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雙光源技術(shù)對增強(qiáng)激光粒度儀亞微米顆粒測試性能的研究
陳進(jìn)，張福根
珠海歐美克儀器有限公司，珠海，519085
 
摘要：從原理和實(shí)驗(yàn)上分析并驗(yàn)證了采用雙光源技術(shù)能夠極大地增強(qiáng)激光粒度儀的亞微米顆粒測試性能，對小于1mm的亞微米顆粒的測試性能提升比較明顯，對微米級以上顆粒的測試性能影響不明顯。
關(guān)鍵詞：激光粒度儀，雙光源
 
 
Study on the performance enhancement of laser particle size analyzer for measuring submicron particle by using dual light sources
Chen Jin, Zhang Fugen
Zhuhai OMEC Instruments Co., Ltd. Zhuhai, 519085
 
Abstract: The performance enhancement of laser particle size analyzer for measuring submicron particle by using dual light sources was analysed in principle, then tested and verifiedd by experiments. The performance enhancement is significant for measuring submicron particle within 1mm size; nevertheless, the effect is not obvious for measuring micron-sized or larger particle.
Keywords: laser particle size analyzer, dual light sources
 
 
1  引言
    顆粒在工業(yè)生產(chǎn)中有著非常廣泛的應(yīng)用，也和人們的日常生活密切相關(guān)。顆粒粒徑是顆粒的最重要參數(shù)，顆粒粒徑的大小在許多情況下直接影響到相關(guān)產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。近年來，隨著相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展及各種新型顆粒材料的出現(xiàn)，也給激光粒度儀的亞微米顆粒測試性能提出了更高的要求。
    目前，在用激光靜態(tài)散射法測量顆粒的粒度分布時(shí)，通常是將顆粒樣本分散在流動(dòng)的懸浮介質(zhì)（通常是水）中，然后流過測量窗口，同時(shí)用激光垂直照射測量窗口，在測量窗口前面和后面放置光電探測器測量顆粒的散射光信號，然后經(jīng)過計(jì)算機(jī)進(jìn)行反演計(jì)算從而得到顆粒樣本的粒度分布曲線。而顆粒樣本的散射光從水中經(jīng)過玻璃出射到空氣中時(shí)，會受到全反射現(xiàn)象的影響，從而導(dǎo)致某些角度的散射光無法被光電探測器探測到，最終可影響到0.1mm~1.0mm的亞微米顆粒粒度測量[1]。若選擇垂直于散射面的光源偏振態(tài)，可以改善0.3mm~1.5mm粒度范圍的測試性能[2]，但是散射光在從水中經(jīng)過窗口玻璃出射到空氣中時(shí)的透過率在大角度散射時(shí)會降低，這就對探測器的靈敏度及儀器的噪聲水平提出了更高的要求。國產(chǎn)激光粒度儀幾乎全部都是采用激光束正入射到測量窗口的光路結(jié)構(gòu)，其測試結(jié)果不可避免地在亞微米區(qū)間會受到影響。國外公司如英國馬爾文公司Mastersizer2000粒度儀采用藍(lán)光斜入射[3]、德國FRITSCH公司analysette22粒度儀采用棱鏡形狀測量窗口[4]、日本島津公司SALD-7101粒度儀采用在窗口側(cè)面放置探測器[5]等方法來處理全反射的影響從而提升儀器的亞微米顆粒測試性能。珠海歐美克儀器有限公司對激光粒度儀亞微米顆粒測試性能進(jìn)行了長期的研究，在此基礎(chǔ)上采用雙光源技術(shù)比較有效地提升了激光粒度儀亞微米顆粒的測試性能[6]，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，使得國產(chǎn)激光粒度儀的性能提升了一個(gè)臺階。
 
2  雙光源技術(shù)增強(qiáng)激光粒度儀的亞微米顆粒測試性能的原理
    激光粒度儀亞微米顆粒的測試性能一直是國產(chǎn)儀器性能的一個(gè)瓶頸。從原理上分析，亞微米顆粒難以很好地測量主要由以下兩個(gè)方面的原因造成：（1）角度測量盲區(qū)問題；（2）微弱信號測量難題。
 
