分析激光粒度仪的测量原理和量程

    光是一种电磁波，当光束前进过程中遇到颗粒时，将发生散射现象，散射光与光束初始传播方向形成一个夹角θ，散射角的大小与颗粒的粒径相关，颗粒越大，产生的散射光的θ角就越小；颗粒越小，产生的散射光的θ角就越大。这样，测量不同角度上的散射光的强度，就可以得到样品的粒度分布了。

 

    激光粒度仪就是利用光的散射原理测量粉颗粒大小的，是一种当前粒度测量领域应用最广泛的的粒度仪。其特点是测量的动态范围宽、测量速度快、操作方便，尤其适合测量粒度分布范围宽的粉体和液体雾滴。激光粒度仪作为一种测试性能优异和适用领域极广的粒度测试仪器，已经在其它粉体加工与应用领域得到广泛的应用。

 

    激光粒度仪测量原理图

 

    备注：本文所提的激光粒度仪是指基于静态散射光原理的激光粒度仪，请注意与动态散射光原理的纳米粒度仪区分开来。

 

    随着粉体技术的发展，对粒度分析仪的性能要求在逐步的提高，特别是粒度仪的量程要求越来越宽。测量下限要求达到几百甚至几十个纳米，测量上限要求达到一千甚至几千微米。这对新型激光粒度仪设计者提出了极大的挑战。

 

    颗粒越细，散射光的角度越小，微小颗粒的散射光甚至在360度范围内都有分布。为了拓展仪器的测量下限。需要有非常规的光学设计。

 

    无论是何种设计的激光粒度仪，都存在一个测量窗口，样品在窗口中充分分散，被激光照射，产生散射光。如上图所示，传统测量窗口由于机械结构和光学玻璃存在全反射，总是存在一个散射光探测盲区。这个盲区大致分布在75-105度、255-285度区域内（参考图二）。图三颗粒越小，分布在360度空间范围的散射光光强差越小，当颗粒小到一定极限，光强差将小得几乎难以被分辨出来。

 

    这时就到了激光粒度仪的测量下限了。图三是散射光光强矢量图。可以看出，当颗粒小到一定程度，光强矢量图无限接近圆形（颗粒无限接近圆心），这时的光强差是难以分辨的。光学设计上的障碍和散射光本身的特性决定了常规激光粒度仪的测量下限一般在0.2微米左右。图四当颗粒较大时，同样也会遇到技术困难。

 

    大颗粒的散射角度很小，不容易分辨和测量（参考图四）。要想有效分辨大颗粒的光强分布。可以简单的拉长聚焦镜头的焦距（例如500甚至1000毫米以上），但是焦距大将导致激光粒度仪的体积大幅增加，且非常不便于小颗粒的大角度散射光探测。同时对镜头的加工精度要求也会更高。这个技术难点使得常规设计的激光粒度仪的真实测量上限很难超过1000微米。