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深度详解激光粒度仪

资兴新闻网  2019-10-09 18:41:27

激光粒度仪是光学人优秀的辅助工具,今天为大家详细介绍一下关于激光粒度仪的原理,使用,选购等各个方面,请光学人收藏哦!


深度详解激光粒度仪


激光粒度仪是通过颗粒的衍射或散射光的空间分布(散射谱)来分析颗粒大小的仪器,采用Furanhofer衍射及Mie散射理论,测试过程不受温度变化、介质黏度,试样密度及表面状态等诸多因素的影响,只要将待测样品均匀地展现于激光束中,即可获得准确的测试结果。


深度详解激光粒度仪


光学结构


激光粒度仪的光路由发射、接受和测量窗口等三部分组成。发射部分由光源和光束处理器件组成,主要是为仪器提供单色的平行光作为照明光。接收器是仪器光学结构的关键。测量窗口主要是让被测样品在完全分散的悬浮状态下通过测量区,以便仪器获得样品的粒度信息。


原理


激光粒度仪是根据颗粒能使激光产生散射这一物理现象测试粒度分布的。由于激光具有很好的单色性和极强的方向性,所以在没有阻碍的无限空间中激光将会照射到无穷远的地方,并且在传播过程中很少有发散的现象。


米氏散射理论表明,当光束遇到颗粒阻挡时,一部分光将发生散射现象,散射光的传播方向将与主光束的传播方向形成一个夹角θ,θ角的大小与颗粒的大小有关,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。即小角度(θ)的散射光是有大颗粒引起的;大角度(θ1)的散射光是由小颗粒引起的。进一步研究表明,散射光的强度代表该粒径颗粒的数量。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。


为了测量不同角度上的散射光的光强,需要运用光学手段对散射光进行处理。在光束中的适当的位置上放置一个富氏透镜,在该富氏透镜的后焦平面上放置一组多元光电探测器,不同角度的散射光通过富氏透镜照射到多元光电探测器上时,光信号将被转换成电信号并传输到电脑中,通过专用软件对这些信号进行数字信号处理,就会准确地得到粒度分布了。


仪器特点


测试范围宽


由于激光粒度仪采用了大尺寸光电探测阵列(70个通道)、侧向辅助光电探测阵列(12个通道)及其它相应技术,使单透镜测试范围达到0.1——450微米;并且由于本仪器使用过程中无须更换镜头及调整光学系统,提高了系统的稳定性,简化了操作过程。


重复性好


激光粒度仪采用Furanhofer衍射及Mie散射理论,测试过程不受温度变化、介质黏度,试样密度及表面状态等诸多因素的影响,只要将待测样品均匀地展现于激光束中,即可获得准确的测试结果。而且区别于沉降法,由于不需要沉降过程,因此在一次测试中可以多次采样(5-20次任意设定),有效的滤除了由于电噪声,样品分布不均等因素造成的影响,使仪器的测试重复性变好。


采用半导体激光发生器


激光粒度仪具有光参数稳定、效率高、寿命长、不怕振动等一系列优点,克服了传统气体激光器由于自然漏气,需定期更换的缺点。


自动化程度高操作简单


GSL-101BI型激光颗粒测量仪采用微机进行实时控制,自动完成数据采集、分析处理、结果保存、打印等功能,操作简单,自动化程度高。


测试迅速


激光粒度仪由于无须沉降过程,使测试速度大幅度提高,在通常情况下,1分钟内即可完成一次样品测试。(注:不包括样品制备时间)。


采用了独特的机械搅拌装置


激光粒度仪具有搅拌力矩大、速度快、搅拌均匀等一系列优点。


软件


激光粒度仪测试程序采用MSVC/C6.0编制,在中文Windows95/98/ME/2000/NT/XP人机接口界面,操作直观简便,通俗易懂。数据输出内容丰富,并且可以输出英文测试报告,对于彩色打印机还可以输出彩色测试报告。


测试对象


1.各种非金属粉:如重钙、轻钙、滑石粉、高岭土、石墨、硅灰石、水镁石、重晶石、云母粉、膨润土、硅藻土、黏土等。


2.各种金属粉:如铝粉、锌粉、钼粉、钨粉、镁粉、铜粉以及稀土金属粉、合金粉等。


3.其它粉体:如催化剂、水泥、磨料、医药、农药、食品、涂料、染料、荧光粉、河流泥沙、陶瓷原料、各种乳浊液。


应用领域


1、高校材料


2、化工等学院实验室


3、大型企业实验室


4、重点实验室


5、研究机构


如何选购


一、了解自己的需求


需要搞清楚的项目如下:


(1) 根据能够支配的款项有多少,确定选择对象是进口设备还是国产设备:一般进口设备的价格都在40万人民币以上。国内产品价格在几万元到十几万不等。


(2) 根据被测样品的性质如何,确定购买干法还是湿法粒度仪:激光粒度仪分散方式分为干法和湿法,如果能够找到适合的分散介质(水或其他液体)能够不与被测样品发生任何反应,则推荐使用湿法粒度仪,测试结果稳定且价格便宜。如果样品性质特殊,很难找到合适分散介质则推荐干法粒度仪。


