激光粒度仪的原理（上）

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  正所谓这个高地不占领，别人就会来占领啊。看着网上，知乎那么多似是而非的宣传或者一些不实的信息拼凑出来的文章。我还是写一写激光粒度仪的原理吧。

  我们日常生活（生产活动）经常会遇到各种固体材料，他们的原料形态大部分都是各种不一样的形状的颗粒构造。那对这些颗粒的形状以及大小的控制就显得很重要了。因为颗粒大小特别是亚微米，纳米颗粒对最终材料的结构和性能有着重要影响。颗粒的大小，形状，电位等等都称为颗粒的表征。其中大小是最基础的表征属性，也是大部分粉体材料企业关心的数据，被大范围的使用在电池材料，制药，涂料，磨料，陶瓷，非金属矿，粉末冶金，化工，地质，水文等行业的颗粒粒度表征分析。

  在粒度测试中，我们应该引入“等效粒径”的概念，一个颗粒的某一物理特性与同质球状颗粒相同或相近时，这个球形颗粒的直径就称为颗粒的某特性等效粒径。

  由于等效的方法不同，同一批粉体颗粒可以有多个不同的等效粒径，这也是用不同测试方法得出的结果不能直接对比的原因。

  D50是指累积分布百分数达到50%时所对应的粒径值，又称为中位径，是反映颗粒分布的主要指标之一，例如途中的D50=3微米，就是大于3微米的颗粒体积占总体积的50%。

  传统的颗粒粒度测量方法有筛分法、显微镜法、沉降法、电阻法、光阻法等，近代发展非常迅速的有激光衍射法，动态激光散射法、电子显微镜图像、电超声粒度分析法等。

  其中激光粒度分析爱发是20世纪70年代发展起来的一种高效快速的测量粒度分布的方法。主要基于光散射原理并利用了Fraunhofer衍射理论，Rayleigh-Mie-Gans散射理论以及Doppller光散射理论来测量颗粒大小。由于激光散射测量粒度分析适合使用的范围宽，测量时不受颗粒材料的光学特性及电学特性参数的影响，是粒度分析中最重要的方式之一。

  分析仪主要有激光器、光束调节系统（准直镜，聚焦透镜、对中孔等）、样品池、光电探测器和计算系统组成。

  以前老款激光粒度仪的激光器基本都选择He-Ne（氦氖气体）激光器，它的特点有体积大，需强的机械固定，光路稳定性较差需要高压供电（一般2300伏）以点亮灯丝激发气体产生激光，同时引入高压包体积大且需要高强度绝缘。

  而且气体激光器需要预热才可以做到额定功率输出，一般预热时间为30分钟，预热后热稳定性较好。还由于气体密封问题和高压供电，气体激光器的常规使用的寿命较短，需通过机械调整获得所需偏振及使用针孔完成空间滤波。

  新款的使用半导体固体激光器，能很好的避开上述特点。具有体积小，易固定，光路稳定性高，电路要求低，一般只需5伏--12伏低压供电，供电模块体积小且无需高强度绝缘。

  半导体采用半导体掺杂新技术，单色性好，而且无需预热即可达到额定功率输出，即开即用。能添加恒温系统保持其耐热性，最重要是常规使用的寿命长，通常用寿命是氦氖激光器的10倍。

  在光束中，一定粒径的球形颗粒被照射后会以一定角度向前散射光线，这个方面接近于颗粒直径相等等孔隙产生的衍射角。当一束单色光穿过悬浮的颗粒流时，颗粒产生的衍射光通过傅里叶镜汇聚于探测器上，探测器记录不同衍射角度的散射光强度。通过不同颗粒的光强叠加，反演算出颗粒粒度分布信息。

  方程式中，θ是散射角度，R是颗粒半径；I（θ）是以θ角散射的光强度；n（R）是颗粒的粒径分布函数；K=2π/λ，J1为第一型的贝叶斯函数。可以据测得的光强度推出粒径分布。

  用直观的方法来说，就是颗粒越小，衍射光斑的θ角度越大（如下图）。成千上万的光斑叠加在一起后，需要用算法来推算出不同颗粒大小和分布。

  也是由于个人计算机的加快速度进行发展，使得个人电脑的计算能力也能够完全满足做分析运算。才有激光粒度仪的诞生。