浅析激光粒度仪的应用及其发展前景 王滕／文 颗粒的粒度拉形是决定物料性能的重要参数之一，食品，医药，化工、电池等众多 行业对颗粒的拉度粒形都有严格要求。有效地测量与控制颗粒粒度及其分布，对提高产 品质量、降低能源消耗、控制环境污染、保护人类的健康等具有重要意义。本文从激光 拉度仪的结构。工作原理。仪器选用。应用等方面综述了激光粒度仪发展现状，并对激 光拉度仪的进一步发展做出了展望。 引言 光是一种电磁波，当光束前进过程 就越大。这样，测量不同角度上的散 点是测量的动态范围宽、测量速度快、 中遇到颗粒时，将发生散射现象，散射 射光的强度，就可以得到样品的粒度 操作方便，尤其适合测量粒度分布范围 光与光束初始传播方向形成一个夹角 分布了。 宽的粉体和液体雾滴“。Ｊ。激光粒度仪 ｅ，散射角的大小与颗粒的粒径相关， 激光粒度分析仪就是利用光的散射 作为一种测试性能优异和适用领域极广 颗粒越大，产生的散射光的ｅ角就越 原理测量粉颗粒大小的，是一种当前粒 的粒度测试仪器，已经在其他粉体加工 小；颗粒越小，产生的散射光的ｅ角 度测量领域应用最广泛的粒度仪。其特 与应用领域得到广泛的应用。 １激光粒度仪结构 光源（通常为激光）：用来产生单 散的颗粒； 而引起的离心甩力； 色的、相干的和平行的光束； 颗粒分散装置：分为湿法和干法， 测量散射谱的探测器：大量的光电 光束处理单元（即扩柬器）：带有 其中，物料中团聚的颗粒依靠三种途径 二极管组成； 积分过滤器的一个光束放大器，产生一 被分散：颗粒间的碰撞、颗粒与分散管 计算机：用于控制设备和计算颗粒 束扩展的近乎理想状态的光束来照射分 壁的碰撞、分散管中因极高的速度梯度 粒度分布。 （一 、～＿ ＿—、） ， Ｉ 一Ｉ ｌ Ｌ Ｉ ｒ 蔓霹…Ｊ …… 篓曼一 Ｉ…！ ……Ｉ… ．．． ｉ 三 圈１激光粒度仪结构简图 中国粉体工业２０１７ Ｎｏ．１ Ｉ ｍ ２激光粒度仪工作原理 从激光器发出的激）匕求经 微镜聚 殳１ ４所示。进‘步侧：究表｝ ２．１激光束在无阻碍状态下的传播 【敞射光的 焦、针孔滤波和准直镜准＿ｌ＝ｌ｛＝后，变成直 ｝丰１于激光具有很好的 包性和极强 强度代表该粒径颗粒的数鞋。这样，测 径约１０ｍｍ的平行光束，该光束照射到 的方向性，所以在没仃 ｌ 的厄 。：！ ｆｌ 量不『卅角度上的敝射光的做度，就可以 。 待洲的颗粒上，一部分光被散射，散射 激） 将会照射到无穷远的地 ， Ｈ 他 得到样晶的粒度分们Ｊ光经傅 叶透镜后，照射到Ｊｈ电探测器 播过 『ｆ１很少有发散的现象．圳 ３所示。 阵列 由于广电探测器处 傅 叶透 ２．３不同角度的散射光强度 为了，测最不ｌ州角度｝ 的散射光的 ２．２不同粒径颗粒的散射效果 镜的焦下面上，囡此探测 ｌ 的化‘ ｔ米氏ｌ敦射 论 叫，“１光束遇到颗 强，需要运用光学ｒ段对敞射光进仃处 ｛ 澈射现象， 都对ｆ、 于某一确定的散射『ｆ】。广电探洲 札阻捎时，一部分此将发，理。在光束中的适 １化西上放 一个富 器阵列山一系列 心环带纰成，每１＼环 散射光的传播方向将 ， 匕【 的传播方 氏透镜，在该富氏透镜的 焦 卜而 放 带足一个的探测器，能将投别剑』－ 肜成・个吱角０，０ ｆｆｊ的人小 置一绀多元光电探测 ，不 角度的散 而的散射光能线性地转换成电压，然后 粒的大小有芙，颗 越 ，送给数据采集卡，该卡 ｕ信 放人， 比的０角就越小； 的敞射 射光通过富氏透镜照射到多兀光电探测 粒越小，Ｊ 生的 器Ｅ时，光信号将被转换成电信号井传 １ｌＪ小角度（０） 输到电脑中，通过々朋软什对这些信号 在进行Ａ／Ｄ转后后送人汁∞：机通过技 散射光的０角就越人。【术的进步，测量下限可到０．１ｕｒｅ，仃的 的散射ｊ匕是有火颗粒 ｊｌ越的；人伯 呵达０．０２ｕｍ １￣，４１。 进行处理，就会准确地得到粒瞍分布了， 如 ５所示。 （０ ）的散射光是ｄ Ｊ小颗粒引起的， 图３ 激光束在无阻碍状态下的传播 图２激光粒度仪测量原理图 （备注：本文所提的激光札陵ｆ 址指坫ｆ嘈 念敞射光啄理的激光粒度 仪，请注意与动态散剁光 州的纳求粒悭仪Ｋ分７ｒ柬。） 图４不同粒径的颗粒产生不同角度的散射光 图５不同角度产生的散射光强度不同 Ｉ中国粉体工业２０１７ Ｎｏ．１ ３激光粒度仪的选用 要合理地选用激光粒度仪，需了 ３．２粒度测量范围 解激光测量原理是通过散射光强度换 复性和稳定性。不同厂家的仪器扫描速 不仅要看仪器的测量范围，更要看 度不同，通常从１次／秒到２０００次／ 算出粒度大小，其依据的光学理论为 超出主探测器面积的小颗粒散射（小于 秒。一般来讲，循环扫描测试次数越多，Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ理论和Ｍｉｅ理论。 ０．５ ＩＩ１）如何检测。应尽可能了解仪器 平均结果的准确性越好，故速度越快越 其中Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ理论为大颗粒 的原理，并要求制造商解释如何去扩展 好。喷射式干法和喷雾要求更高的扫描 速度；自由降落式干法虽然下落速度不 Ｍｉｅ理论的近似，假定颗粒不透明，并 测量下限，然后再识别其粒度测量范围。忽略光散射系数和吸收系数，则数学处 另外，仪器量程的中段精度最高，越靠 理上要简单些，对有色物质和小颗粒 近测量范围的边缘，精度越低，因此选 的误差也大些。另外，使用Ｍｉｅ理论 择仪器时粒度测量范围应该留有余量。 时需要给出样品和介质正确的折射系 建议用量程的最细和最粗颗粒样品去测 数和吸收系数，而某些样品则无法提 试一下，以判断仪器性能。 供这些参数的准确值（小的偏差就有可 ３．３探测器 能导致测试结果的较大变化），这在某 因为激光衍射光环半径越大，光强 种程度上了Ｍｉｅ散射原理的应用。 越弱，容易造成小颗粒信噪比降低而漏 因此，评价和使用某种激光粒度仪时， 检，所以对小颗粒分布的检测能体现仪 要综合考虑使用该仪器的粉体种类和 器的好坏。增加探测器数目，减少颗粒 颗粒大小 。 信号的漏检，可提高测量结果的满意程 ３．１采用的光学理论模式 度。 Ｍｉｅ理论复杂，数据处理量大，有 ３．４准确性和重复性指标 些厂家就采用近似的Ｍｉｅ理论，造成 准确性和重复性指标越高越好， 适用范围受、漏检几率增大甚至 一般采用美国的ＮＩＳＴ标准颗粒样品检 结果出现很大偏差等问题，但Ｍｉｅ散 测。 射原理也有其应用的局限性（详见上述 ３．５扫描速度 Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ衍射和Ｍｉｅ散射的比较）。 扫描速度快可提高数据准确性、重 ４激光粒度仪的应用及其发展前景 ４．１激光粒度仪的应用 近年来，大气污染、金属氧化物和水力 基于光散射理论的激光粒度仪已经 部门对江河的检测等都是激光粒度仪应 广泛应用于粉末冶金、薄膜、膜片料、 用的新焦点。 催化剂、绝缘材料、润滑油、超导体、 ４．２激光粒度仪的发展前景 无线电技术等行业，涉及化学、制药、 近年来，国外的激光在线粒度测量 食品、建材等工业领域并发挥着越来 技术发展迅速［８，９１ ９因为其具有连续自 越大的作用。激光粒度仪可以直接测定 动取样、抗干扰能力强、实时显示报告、 大气中烟尘与灰尘在不同时间、不同位 数据有代表性等特点，而国内在这方面 置的含量，从而得到大气中烟尘灰尘时 的开发和应用则刚刚起步，差距较大。 间——空间分布图，为解决环境污染和 可以预计，在线粒度测量与监测的发 全球性气候预测起到一定的指导作用。 展将会给相关粉体工业带来巨大的效益 快，但由于粒子只通过样品区１次，扫 描速度也是越快越好。 ３．