 
 
 
 
 
 
 

圖1  平行光照明系統(tǒng)示意圖
 
 
 
 
 
 
 
 
 

圖2  會聚光照明系統(tǒng)示意圖
 
    角度測量盲區(qū)的形成如圖1和圖2所示，對于圖1所示的平行光照明系統(tǒng)，空氣中的接收角受工作距離L和付里葉透鏡孔徑D的限制，最大只能達(dá)到40°左右，折算到水介質(zhì)中為29°，在有后向接收時(shí)，存在29°~141°之間的測量盲區(qū)；對于圖2所示的會聚光照明系統(tǒng)，空氣中的接收角理論上最大可達(dá)90°，折算到水介質(zhì)中為49°（全反射角），在后向有接收時(shí)，存在49°~131°的盲區(qū)。這些角度測量盲區(qū)的存在對激光粒度儀亞微米顆粒的測試性能不可避免地造成了一定的影響[1]。
    微弱信號測量難題主要源于亞微米顆粒的光散射特性，根據(jù)瑞利散射近似[7]，相對散射截面積與粒徑的4次方成正比，亞微米顆粒散射光強(qiáng)隨著粒徑減小而急劇減弱，從而導(dǎo)致亞微米顆粒的光散射信號很難測量，因此也就很難準(zhǔn)確測得亞微米顆粒粒度分布的數(shù)據(jù)。

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
圖3  雙光源技術(shù)示意圖
 
    為了有效解決上述的亞微米顆粒測量難題，我們在儀器設(shè)計(jì)中采用了雙光源技術(shù)，也就是在傳統(tǒng)的波長為633nm的He-Ne激光光源的基礎(chǔ)上增加了藍(lán)光光源，如圖3所示。藍(lán)光采用高亮度LED光源，波長為455nm。從原理上來說，采用了增加藍(lán)光的雙光源技術(shù)之后，有以下兩個(gè)好處：（1）斜入射結(jié)構(gòu)突破了紅光全反射限制，相當(dāng)于填補(bǔ)了角度盲區(qū)；（2）根據(jù)瑞利散射(相對)截面公式： ，式中，r為粒子半徑，λ為照明光的波長，容易得出亞微米顆粒對藍(lán)光（波長為455nm）的散射效率是對He-Ne紅色激光（波長為633nm）的約3.75倍，有效增強(qiáng)了在紅光散射情況下的微弱散射信號。
    從激光粒度儀的測量原理綜合來看，采用雙光源技術(shù)，可以比較有效地解決由于角度測量盲區(qū)問題和微弱信號測量難題所導(dǎo)致的亞微米顆粒測試難題，能夠獲得更多、更強(qiáng)的亞微米顆粒散射光能信號，較短波長的藍(lán)光與紅光相比對小顆粒的測試分辨能力更強(qiáng)，從而也就能夠據(jù)此更準(zhǔn)確地計(jì)算出亞微米顆粒的粒度分布數(shù)據(jù)，使得儀器的亞微米顆粒測試性能獲得質(zhì)的突破。
 
