1、引言

      激光粒度儀是一種利用顆粒使激光發(fā)生散射的原理來測量粉體粒度的一種儀器，它已經(jīng)成為國內外粒度測試的主要手段。目前，從事激光粒度測試技術發(fā)展迅速，新技術不斷涌現(xiàn)，新產(chǎn)品層出不窮，所最求的目標是高精度、高品質、寬量程、智能化。丹東百特儀器有限公司開發(fā)的三光束單鏡頭激光粒度儀，采用不同波長激光束、獨特的傅立葉鏡頭、獨特的光學結構和光電探測器，使前向、側向和后向的散射光都通過一個鏡頭匯聚到光電探測器上，簡化了光學系統(tǒng)，降低了成本，擴大了量程。這種新型激光粒度儀的研制成功，標志著丹東百特多光束激光粒度測試技術進入了實用化的階段。

 
2、歷史回顧

      激光粒度儀經(jīng)過近50年的發(fā)展，國內外已經(jīng)有很多規(guī)格和型號的產(chǎn)品。如果按光束和鏡頭數(shù)量來分類，大體可分為四種類型：一是“單光束單鏡頭”激光粒度儀，這種類型的激光粒度儀有很多品牌和型號，產(chǎn)銷量最多，應用領域廣泛，現(xiàn)有的國產(chǎn)和進口的經(jīng)濟型激光粒度儀大多屬于這種類型。二是“單光束多鏡頭”激光粒度儀，這種產(chǎn)品是在“單光束單鏡頭”基礎上發(fā)展起來的，目的是為了接收大角度散射光，擴大量程。三是“多光束多鏡頭”激光粒度儀，這是國外高性能激光粒度儀的標志性技術，通過多束激光和多個鏡頭位置變化，更有效地接收大角度的散射光，從而達到擴大量程的目的。四是丹東百特研制的 “多光束單鏡頭”激光粒度儀，這種儀器通過巧妙的光路設計，使多個激光器產(chǎn)生的散射光都通過一個鏡頭來接收，保證了不同激光器的散射光接收的一致性，簡化了結構，降低了成本，同時擴大了量程，提高了測試精度。

 

 

3、多光束單鏡頭光路系統(tǒng)的基本組成與量程

      本文多光束系統(tǒng)主要指三光束。采用前向、前側向和后側向排列方式，其中后向激光器采用了波長更短的藍光激光器。通過對激光器位置的有效排列，配合廣角鏡頭和大尺寸光電探測器，使散射光的有效探測角度范圍為0.08-156°，極限量程可達0.01—2000微米，光路系統(tǒng)基本組成如圖1所示。

 

      那么，這樣的系統(tǒng)的量程究竟能不能達到0.01—2000微米呢？
      首先，采用短波長的激光器有利于拓展測試下限。測試下限能不能達到0.01微米，關鍵要設法使0.01微米附近的散射光能分布有明顯的區(qū)分。通過對米氏散射理論研究，可以得到在短波長激光照射下，一些亞微米甚至納米級顆粒的后向散射光能分布圖譜，如圖2。也可以得到在普通激光照射下同樣粒徑顆粒后向散射光能分布圖譜，如圖3。從兩種光束對相同顆粒照射產(chǎn)生的后向散射圖譜可以看出，短波長激光能使0.01微米附近的散射圖譜有明顯區(qū)別，普通波長的激光則不能使0.01微米附近的散射圖譜有明顯區(qū)別。可見，采用波長短的藍色激光可提高量程下限的分辨率，對拓展量程下限極為有利，如果在實踐中各個環(huán)節(jié)處理好，量程下限極限就可能夠達到0.01微米。

 

