專利名稱：一種激光粒度儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種粉體粒度測量的儀器，尤其涉及一種新型的激光粒度測量儀器。
背景技術(shù)：
激光粒度儀已經(jīng)成為目前最流行的粉體粒度測量儀器。現(xiàn)有技術(shù)中的激光粒度儀，沿著光路前進(jìn)的方向，通常依次包括一激光管，用以產(chǎn)生激光；一顯微物鏡，用以聚焦激光束；一針孔裝置，處于顯微物鏡的焦點(diǎn)上，用以過濾光波的空間高頻分量；一準(zhǔn)直鏡或會(huì)聚透鏡，將光束變成截面有一定大小(典型值為直徑IOmm)的平行光或會(huì)聚光(前述激光管、顯微物鏡、針孔、透鏡組成“光發(fā)射裝置”)；一樣品池，用以盛放被測粉體樣品，要求樣品顆粒處于完全分散狀態(tài)，懸浮在池內(nèi)的液體介質(zhì)中，池的兩個(gè)對面上鑲有測量窗口玻璃， 以便讓入射光射到被測顆粒上，同時(shí)讓散射光出射，通常玻璃與入射光(的中心光線或主軸)垂直；如果入射光是平行光，則樣品池后有一個(gè)或多個(gè)富里葉透鏡，將被顆粒散射的光線聚焦；一組探測器，由多個(gè)測量單元組成，一般來說，中心的若干個(gè)探測器是環(huán)形探測器， 當(dāng)樣品池內(nèi)沒有被測顆粒時(shí)，入射光全部聚焦到環(huán)形探測器的中心，當(dāng)樣品池內(nèi)有樣品顆粒時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生散射光，它們將被聚焦到探測器的各單元上；一數(shù)據(jù)分析和輸出裝置，通常為計(jì)算機(jī)，用以分析散射光能分布數(shù)據(jù)，得出被測樣品的粒度分布結(jié)果。激光粒度儀是基于光波在行進(jìn)中遇到微小顆粒時(shí)會(huì)發(fā)生散射(小角度時(shí)又稱為衍射)，并且顆粒越小，散射角越大的原理測量顆粒大小的。顯然，儀器能測量的散射角越大，則儀器對顆粒直徑的測量下限就越小，因此儀器的量程就越寬。當(dāng)儀器用來測量固體粉末時(shí)，粉末樣品通常都要分散在液體介質(zhì)中，粉末顆粒與液體的混合液動(dòng)態(tài)地(以防止顆粒下沉)盛在樣品池(如附圖1)內(nèi)。樣品池的兩個(gè)端面上裝有兩塊相互平行的平板玻璃 2和4作為測量窗口，入射光垂直于玻璃平面，作為入射光的激光束1和攜帶顆粒大小及其含量信息的散射光5分別從窗口入射和出射。由于全反射現(xiàn)象的存在，太大的散射光不能從窗口出射，從而限制了儀器的測量下限。以最常用的測量介質(zhì)——水為例，當(dāng)入射光1沿著光軸8方向進(jìn)入樣品池，照射到被測顆粒3上，若光線6的散射角達(dá)到48. 8°，則該光線 7出射到空氣中時(shí)，出射角達(dá)到90°。換言之，48.8°就是儀器能接收的最大散射角(在水介質(zhì)中)。該散射角對應(yīng)的測量下限約為0.2 μ m(設(shè)光的波長為632. 8nm)。在前向散射結(jié)構(gòu)下，這一數(shù)值就是激光粒度儀的測量極限。為了突破全反射的限制，有的制造商提出了雙光束結(jié)構(gòu)的粒度儀，如附圖2所示， 即用平行于光軸9的入射光束10測量較大的顆粒，對應(yīng)的散射角較小，而用另一束與光軸 9有一定夾角的光束11入射到樣品池中，測量較小的顆粒。這種方案的缺點(diǎn)是光學(xué)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且兩束不同的入射光產(chǎn)生的散射光的數(shù)據(jù)在結(jié)合部的拼接是個(gè)棘手的問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有激光粒度儀技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種新型的激光粒度儀，可以有效突破窗口玻璃全反射對大角散射光出射的限制，使散射角從0°到180°的散射光全部能夠出射到空氣中，被探測器所接收，從而有效地改善了微米以下顆粒的粒度測量效果，從而顯著改善了激光粒度儀在1微米以下的測量效果。