50年的发展,国内外已经有很多规格和型号的产品。如果按光束和镜头数量来分类,大体可分为四种类型:一是“单光束单镜头”激光粒度仪,这 种类型的激光粒度仪有很多品牌和型号,产销量最多,应用领域广泛,现有的国产和进口的经济型激光粒度仪大多属于这种类型。二是“单光束多镜头”激光粒度 仪,这种产品是在“单光束单镜头”基础上发展起来的,目的是为了接收大角度散射光,扩大量程。三是“多光束多镜头”激光粒度仪,这是国外高性能激光粒度仪 的标志性技术,通过多束激光和多个镜头位置变化,更有效地接收大角度的散射光,从而达到扩大量程的目的。四是丹东百特研制的 “多光束单镜头”激光粒度仪,这种仪器通过巧妙的光路设计,使多个激光器产生的散射光都通过一个镜头来接收,保证了不同激光器的散射光接收的一致性,简化 了结构,降低了成本,同时扩大了量程,提高了测试精度。

光束
镜头特点
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。测试下限拓展有限。
多光束多镜头结构复杂,量程宽,成本相对较高,是国外高性能激光粒度仪普遍采用的技术。
多光束单镜头结构相对简单,量程宽,成本相对较高,由于采用单镜头结构,克服了镜头之间的差异带来的结果误差。

3、多光束单镜头光路系统的基本组成与量程

本文多光束系统主要指三光束。采用前向、前侧向和后侧向排列方式,其中后向激光器采用了波长更短的蓝光激光器。通过对激光器位置的有效排列,配合广角镜头和大尺寸光电探测器,使散射光的有效探测角度范围为0.08-156°,极限量程可达0.01—2000微米,光路系统基本组成如图1所示。  

图1、三光束单镜头光路系统示意图


那么,这样的系统的量程究竟能不能达到0.01—2000微米呢?

首先,采用短波长的激光器有利于拓展测试下限。测试下限能不能达到0.01微米,关键要设法使0.01微米附近的散射光能分布有明显的区分。通过对米氏散射理论研究,可以得到在短波长激光照射下,一些亚微米甚至纳米级颗粒的后向散射光能分布图谱,如图2。也可以得到在普通激光照射下同样粒径颗粒后向散射光能分布图谱,如图3。从两种光束对相同颗粒照射产生的后向散射图谱可以看出,短波长激光能使0.01微米附近的散射图谱有明显区别,普通波长的激光则不能使0.01微米附近的散射图谱有明显区别。可见,采用波长短的蓝色激光可提高量程下限的分辨率,对拓展量程下限极为有利,如果在实践中各个环节处理好,量程下限极限就可能够达到0.01微米。




图2  短波长激光大角度散射光分布
图3  普通激光大角度散射光分布

其次,高性能的镜头是实现扩展量程的关键。经过上述分析,我们知道在理论上短波长激光能使0.01微米附近的散射图谱有明显区别,但与微米粒径区段的散射 信号相比,这个区域的散射信号的区别的幅度仍然较小。分辨这种较小差别信号的一个重要条件是要有一个高性能的广角小相差镜头。要求该镜头应具备良好的平场 特性,有较小的场曲特性,有较小的球差特性和广角特性等等,为达到这些光学要求,我们设计了一个由四个透镜组成的镜头,如图4,其中透镜2和透镜3胶合在 一起,组成一个负焦距透镜,与透镜1和透镜3两个正焦距透镜组合正焦距透镜组合形成一个高性能的镜头,这样的设计保证大视场角散射光的不失真地汇聚到光电 探测器上,使系统的测试下限达到0.01微米。同时,该镜头还要保证中心视场角散射光(轴上) 的成像的质量达到衍射极限,从而保证测试上限达到2000微米。

第三,独特的光路结构有利于汇聚各个角度的散射光。本系统所采用的三光束光路架构如图5所示。

前 向红激光光束是沿着水平方向照射,穿过样品池和汇聚镜头后入射到光电探测器中心孔中,所产生的散射光角度0.08-47°;侧向绿激光光束沿着与水平光束 成35°角方向照射,所产生的散射光角度为35-83°;后向蓝激光光束放置在镜头后面,发出的是一束发散光束,经过镜头后变成平行光,所产生的散射光的 角度为109-156°。上述三个光束所产生的散射光经过同一个镜头汇聚到同一个探测器上,使数据处理具有连续性和一致性。

第四,光电探测器的性 能是扩大量程的重要前提。本系统所采用的光电探测器阵列是由交叉排列的扇形和矩形光电探测器组合排列而成,具有灵敏度高、尺寸大和中心孔小等特点,同时具 备接收大角度的和小角度的散射光。其中最小探测角度为0.08°,最大探测角度达到了156°,能够同时满足量程上限下限的要求。加探测器的结构如图6所 示。

图4、组合镜头结构示意图图5、光路架构示意图图6、光电探测器基本结构示意图



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