(3) 根据测试样品的大致分布范围,选择适合自己样品的测试范围的仪器型号:测试范围越大价格越高,一般来说,如果选择比样品分布范围略宽的仪器即可。市面上的激光粒度仪大都是跨越3-4个数量级的,但是大多数工业测试的样品分布仅在一个数量级内,如果样品分布范围窄而选择超宽量程的测试范围,则如同磅秤称一粒豆子,会降低精确度。国内有厂家研发了分档测试的产品,可根据样品情况调节档位,在一定程度上解决这个问题。成都精新粉体测试设备有限公司研发的JL-1155/1156型激光粒度仪,即采用分三档测试。


(4) 根据用途,选择粒度仪种类:用户不应该盲目跟风,选择高端型号,如果仅是放到工厂里面进行常规产品检测,就不需要购买最新型的产品,老产品往往经过多年的改进,结构成熟,测试效果比较稳定,而且价格便宜。测试任务比较重的,则应该选择自动化智能型产品,能够大大降低测试者的工作量。大多数高端产品是为高校或者科研院所等研究型客户准备的,这种产品大都分布范围广、精度高且结构复杂,而且往往价格比较昂贵。


二、选择有技术实力的厂家,并实地考察


激光粒度仪这类仪器是科技含量比较高的仪器产品,对厂家的技术实力要求很高,选择产品之前应该先选择厂家,一般选择有技术基础,有研发能力,且专业性强的厂家比较可靠,一般不推荐规模小的厂家,不但技术不成熟,而且很可能在几年之后企业倒闭,仪器没有售后维修等于废铁一堆。最好在选择前寄送样品实地测试,因为样品的属性千差万别,有的仪器并非全能,对某些样品可能偏差比较大,


三、产品的几个关键考验点


(1)激光器选择:激光粒度仪的重要部件之一,主要有HE-NE激光器和半导体激光器两种,其中HE-NE激光器的各项性能均优于半导体激光器,且成本也远高于半导体激光器,半导体激光器单向性差的问题,对测试结果的稳定性影响很大。因此推荐用户选择HE-NE激光器。


(2)光电探测器:国内产品采用的光电探测器的种类大同小异,一般就是半环式、点阵式等,半环式的优势是能够以较少的通道数达到很高的探测精度。而且在出现断环时可以临时采取并环操作,对测试结果影响很小。点阵式属于比较老的探测器类型,现在用的比较少。


(3)仪器结构问题:主要分为整体式和分体式,整体式就是将分散系统和测试系统整合为一体,协同操作,分体式则是分散系统独立于测试系统,测试者需要先操作分散系统,将样品分散好再将分散好的样品通过管道导入测试系统进行测试。这样的缺点是协同操作性不好,比较重的颗粒容易在管道中沉淀,清洗不便且对测试结果有一定影响,现在整体式结构的仪器是发展方向,进口产品大都采用整体式结构,国内的产品也慢慢在向整体式结构发展。


(4)光路设计问题:光路设计是激光粒度仪研制的基础,进口产品的优势不但在制造工艺上,光路的设计水平也是技术先进的标志,国内的厂家现在大都采用简单的平行光路设计,据了解济南微纳公司推出的产品中采用了汇聚光傅立叶变换光路。这种光路是一种比较先进的光路,能够获得更宽的散射角,在提高测试精度方面有一定的优势。


四、需要了解的颗粒测试基础知识


实际测试中,准确性是相对的,重复性是绝对的:在实际颗粒测试中,激光粒度仪测试的结果我们无法评价其“准确”或“不准确”,因为样品都是不规则形状体,与其对比的测试结果也只是另外一种仪器测试所得,因此,我们只能说A仪器的测试结果相对于B仪器来说是准确的,而不能说A仪器测试结果就是准确或不准确,很多测试人员总是喜欢与马尔文的来对比,只要符合就是准确,不符合就是不准确,这其实是个误区。考量仪器好坏的标准其实是重复性,对某一种样品分别取样测试,如果前一次和后一次测试结果差异小那说明仪器是稳定的,重复性好的,如果差异大那就说明这个仪器的测试效果不好。


相关答疑


微纳仪器为什么能测亚微米颗粒?


为了测量亚微米颗粒,不同的厂家采用了不同的绝招。我们根据Mie理论计算结果,设置了超微颗粒探头为亚微米颗粒探测奠定了物理基础。这与数学延拓具有完全不同的性质。


微纳仪器测定粒度范围如何?