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的—種激光粒度儀，包括有用以發(fā)射激光束的光發(fā)射裝置、盛放待測樣品的樣品池、探測裝置以及用以分析散射光能分布數(shù)據(jù)并得出被測樣品的粒度分布結(jié)果的數(shù)據(jù)分析和輸出設(shè)備；所述樣品池放置有入射窗口玻璃和出射窗口玻璃，入射窗口玻璃和出射窗口玻璃之間間隔有距離，入射窗口玻璃和出射窗口玻璃相互平行；所述光發(fā)射裝置發(fā)射的激光束照射在入射窗口玻璃上；所述盛放待測樣品的樣品池放置在儀器的檢測區(qū)域內(nèi)；所述入射窗口玻璃和出射窗口玻璃的法線與光發(fā)射裝置的主光軸之間有一個(gè)傾斜角；所述光發(fā)射裝置是只發(fā)出一束激光束的裝置；探測裝置包括有一個(gè)以上的前向探測器和一個(gè)以上的后向探測器，所述前向探測器置于光發(fā)射裝置的主光軸的上方，后向探測器置于光發(fā)射裝置的主光軸的下方。所述光發(fā)射裝置是能發(fā)出垂直于散射面的偏振激光束的裝置。所述傾斜角的角度范圍是0°到90°。本發(fā)明的有益效果如下本發(fā)明的一種激光粒度儀，由于入射窗口玻璃和出射窗口玻璃的法線與光發(fā)射裝置的主光軸之間具有一個(gè)不等于0°的傾斜角；所述光發(fā)射裝置為單光束發(fā)生裝置；探測裝置包括有一個(gè)以上的前向探測器和一個(gè)以上的后向探測器，所述前向探測器置于光發(fā)射裝置的主光軸上方，后向探測器置于光發(fā)射裝置的主光軸下方。作為入射光的激光束從入射窗口玻璃入射，攜帶顆粒大小及其含量信息的散射光同時(shí)從入射窗口玻璃和出射窗口玻璃出射?？梢杂行黄拼翱诓Ａ瓷鋵Υ蠼巧⑸涔獬錾涞南拗?，能夠方便地獲得從0°到 180°的連續(xù)的散射光能信息，從而顯著改善了 1微米以下顆粒的測量質(zhì)量，簡化了儀器的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明是對激光粒度測量儀器的技術(shù)水平的重要提升。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中激光粒度儀的測試窗口示意圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)中激光粒度儀為突破測試窗口對大角散射光的全反射制約而采取的技術(shù)方案的示意圖；圖3是本發(fā)明一種激光粒度儀的測試窗口的結(jié)構(gòu)和光路示意圖；圖4是本發(fā)明一種激光粒度儀的測試窗口實(shí)施例的結(jié)構(gòu)和光路示意圖；圖5是本發(fā)明一種激光粒度儀測試各種微小顆粒散射光能的分布曲線圖。附圖標(biāo)記說明1、激光束，2、入射窗口玻璃，4、出射窗口玻璃，9、主光軸，12、入射窗口玻璃法線， 13、出射窗口玻璃法線，14、前向探測器，15、后向探測器，16、前向大角散射光線，17、后向散射光線，18、光發(fā)射裝置，19、第一后向探測器，20、第二后向探測器，21、第三后向探測器， 22、小角環(huán)形探測器陣列，23、中心探測器，24、第一探測器，25、第二探測器，26、第三探測器，27、第四探測器，28、第五探測器，29、第六探測器。