      其次，高性能的鏡頭是實現(xiàn)擴展量程的關鍵。經(jīng)過上述分析，我們知道在理論上短波長激光能使0.01微米附近的散射圖譜有明顯區(qū)別，但與微米粒徑區(qū)段的散射信號相比，這個區(qū)域的散射信號的區(qū)別的幅度仍然較小。分辨這種較小差別信號的一個重要條件是要有一個高性能的廣角小相差鏡頭。要求該鏡頭應具備良好的平場特性，有較小的場曲特性，有較小的球差特性和廣角特性等等，為達到這些光學要求，我們設計了一個由四個透鏡組成的鏡頭，如圖4，其中透鏡2和透鏡3膠合在一起，組成一個負焦距透鏡，與透鏡1和透鏡3兩個正焦距透鏡組合正焦距透鏡組合形成一個高性能的鏡頭，這樣的設計保證大視場角散射光的不失真地匯聚到光電探測器上，使系統(tǒng)的測試下限達到0.01微米。同時，該鏡頭還要保證中心視場角散射光(軸上) 的成像的質量達到衍射極限，從而保證測試上限達到2000微米。

      第三，獨特的光路結構有利于匯聚各個角度的散射光。本系統(tǒng)所采用的三光束光路架構如圖5所示。

 

      前向紅激光光束是沿著水平方向照射，穿過樣品池和匯聚鏡頭后入射到光電探測器中心孔中，所產(chǎn)生的散射光角度0.08-47°；側向綠激光光束沿著與水平光束成35°角方向照射，所產(chǎn)生的散射光角度為35-83°；后向藍激光光束放置在鏡頭后面，發(fā)出的是一束發(fā)散光束，經(jīng)過鏡頭后變成平行光，所產(chǎn)生的散射光的角度為109-156°。上述三個光束所產(chǎn)生的散射光經(jīng)過同一個鏡頭匯聚到同一個探測器上，使數(shù)據(jù)處理具有連續(xù)性和一致性。
      第四，光電探測器的性能是擴大量程的重要前提。本系統(tǒng)所采用的光電探測器陣列是由交叉排列的扇形和矩形光電探測器組合排列而成，具有靈敏度高、尺寸大和中心孔小等特點，同時具備接收大角度的和小角度的散射光。其中最小探測角度為0.08°，最大探測角度達到了156°，能夠同時滿足量程上限下限的要求。加探測器的結構如圖6所示。

      第五，高精度的、穩(wěn)定的反演算法是實現(xiàn)系統(tǒng)設計要求的保證。激光粒度測試的直接物理量是散射光能分布，如果不能真實有效地將接收的散射光能分布反演為粒度分布，其它的種種努力將毫無意義。因此反演算法的優(yōu)劣對拓寬量程起著至關重要的作用。經(jīng)過長期深入研究和反復實踐，在本系統(tǒng)中采用的反演算法具有精度高、速度快、穩(wěn)定性好的效果。圖7的上半部分值六個隨機樣品的理論粒度分布，下半部分是通過理論粒度得到散射光能分布后再進行反演計算得到的粒度分布，可以看出兩組對應的粒度分布十分接近。

 

      第六，實際測試結果效果良好。通過采用短波長激光、組合鏡頭、特殊光路結構、大尺寸光電探測器以及獨特的反演算法等措施后，系統(tǒng)能不能對量程所覆蓋的所有粒度范圍的的樣品都進行有效測量，特別是能否對粒度分布在量程的上限和下限附近的樣品進行有效測量，是本系統(tǒng)成敗的關鍵，這就對制造環(huán)節(jié)提出了更高的要求。比如在光電探測器設計、選材、制作方面；在鏡頭的設計、參數(shù)確定和安裝方面；在激光器選擇及其位置排列方面；在樣品池的材料與制作工藝方面都需要做大量的工作，使設計方案得以實現(xiàn)。圖8是對粗、中、細三種不同粒度的樣品進行粒度測試的的結果。從這三個測試結果可以看出，本系統(tǒng)無論對最小粒徑接近量程下限的樣品，還是對最大粒徑接近量程上限的樣品，都具有較好的效果。