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珠海歐美克儀器有限公司經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)積累后研發(fā)出的一款高性能激光粒度分析儀-Topsizer高精度智能激光粒度儀。它具有量程寬（0.02-2000μm）、重復(fù)性好（重復(fù)性誤差：≤±0.5%）、精度高（準(zhǔn)確性誤差：≤±1%）、測(cè)試結(jié)果真實(shí)、可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，真正站在了當(dāng)前粒度檢測(cè)領(lǐng)域的前沿，代表了中國(guó)粒度檢測(cè)與分析技術(shù)的新高度。Topsizer高性能激光粒度儀自發(fā)布以來(lái)受到廣大行業(yè)客戶以及媒體的關(guān)注，并且憑借出色的性能特點(diǎn)建立起了頗具規(guī)模的客戶群體，得到了廣泛的應(yīng)用和認(rèn)可，在此特意向一直以來(lái)支持我公司的廣大朋友表示衷心的感謝！

      應(yīng)廣大客戶的要求，針對(duì)Topsizer這款*激光粒度儀所應(yīng)用的技術(shù)特點(diǎn)給大家進(jìn)一步介紹，這次主要介紹的內(nèi)容是雙光源技術(shù)對(duì)增強(qiáng)激光粒度儀亞微米顆粒測(cè)試性能的研究，Topsizer的精度之所以能在國(guó)內(nèi)同行之中*，就是得益于對(duì)這個(gè)技術(shù)的熟練應(yīng)用！

    目前，在用激光靜態(tài)散射法測(cè)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(guò)測(cè)量窗口，同時(shí)用激光垂直照射測(cè)量窗口，在測(cè)量窗口前面和后面放置光電探測(cè)器測(cè)量顆粒的散射光信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)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(guò)玻璃出射到空氣中時(shí)，會(huì)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(wú)法被光電探測(cè)器探測(cè)到，zui終可影響到0.1mm~1.0mm的亞微米顆粒粒度測(cè)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(cè)試性能^[2]，但是散射光在從水中經(jīng)過(guò)窗口玻璃出射到空氣中時(shí)的透過(guò)率在大角度散射時(shí)會(huì)降低，這就對(duì)探測(cè)器的靈敏度及儀器的噪聲水平提出了更高的要求。國(guó)產(chǎn)激光粒度儀幾乎全部都是采用激光束正入射到測(cè)量窗口的光路結(jié)構(gòu)，其測(cè)試結(jié)果不可避免地在亞微米區(qū)間會(huì)受到影響。國(guó)外公司如英國(guó)馬爾文公司Mastersizer2000粒度儀采用藍(lán)光斜入射^[3]、德國(guó)FRITSCH公司analysette22粒度儀采用棱鏡形狀測(cè)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(cè)器^[5]等方法來(lái)處理全反射的影響從而提升儀器的亞微米顆粒測(cè)試性能。珠海歐美克儀器有限公司對(duì)激光粒度儀亞微米顆粒測(cè)試性能進(jìn)行了*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(cè)試性能^[6]，*，使得國(guó)產(chǎn)激光粒度儀的性能提升了一個(gè)臺(tái)階。

 雙光源技術(shù)增強(qiáng)激光粒度儀的亞微米顆粒測(cè)試性能的原理

    激光粒度儀亞微米顆粒的測(cè)試性能一直是國(guó)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(cè)量主要由以下兩個(gè)方面的原因造成：（1）角度測(cè)量盲區(qū)問(wèn)題；（2）微弱信號(hào)測(cè)量難題。

圖1  平行光照明系統(tǒng)示意圖

圖2  會(huì)聚光照明系統(tǒng)示意圖

角度測(cè)量盲區(qū)的形成如圖1和圖2所示，對(duì)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，zui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(cè)量盲區(qū)；對(duì)于圖2所示的會(huì)聚光照明系統(tǒng)，空氣中的接收角理論上zui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(cè)量盲區(qū)的存在對(duì)激光粒度儀亞微米顆粒的測(cè)試性能不可避免地造成了一定的影響^[1]。