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明公開一種激光粒度儀，如圖3，包括有用以發(fā)射激光束的光發(fā)射裝置、盛放待測樣品的樣品池、探測裝置以及用以分析散射光能分布數(shù)據(jù)并得出被測樣品的粒度分布結(jié)果的數(shù)據(jù)分析和輸出設(shè)備；所述樣品池放置有入射窗口玻璃2和出射窗口玻璃4，入射窗口玻璃2和出射窗口玻璃4之間間隔有距離，入射窗口玻璃2和出射窗口玻璃4相互平行；所述光發(fā)射裝置發(fā)射的激光束1照射在入射窗口玻璃2上；所述盛放待測樣品的樣品池放置在儀器的檢測區(qū)域內(nèi)；所述入射窗口玻璃2和出射窗口玻璃4的法線12、13與光發(fā)射裝置的主光軸9之間有一個(gè)傾斜角；所述光發(fā)射裝置是只發(fā)出一束激光束的裝置；探測裝置包括有一個(gè)以上的前向探測器14和一個(gè)以上的后向探測器15，所述前向探測器14置于光發(fā)射裝置的主光軸9的上方，后向探測器置15于光發(fā)射裝置的主光軸9的下方。所述光發(fā)射裝置是能發(fā)出垂直于散射面的偏振激光束的裝置。所述傾斜角的角度范圍是0°到90°。所述入射窗口玻璃2和出射窗口玻璃4為平板玻璃，其截面為長方形，所述傾斜角為 70°。本發(fā)明提出一種測量窗口斜置的光學(xué)結(jié)構(gòu)，如附圖3所示。在本結(jié)構(gòu)中，入射窗口玻璃2和出射窗口玻璃4相互平行，其法線12和13相對于光學(xué)系統(tǒng)的主光軸9有一個(gè)傾斜角，該傾斜角的角度范圍是0°到90° ；入射光線1只需一束。下面以水介質(zhì)為例，說明本發(fā)明的工作原理及優(yōu)勢。當(dāng)懸浮介質(zhì)是水(實(shí)用中最常用的介質(zhì))時(shí)，窗口玻璃的傾斜角可以取70°，根據(jù)折射定律可以算出，唯一的入射光線 1沿著主光軸9方向入射，因此其入射角為70°，折射到水介質(zhì)中時(shí)，與前、后窗口玻璃法線的夾角為45°。這樣，入射光線和小角散射光線(對應(yīng)于大顆粒)從出射窗口玻璃4出射時(shí)，相對于出射窗口玻璃4的入射角為45°左右，出射到空氣中的出射角為70°左右，仍然沿著主光軸方向。而對前向大角散射光而言，即使散射角達(dá)到90° (前向大角的極限)，如前向大角散射光線16，其相對出射窗口玻璃4的入射角也是45°，小于水對空氣的全反射角48°，可以順利折射到空氣中，被前向探測器14接收。對于后向散射光線17，由于后向探測器置15置于主光軸的下方，即使散射角達(dá)到180°，其相對入射窗口玻璃2的入射角也是45°，可以順利出射到空氣中，被后向探測器接收。由此可見，采用本發(fā)明，可以實(shí)現(xiàn)0° 到180°任意方向散射光的連續(xù)接收，從而極大地改善靜態(tài)光散射粒度儀在亞微米范圍的測量精度，而入射光只有一束，結(jié)構(gòu)非常簡單。實(shí)施例附圖4是本發(fā)明實(shí)施例的示意圖。光發(fā)射裝置18位于入射窗口玻璃2和出射窗口玻璃4的前方，所述出射窗口玻璃 4的后方，設(shè)置有小角環(huán)形探測器陣列22。所述小角環(huán)形探測器陣列22圍繞圓心半徑約0. 2毫米的區(qū)域是通透的。所述探測裝置包括有位于所述小角環(huán)形探測器陣列22后方的中心探測器23。所述前向探測器14包括有多個(gè)大角探測器(單元)，本實(shí)施例中，包括有分布在圓弧軌跡上的第一探測器24、第二探測器25、第三探測器26、第四探測器27、第五探測器28、 第六探測器29等等。后向探測器置15包括有第一后向探測器19、第二后向探測器20、第三后向探測
m 91坐坐研二丄寸寸。
從光發(fā)射裝置18發(fā)出一束匯聚的激光束，穿過測量窗口(前、后窗口玻璃分別為入射窗口玻璃2和出射窗口玻璃4)，聚焦在小角環(huán)形探測器陣列22的共同圓心上。探測器陣列22圍繞圓心半徑約0. 2毫米的區(qū)域是通透的，因此未經(jīng)顆粒散射的光線將穿過該圓心，照到中心探測器23上。為了有效地提高對小顆粒的測量靈敏度，可采用垂直線偏振光裝置產(chǎn)生垂直偏振的激光束。當(dāng)樣品池內(nèi)有顆粒時(shí)，將產(chǎn)生散射光。小角度的散射光將被小角探測器陣列22接收。