６通道数 在激光粒度仪中通道数实际为检测 器受光面积数，它有一个理论与实际的 最优值 偏少，接收的散射光不充分， 准确度差；偏多，灵敏度太高，导致重 复性差。可以通过采样速度、测量时问、 准确度和通道数等指标全面衡量。 ３．７分散系统 】 湿法分散：是否具有超声和搅拌等 物理分散功能，超声功率和搅拌速度是 否连续可调，是保证分析结果重复性的 关键。 干法分散：样品是否容易分散，如 果不是，是否选择了喷射式分散器，高 速度的冲击气流是保证样品能够充分分 散后得到准确分析结果的前提。 和变革，激光在线测试技术将成为颗粒 测试领域竞争的焦点并将会被逐步推广 和应用。在这个领域，研制和开发更先 进的取样和分散装置（尤其是对超微颗 粒），提高在线激光粒度仪的测试精度， 使在线与离线的测量结果相吻合及工业 在线安装和应用的安全性和稳定性等问 题都值得进一步探讨和解决。 目前激光法测量出来的是等效散射 光强球径，而人们在用严格的电磁波理 论求解椭圆形等非球形颗粒的光散射理 中国粉体工业２０１７ Ｎｏ．１ ｌ 一 论问题上做了许多工作ｎ０～ ，也对其 峰和窄分布颗粒样品的反演，也是国内 仪来测量纳米颗粒方面做了很大的努力 应用进行了研究∞ 。 外关注的热点。Ｍｉｅ理论的测量极限使 并已有产品面世，而国内正在研发这一 另外，由光能分布反演计算出颗粒 得激光粒度仪在纳米颗粒的测量上有较 技术 。 粒度分布的可靠准确算法，尤其是对多 大的局限性，国外在用动态光散射粒度 参考文献： 【ｌｌ童祜高．颗拉拉度与比表面测量原理【Ｍ】．上海：上海科技文献出版社，１９９０．１． 【２】２胡松青，李琳，等．现代颗柱粒度测量技术【Ｊ】．现代化工，２００２，２２（１）：５８． 【３】Ｋｉｐｐａｘ Ｐ．Ａｐｐｒａｉｓａｌ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｐ８ｒｔｉｃｌｅ—ｓｉｚｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ［Ｊ】．Ｐｈａｒｍａｃｅｕｔｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎ，２００５，２９（３）：８８． 【４】 Ｇｒｉｆｆｉｔｈｓ Ｄ．Ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｏ ｌａｓｅｒ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ ａｎａ－－ｌｙｚｅｒ ｆｏｒ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｕｓｔｏｍｅｒ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ【Ｊ】． Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｌａ－－ｂｏｒａｔｏｒｙ， ２００５，３７（１）：２０． 【５１扬正缸．如何判断和选择激光拉度分析仪Ⅲ．现代科学仪器，２０００，（１）：５８． 【６】Ｈｏｌｖｅ Ｄ Ｊ．Ｈｏｗ ｍａｎｙ ｃｈａｎｎｅｌｓ ａｒｅ ｅｎｏｕｇｈ ｆｏｒ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ１．Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，１９９５，２７（１７）：２５． 【７】Ｋｉｐｐａｘ Ｐ．Ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ ｍｅｔｈｏｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｆｏｒ ｌａｓｅｒ ｄｉｆｆｒａｃ－ｔｉｏｎ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｉｎｇ［Ｊ】．Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，２００４，３６（１６）：２０． 【８】Ｃｒａｗｌｅｙ Ｇ．Ｏｎ－ｌｉｎｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｉｎｇ ｉｎ ｍｉｌｌ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ［Ｊ】．Ｐｏｗｄｅｒ Ｈａｎｄｌｉｎｇ ａｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，２００３，１５（４）：２４６． 【９】Ｃｒａｗｌｅｙ Ｇ，Ｍａｌｃｏｌｍｓｏｎ Ａ．Ｏｎｌｉｎｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｉｎｇ ａｓ ａ ｒｏｕｔｅ ｔｏ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ［Ｊ】．Ｃｈｅｍ Ｅｎｇ，２００４，１１ｌ：３７． 【１０】Ａｓａｎｏ Ｓ，Ｓａｔｏ Ｓ．Ｌｉｇｈｔ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｂｙ ｒａｎｄｏｍｌｙ ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ［Ｊ】．Ａｐｐｌ Ｏｐｔｉｃｓ，１９８０，１９（３）：９６２． 【ｌ１】Ｓｃｈｅｅｒ Ｃ Ａ，Ｉｖａｋｈｎｅｎｋｏ Ｖ，Ｓｔｏｖｅｒ Ｊ Ｃ，ｅｔ ａ１．Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｈａｐｅ ｏｎ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｃａｔｔｅｒ ｐｒｅｄｉｃ—ｔｉ０ｎｓ［Ｊ】．Ｉｎｔｌ Ｓｏｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇ，２００１，４４４９：１４Ｏ． 【１２】Ｚｕｂｋｏ Ｅ Ｓ， Ｓｈｋｕｒａｔｏｖ Ｙ Ｇ， Ｍｕｉｎｏｎｅｎ Ｋ．Ｌｉｇｈｔ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｂｙ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｃｏｍｐａｒａｂｌｅ ｗｉｔｈ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ａｐｐｒ０ｘｉｍａｔｉｏｎ ｂｙ ｓｙｓｔｅｍｓ ｏｆ ｓｐｈｅｒｅｓ［Ｊ】．Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｓｐｅｃ－－ｔｒｏｓｃｏｐｙ。２００１，９１（２）：２７３． 【１３】Ｍａ ＺＨ Ｈ。 Ｍｅｒｋｕｓ Ｈ Ｇ， ｅｔ ａ１． Ｎｅｗ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ ｉｎ ｐａｒｔｉ－－ｃｌｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｂｙ ｌａｓｅｒ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｓｈａｐｅ［Ｊ】．Ｐｏｗｄｅｒ Ｔｅｃｈｎ，２０００，ＩＩＩ（Ｉ）：６６． 【１４】采国标，李新衡，王燕民．激光拉度测量的应用与前景【Ｊ】．材料导报，２００６．２２（４）：９０． ■ Ｉ中国粉体工业２０１７ Ｎｏ．１