3  雙光源技術(shù)中的米氏散射光能計(jì)算及分析方法
    米氏（Mie）理論是描述光的散射現(xiàn)象的嚴(yán)格理論，因此現(xiàn)代激光粒度儀大都采用米氏散射理論來計(jì)算探測器上的散射光強(qiáng)分布，具體計(jì)算方法和過程可參考相關(guān)文獻(xiàn)[8-10]，此處不再贅述。
    Mie理論是描述散射光場的嚴(yán)格理論，適用于經(jīng)典物理意義上任意大小的顆粒。但是對大顆粒( )，Mie散射公式及其數(shù)值計(jì)算都相當(dāng)復(fù)雜。將米氏理論計(jì)算所得的散射光強(qiáng)對各個(gè)光電探測器單元進(jìn)行積分，即可得到各個(gè)探測器的光能分布。
    從光能探測及反演計(jì)算的角度來分析，不同粒徑顆粒散射光能分布曲線差別越大，在光能探測和反演計(jì)算時(shí)就越容易區(qū)分出來，否則，容易造成其中一種含量變多而另一種含量變少，最終造成測量誤差變大、結(jié)果不穩(wěn)定。我們可以采用去相關(guān)系數(shù)來描述不同粒徑顆粒散射光能分布差異的程度[1,2]。
    設(shè)共有n環(huán)探測器，編號為1,2×××n，測得的光能分別為E1,E2×××En，代表粒徑也選擇為n個(gè)，代表粒徑為di的顆粒的散射光能分布為Ei,1,Ei,2×××Ei,n，則定義向量Ei為
                                                              （1）
這樣就得到了代表粒徑為di的顆粒的散射光能分布向量。
    根據(jù)相鄰代表粒徑顆粒散射光能分布向量之間的去相關(guān)性分析方法[1,2]，設(shè)相鄰代表粒徑di和di+1的散射光能分布向量為Ei和Ei+1，其相關(guān)系數(shù)為
                                                                  （2）
一般情況下0￡|Ri,i+1|￡1，當(dāng)|Ri,i+1|=1時(shí)，兩個(gè)向量相互平行，是完全線性相關(guān)的；Ri,i+1=0時(shí)，兩個(gè)向量相互垂直，是完全線性無關(guān)的。由于光能總為正值，故Ri,i+1也總為正值，因此可以按下式定義去相關(guān)系數(shù)來描述粒徑di和di+1的顆粒的散射光能差異程度
                                                                    （3）
顯然，0￡Di,i+1￡1，Di,i+1=0時(shí)光能分布沒有差異，Di,i+1=1時(shí)光能分布差異最大，一般認(rèn)為Di,i+1越大越好，這時(shí)能夠較準(zhǔn)確地計(jì)算出粒徑為di和di+1的顆粒的分布數(shù)據(jù)。用同樣的方法可以求得各個(gè)相鄰代表粒徑顆粒光能分布向量的去相關(guān)系數(shù)D1,2，D2,3×××Dn-1,n，這樣就可以根據(jù)去相關(guān)系數(shù)的變化規(guī)律來分析雙光源技術(shù)對亞微米顆粒測試性能的影響了。
 
4  計(jì)算結(jié)果及分析
    根據(jù)前面的分析，為了定量得到雙光源技術(shù)對亞微米顆粒測試性能提升的比較分析數(shù)據(jù)，我們選擇了微米和亞微米粒徑段的代表粒徑，并對雙光源（紅光和藍(lán)光）和單光源（僅紅光）分別計(jì)算了相鄰代表粒徑顆粒散射光能分布向量之間的去相關(guān)系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。
 
 
 
 
 
 
 
 
 

圖4  亞微米粒徑段顆粒散射光能分布向量去相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果
 
 
    從圖4可以明顯看出，當(dāng)采用雙光源技術(shù)時(shí)，小于1mm的亞微米粒徑段的相鄰代表粒徑顆粒散射光能分布向量去相關(guān)系數(shù)與單光源（僅紅光）情況相比增大明顯，而微米級以上的顆粒兩種情況下的去相關(guān)系數(shù)很接近或基本相同，說明雙光源技術(shù)對微米級以上顆粒的測試性能影響不大，而對亞微米顆粒的測試性能提升比較明顯。從圖中還可以定性看出當(dāng)亞微米顆粒粒徑小于0.02mm時(shí)，雖然去相關(guān)系數(shù)相對差異較明顯，但是其絕對大小已經(jīng)小于0.0001，也就是說散射光能的微小變化很容易湮沒在測量系統(tǒng)的噪聲中，也就是說此時(shí)很難準(zhǔn)確測量小于0.02mm的亞微米顆粒的粒度分布，可以認(rèn)為0.01mm是采用雙光源技術(shù)的激光靜態(tài)散射法粒度測量的下限，再小的顆粒可以認(rèn)為散射信號很弱而無法測量。
 
5  實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
    根據(jù)前面的理論分析和計(jì)算，我們設(shè)計(jì)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)際測試了多種標(biāo)準(zhǔn)粒子（Thermo Scientific），主要結(jié)果如表1所示。
 