大角度的散射光當(dāng)它在介質(zhì)(假定為水)中的散射角小于等于 90° (稱為“前向散射”)時(shí)，將被分立的大角探測器24-29(圖中所示的探測器個(gè)數(shù)是示意性的，并不代表實(shí)際的個(gè)數(shù))所接收，其中對應(yīng)于介質(zhì)中90°散射角的探測器29對應(yīng)空氣中的散射角為140°。后向散射光(對應(yīng)于介質(zhì)中的散射角為90-180° )被后向探測器 21-19接收(類似于前向散射，圖中所示的探測器個(gè)數(shù)是示意性的，并不代表實(shí)際的個(gè)數(shù))。 如此，采用本發(fā)明的儀器就能連續(xù)地測量0-180°角度范圍(全范圍)內(nèi)任意角度的散射光能。表1給出了經(jīng)過優(yōu)化的所有探測器的放置角度及其有效探測面積，其中有效探測面積是指扣除了探測器與散射源之間的距離、窗口玻璃的透射系數(shù)及光電轉(zhuǎn)換效率的影響之后的理論面積。表 權(quán)利要求
1.一種激光粒度儀，包括有用以發(fā)射激光束的光發(fā)射裝置、盛放待測樣品的樣品池、 探測裝置以及用以分析散射光能分布數(shù)據(jù)并得出被測樣品的粒度分布結(jié)果的數(shù)據(jù)分析和輸出設(shè)備；所述樣品池放置有入射窗口玻璃⑵和出射窗口玻璃(4)，入射窗口玻璃⑵和出射窗口玻璃⑷之間間隔有距離，入射窗口玻璃⑵和出射窗口玻璃⑷相互平行；所述光發(fā)射裝置發(fā)射的激光束(1)照射在入射窗口玻璃(2)上；所述盛放待測樣品的樣品池放置在儀器的檢測區(qū)域內(nèi)；其特征在于所述入射窗口玻璃⑵和出射窗口玻璃⑷的法線 (12,13)與光發(fā)射裝置的主光軸(9)之間有一個(gè)傾斜角；所述光發(fā)射裝置是只發(fā)出一束激光束的裝置；探測裝置包括有一個(gè)以上的前向探測器(14)和一個(gè)以上的后向探測器(15)， 所述前向探測器(14)置于光發(fā)射裝置的主光軸(9)的上方，后向探測器置(15)于光發(fā)射裝置的主光軸(9)的下方。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光粒度儀，其特征在于所述光發(fā)射裝置是能發(fā)出垂直于散射面的偏振激光束的裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光粒度儀，其特征在于所述傾斜角的角度范圍是0° 到 90°。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種激光粒度儀，其特征在于所述入射窗口玻璃(2)和出射窗口玻璃(4)為平板玻璃，所述傾斜角為70°。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光粒度儀，其特征在于所述探測裝置的探測器的放置角度及其有效探測面積為表1中顯示的數(shù)據(jù)；表全文摘要
本發(fā)明提供一種新型的激光粒度儀，可以有效突破窗口玻璃全反射對大角散射光出射的限制，使散射角從0°到180°的散射光全部能夠出射到空氣中，被探測器所接收，從而有效地改善了微米以下顆粒的粒度測量效果。包括有光發(fā)射裝置、盛放待測樣品的樣品池、探測裝置以及用以分析散射光能分布數(shù)據(jù)并得出被測樣品的粒度分布結(jié)果的數(shù)據(jù)分析和輸出設(shè)備；樣品池放置有入射窗口玻璃和出射窗口玻璃，相互平行；光發(fā)射裝置發(fā)射的激光光源照射在入射窗口玻璃上；盛放待測樣品的樣品池放置在探測裝置的檢測區(qū)域內(nèi)；入射窗口玻璃和出射窗口玻璃的法線與光發(fā)射裝置的主光軸之間有一個(gè)傾斜角；光發(fā)射裝置只發(fā)出一束偏振方向垂直于散射面的線偏振光。
文檔編號(hào)G01N15/02GK102221518SQ201010150608
公開日2011年10月19日 申請日期2010年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月13日
發(fā)明者張福根 申請人:張福根