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激光粒度测量原理

发表时间:2009-07-08      点击次数:3971
  目前,在颗粒粒度测量仪器中,激光衍射式粒度测量仪已得到广泛应用,特别是在国外,该种仪器已取得一致公认。其显著特点是:测量精度高、反应速度快、重复性好、可测粒径范围广、可进行非接触测量等。
       国内对于该类型仪器的研究和生产都相对不足。而我国的市场需求量又十分巨大,每年都需大量进口国外的仪器。国外仪器比较昂贵,价格zui低的也在5万美元左右。保守一点估计,我国每年至少需100台,那么每年用于该类型仪器的外汇zui少也有500万美元。
近年来我们研制成功了多种型号的激光粒度测量仪。它们的只要性能与国外同类产品相当,而价格却不到其十分之一左右。

激光衍射式粒度测量仪的测量原理
        我们所研制的激光粒度测量仪的工作原理基于夫朗和费(Fraunhofer)衍射和米(Mie)氏散射理论相结合。物理光学推论,颗粒对于入射光的散射服从经典的米氏理论。米氏散射理论是麦克斯韦电磁波方程组的严格数学解,夫朗和费衍射只是严格米氏散射理论的一种近似。适用于当被测颗粒的直径远大于入射光的波长时的情况。夫朗和费衍射假定光源和接收屏幕都距离衍射屏无穷远,从理论上考虑,夫朗和费衍射在应用中要相对简单。
        低能源半导体激光器发出波长为0.6328微米的单色光,经空间滤波和扩束透镜,滤去杂光形成直径zui大10mm的平行单色光束。该光束照射测量区中的颗粒时,会产生光的衍射现象。衍射光的强度分布服从夫朗和费衍射理论。在测量区后的付立叶转换透镜是接收透镜(已知透镜的范围),在它的后聚焦平面上形成散射光的远磁场衍射图形。在接收透镜后聚焦平面上放置一多环光电检测器,它接收衍射光的能量并转换成电信号输出。检测器上的中心小孔(中央检测器)测定允许的样品体积浓度。在分析光束中的颗粒的衍射图是静止的并集中在透镜光轴的范围。因此颗粒动态的通过分析光束也没有关系。它的衍射图在任何透镜距离总是常数。透镜转换是光学的,因此极快。
        根据夫朗和费衍射原理,当测量区中有一直径为d的球形颗粒时,任意角度下它的衍射光强分布为:

------------------(1)

式中:
f:是接收透镜的焦距
λ:是入射光的波长
J1 :是一阶贝塞尔函数
θ:是散射角
X=πdsinθ/λ

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