激光粒度儀的工作原理詳解
點擊次數：10740 更新時間：2021-07-09
激光粒度儀所依據的物理原理是：當光束照射到顆粒上時，會偏離原來的傳播方向。當顆粒較大，尤其當顆粒具有較強的吸收性時，這種偏離的規律可以用光的衍射理論描述，因此該儀器在誕生時的正式名稱是“激光衍射法粒度分析儀”。但是在更一般的情況下，例如顆粒尺寸小于光波長，或者顆粒尺寸與光波長的尺度相近，并且對照明光透明，衍射理論不再適用，這時就需要用嚴格建立在麥克斯韋電磁波理論基礎上的米氏散射理論來描述。近年來國際上越來越多地把這種儀器稱為“靜態光散射法粒度分析儀”。這里強調“靜態”，是因為還有一種“動態”光散射粒度儀，又稱為“動態光散射納米粒度儀”。這是兩種不同原理、適用于不同粒徑范圍的粒度分析儀，但都用激光作為光源，且都利用了顆粒的散射光信號。靜態光散射粒度儀認為在某個測量點上，散射光的信號不隨時間變化(因而是靜態的)，測量粒度是利用不同散射角上的散射光信號，即散射光的空間分布；而動態光散射粒度儀是在一個固定的散射角上測量散射光隨時間的變化。
在一定條件下，顆粒越大，散射光的分布范圍越廣。當顆粒為理想圓球時(粒度測量中，都假設顆粒是理想圓球)，散射光斑由中心的亮斑和外圍一系列明暗相間的同心圓環組成，這樣的光斑稱為“愛里斑(Airy Disk)”。中心亮斑包含了衍射光(從一般意義上說，顆粒的散射光可近似看成衍射光和幾何散射光的相干疊加，但是幾何散射光不包含顆粒大小的信息，換言之，顆粒大小信息只包含在衍射光的分布中)總能量的83.8%，因此通常把中心亮斑的角半徑(從光斑中心點到第一個暗環的角距離)作為愛里斑的半徑，或作為顆粒對光的散射角θA。業界普遍認為：顆粒越小，θA越大。或者說：顆粒大小與愛里斑大小有一一對應關系。
從激光器發出的細激光束經過空間濾波和準直，成為一束平行、純凈的擴展光束，然后照射到測量池內。被測顆粒分散懸浮在池內的分散介質(例如，水)中。入射光如果遇到顆粒，就被散射，形成散射光；沒有遇到顆粒的光仍然是平行光，沿著原來的方向傳播。后者經過傅里葉透鏡后被會聚到光電探測器的中心，并穿過中心上的小孔，被中心探測器接收。散射光經過傅里葉透鏡后，相同散射角的光被聚焦到探測器的同一點上。因此探測器上的一個點代表一個散射角θ。探測器由多個獨立的探測單元組成，每個單元對應一個散射角區間。單元序號從探測器的中心往外，逐漸增大。探測單元的中心對應的散射角以及單元的接收面積均隨著序號增大呈指數式增大。每個單元輸出的光電信號正比于投射到該單元上的散射光功率(習慣上稱為“光能”)。所有單元輸出的信號組成了散射光能分布。雖然任意大小的顆粒的散射光斑的中心亮斑都是中心強而邊緣弱，但是散射光能分布的峰值則總是處在某個探測單元上。顆粒越小，散射光斑越大，散射光能分布的峰值就越往外。