测量范围是由测量上限和下限构成。从理论上讲,要把上限向上推是不难的,只需将傅立叶透镜的焦距拉长就可以达到,但是想测量更小的颗粒就补角困难了,他决定于可探测的最大散射角。当粒径小于0.2μm时,单光束照明的前向散射光能分布基本上是不变的。我公司采用了会聚光傅立叶变化专利技术获得了国家专利(ZL94225544.5),克服了透镜孔径对散射角的限制,使探测到的散射角扩大,加上设置超微颗粒探头,使测量范围扩展到0.1μm,我们测定颗粒的范围使0.1-300μm


微纳仪器的通道数如何?


激光粒度分析仪设计的分级并不使任意的,决定于探测器的排列和傅立叶透镜焦距。通道数多少直接决定分辨率的高低。目前国产大多厂商的激光粒度分析仪的级数能达到32。显然分级越细,级差越小,分辨率越强。值得注意的是,目前有些厂商为了商业目的,宣传其通道数已达到64个,这是使用了数学内插法,在表面上可以增加分级数,而实际上并不能提高仪器的分辨能力。


微纳仪器为什么要分三档?


这里特别强调一下,分档测试不是分段测量。是将测量范围细分为几档,而一档都是全量程测试。我公司将0.1到300微米的测量范围分为3档:0.1-40微米,0.6-120微米,1.0-300微米,改变测量范围不须更换元件,每档设32个通道,每档分为32粒度级,每个粒度级就会更窄,因而可以或得更高的分辨率。特别是0.1-40微米档,2微米以下分为12级。这样高的分辨率是独一无二的。


微纳仪器如何换档?


被测量颗粒群应处于测试范围之内才能获得准确的结果。如果第一次测试发现颗粒分别处于某档边缘,最边的粒度级比例过大,则应换更合适的档位另测。换档的方法:关机,按使用说明书移动样品窗至相应的位置,拨动换档键即可开机重新测试,不必更换任何元件,简便易行的换档方法是我公司的独家技术。


微纳仪器对被测颗粒有何限制?


采用全Mie散射原理检测颗粒群粒度分布,微米级以上颗粒不受颗粒物理化学性质限制,仅与颗粒大小有关。超微颗粒的折射率对测量结果有影响,采用特殊标定技术可以消除误差,给出准确数值。因此JL9200激光粒度分析仪适用于任何颗粒的粒度分析。


微纳仪器如何探测光谱分布?


采用同心环状阵列光电探测器何附加超微探头检测颗粒的光谱分布,探测的最大散射角达70度。由此为超微颗粒的检测提供准确的信号。


微纳仪器测量速度有多快?


测试中,流经光束的所有颗粒的散射光同时到达探测器,由探测器32个单元同时转换为电信号,这种信号处理方式称为并行处理。处理过程是以光速进行的。电信号在计算机中进行反演运算只需机秒钟,加上样品分散和打印报告,总共不会超过3分钟。这种测量速度是任何仪器无法比拟的。


微纳仪器采用什么技术分散样品?


1)JL9200激光粒度分析仪内置了一套超声分散装置和搅拌器,利用超声的空化作用使团聚的颗粒分散,利用机械搅拌使颗粒群均匀混合,颗粒分散可保证测试的准确,均匀混合可保证测试的高度重复。


2)Winner2000激光粒度分析仪除了具有JL9200型的分散技术外,还内置循环泵,从而保证了测试过程中大颗粒的不丢失。


3)Winner3000激光粒度分析仪采用压缩空气做分散介质,有效解决了水溶性颗粒,磁性颗粒,比重特大颗粒和遇水变形的植物性颗粒的分散与测试问题。


微纳仪器的准确度如何?


准确度是以国家级颗粒粒度标准样品GBW(E)120000系列为标准的。按分析仪器惯例:仪器测量值不超过标准样标称值的标准差3倍即为合格。微纳仪器出厂不仅全部达标,而且准确度误差<3%。


微纳仪器的重复性如何?


微纳仪器由于合理的设计,精心的制作工艺,高性能的元器件选择而具有良好的重复性。重复性的检测方法是采用国家标准样品连续测试10次,测试结果(D50)统计标准差的相对值<3%为合格。


微纳仪器为什么要设置通讯口?


设置通讯口的目的是将微纳仪器和其他计算机连成一体,既可信息共享,又可远程控制,这对微纳仪器更新换代,以及在线应用,具有重要意义。


微纳仪器的专家系统有什么功能?


a.通讯g.数据累加


b.存取数据h.数据比较


c.统计分析i.粒度分布动态跟踪分析


d.函数回归j.查询历史记录


e.设置打印报告k.绘制多种粒度分别曲线


f.粒度分级转换l.完成颗粒提出的其他数据处理任务


微纳仪器的寿命如何?


微纳仪器是一种分析仪器,除了搅拌器,它没有传动部件,没有易损件;激光器目前已经普及,它的寿命超过10000小时;光电探测器阵列是关键部件,只要使用得当,不会自动损坏。因此用户完全不必为微纳仪器的寿命担心。


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