    微弱信號(hào)測(cè)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(duì)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(hào)很難測(cè)量，因此也就很難準(zhǔn)確測(cè)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(cè)量難題，我們?cè)趦x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(zhǎng)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(zhǎng)為455nm。從原理上來(lái)說(shuō)，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*角度盲區(qū)；（2）根據(jù)瑞利散射(相對(duì))截面公式： ，式中，r為粒子半徑，λ為照明光的波長(zhǎng)，容易得出亞微米顆粒對(duì)藍(lán)光（波長(zhǎng)為455nm）的散射效率是對(duì)He-Ne紅色激光（波長(zhǎng)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(hào)。

    從激光粒度儀的測(cè)量原理綜合來(lái)看，采用雙光源技術(shù)，可以比較有效地解決由于角度測(cè)量盲區(qū)問(wèn)題和微弱信號(hào)測(cè)量難題所導(dǎo)致的亞微米顆粒測(cè)試難題，能夠獲得更多、更強(qiáng)的亞微米顆粒散射光能信號(hào)，較短波長(zhǎng)的藍(lán)光與紅光相比對(duì)小顆粒的測(cè)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(cè)試性能獲得質(zhì)的突破。

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(duì)亞微米顆粒測(cè)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(duì)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(jí)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(shuō)明雙光源技術(shù)對(duì)微米級(jí)以上顆粒的測(cè)試性能影響不大，而對(duì)亞微米顆粒的測(cè)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(duì)差異較明顯，但是其大小已經(jīng)小于0.0001，也就是說(shuō)散射光能的微小變化很容易湮沒(méi)在測(cè)量系統(tǒng)的噪聲中，也就是說(shuō)此時(shí)很難準(zhǔn)確測(cè)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(cè)量的下限，再小的顆?？梢哉J(rèn)為散射信號(hào)很弱而無(wú)法測(cè)量。

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?cè)O(shè)計(jì)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)際測(cè)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(cè)試結(jié)果

    從表1中可以看出在亞微米顆粒的實(shí)際測(cè)試中，采用雙光源技術(shù)*地提升了激光粒度儀的測(cè)試性能。實(shí)測(cè)的5種標(biāo)準(zhǔn)粒子的測(cè)量值相對(duì)偏差小于5%，一般來(lái)說(shuō)可以達(dá)到優(yōu)于10%的測(cè)試性能。在實(shí)驗(yàn)中我們還發(fā)現(xiàn)，在測(cè)試亞微米顆粒時(shí)，對(duì)儀器的狀態(tài)及測(cè)試條件要求較高，溫度以及水中的雜質(zhì)均可能對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響，這說(shuō)明亞微米顆粒的散射光能信號(hào)較弱，容易受到干擾，需要仔細(xì)控制測(cè)試條件并降低系統(tǒng)噪聲以獲得更加準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果。

     為了進(jìn)一步驗(yàn)證雙光源技術(shù)對(duì)激光粒度儀亞微米顆粒測(cè)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(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，如圖5所示。

圖5  雙光源和單光源測(cè)試結(jié)果對(duì)比（綠色為雙光源測(cè)試結(jié)果，紅色為單光源測(cè)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(duì)亞微米顆粒的測(cè)試結(jié)果影響很大。對(duì)于0.102mm的標(biāo)準(zhǔn)粒子在雙光源時(shí)（紅光和藍(lán)光）測(cè)試得到的D50值為0.104mm，而在單光源時(shí)（僅紅光）測(cè)試得到的D50值為0.123mm，相對(duì)偏差增大了20.6%。這個(gè)結(jié)果有力地說(shuō)明了在采用雙光源技術(shù)后，激光粒度儀的亞微米顆粒測(cè)試性能獲得了巨大提升。

 結(jié)論

     研究證明從原理和實(shí)驗(yàn)上分析并驗(yàn)證了采用雙光源技術(shù)能夠*地增強(qiáng)激光粒度儀的亞微米顆粒測(cè)試性能，對(duì)小于1mm的亞微米顆粒的測(cè)試性能提升明顯。我公司Topsizer高性能激光粒度儀就是建立這*的技術(shù)層面上，給廣大用戶提供更*更方便的測(cè)試手段，讓中國(guó)粉體工業(yè)繼續(xù)騰飛。