表1  采用雙光源技術(shù)的激光粒度儀的亞微米顆粒測試結(jié)果
 

 
    從表1中可以看出在亞微米顆粒的實(shí)際測試中，采用雙光源技術(shù)極大地提升了激光粒度儀的測試性能。實(shí)測的5種標(biāo)準(zhǔn)粒子的測量值相對偏差小于5%，一般來說可以達(dá)到優(yōu)于10%的測試性能。在實(shí)驗(yàn)中我們還發(fā)現(xiàn)，在測試亞微米顆粒時(shí)，對儀器的狀態(tài)及測試條件要求較高，溫度以及水中的雜質(zhì)均可能對測試結(jié)果造成影響，這說明亞微米顆粒的散射光能信號較弱，容易受到干擾，需要仔細(xì)控制測試條件并降低系統(tǒng)噪聲以獲得更加準(zhǔn)確的測試結(jié)果。
    為了進(jìn)一步驗(yàn)證雙光源技術(shù)對激光粒度儀亞微米顆粒測試性能的提升，我們直接和單光源（關(guān)閉系統(tǒng)的藍(lán)色光源，僅有He-Ne紅色激光源）的測試結(jié)果進(jìn)行了對比，如圖5所示。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

圖5  雙光源和單光源測試結(jié)果對比（綠色為雙光源測試結(jié)果，紅色為單光源測試結(jié)果）
 
    從圖5中可以容易地看出，關(guān)閉藍(lán)色光源時(shí)，也就是激光粒度儀工作在單光源狀態(tài)時(shí)對亞微米顆粒的測試結(jié)果影響很大。對于0.102mm的標(biāo)準(zhǔn)粒子在雙光源時(shí)（紅光和藍(lán)光）測試得到的D50值為0.104mm，而在單光源時(shí)（僅紅光）測試得到的D50值為0.123mm，相對偏差增大了20.6%。這個(gè)結(jié)果有力地說明了在采用雙光源技術(shù)后，激光粒度儀的亞微米顆粒測試性能獲得了巨大提升。
 
6  結(jié)論
    本文從原理和實(shí)驗(yàn)上分析并驗(yàn)證了采用雙光源技術(shù)能夠極大地增強(qiáng)激光粒度儀的亞微米顆粒測試性能，對小于1mm的亞微米顆粒的測試性能提升比較明顯，對微米級以上顆粒的測試性能影響不明顯。
 
 
參考文獻(xiàn)：
[1] 陳進(jìn)，張福根，激光粒度儀測量窗口全反射現(xiàn)象對粒度測量的影響，2011中國粉體工業(yè)發(fā)展年會暨第八屆全國顆粒測試學(xué)術(shù)年會
[2] 陳進(jìn)，潘林超，張福根，激光粒度儀光源偏振態(tài)對粒度測量的影響，中國顆粒學(xué)會第八屆學(xué)術(shù)研討會暨海峽兩岸顆粒技術(shù)研討會，2012
[3] http://www.malvern.com/common/downloads/MRK501.pdf
[4] http://www.fritsch.cn/Download/2006530114447229.pdf
[5] http://www.ssi.shimadzu.com/products/literature/Testing/SALD-7101.pdf
[6] http://www.omec-instruments.com/Product/index.asp?cid=922
[7] 蔡小舒，蘇明旭，沈建琪等，顆粒粒度測量技術(shù)及應(yīng)用，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010，P.47-49
[8] 張福根，論現(xiàn)代激光粒度儀采用全米氏（Mie）理論的必要性，粒度測量基礎(chǔ)理論與研究論文集，珠海：珠海歐美克儀器有限公司,2007，P.43
[9] 項(xiàng)建勝，何俊華，Mie光散射理論的數(shù)值計(jì)算方法[J]，應(yīng)用光學(xué)，2007，28(3)：363-366
[10] 沈建琪，劉蕾，經(jīng)典Mie散射的數(shù)值計(jì)算方法改進(jìn)[J]，中國粉體技術(shù)，2005，4(1)：1-5