一種多光束單鏡頭激光粒度儀

1、引言

激 光粒度儀是一種利用顆粒使激光發生散射的原理來測量粉體粒度的一種儀器，它已經成為國內外粒度測試的主要手段。目前，激光粒度測試技術發展迅速，新技術不 斷涌現，新產品層出不窮，所追求的目標是高精度、高品質、寬量程、智能化。丹東百特儀器有限公司開發的三光束單鏡頭激光粒度儀，采用不同波長激光束、獨特 的傅立葉鏡頭、獨特的光學結構和光電探測器，使前向、側向和后向的散射光都通過一個鏡頭匯聚到光電探測器上，簡化了光學系統，降低了成本，擴大了量程。這 種新型激光粒度儀的研制成功，標志著丹東百特多光束激光粒度測試技術進入了實用化的階段。

2、歷史回顧

激 光粒度儀經過近50年的發展，國內外已經有很多規格和型號的產品。如果按光束和鏡頭數量來分類，大體可分為四種類型：一是“單光束單鏡頭”激光粒度儀，這 種類型的激光粒度儀有很多品牌和型號，產銷量最多，應用領域廣泛，現有的國產和進口的經濟型激光粒度儀大多屬于這種類型。二是“單光束多鏡頭”激光粒度 儀，這種產品是在“單光束單鏡頭”基礎上發展起來的，目的是為了接收大角度散射光，擴大量程。三是“多光束多鏡頭”激光粒度儀，這是國外高性能激光粒度儀 的標志性技術，通過多束激光和多個鏡頭位置變化，更有效地接收大角度的散射光，從而達到擴大量程的目的。四是丹東百特研制的 “多光束單鏡頭”激光粒度儀，這種儀器通過巧妙的光路設計，使多個激光器產生的散射光都通過一個鏡頭來接收，保證了不同激光器的散射光接收的一致性，簡化 了結構，降低了成本，同時擴大了量程，提高了測試精度。

3、多光束單鏡頭光路系統的基本組成與量程

本文多光束系統主要指三光束。采用前向、前側向和后側向排列方式，其中后向激光器采用了波長更短的藍光激光器。通過對激光器位置的有效排列，配合廣角鏡頭和大尺寸光電探測器，使散射光的有效探測角度范圍為0.08-156°，極限量程可達0.01—2000微米，光路系統基本組成如圖1所示。  

圖1、三光束單鏡頭光路系統示意圖

那么，這樣的系統的量程究竟能不能達到0.01—2000微米呢？

首先，采用短波長的激光器有利于拓展測試下限。測試下限能不能達到0.01微米，關鍵要設法使0.01微米附近的散射光能分布有明顯的區分。通過對米氏散射理論研究，可以得到在短波長激光照射下，一些亞微米甚至納米級顆粒的后向散射光能分布圖譜，如圖2。也可以得到在普通激光照射下同樣粒徑顆粒后向散射光能分布圖譜，如圖3。從兩種光束對相同顆粒照射產生的后向散射圖譜可以看出，短波長激光能使0.01微米附近的散射圖譜有明顯區別，普通波長的激光則不能使0.01微米附近的散射圖譜有明顯區別。可見，采用波長短的藍色激光可提高量程下限的分辨率，對拓展量程下限極為有利，如果在實踐中各個環節處理好，量程下限極限就可能夠達到0.01微米。

	圖2  短波長激光大角度散射光分布		圖3  普通激光大角度散射光分布

其次，高性能的鏡頭是實現擴展量程的關鍵。經過上述分析，我們知道在理論上短波長激光能使0.01微米附近的散射圖譜有明顯區別，但與微米粒徑區段的散射 信號相比，這個區域的散射信號的區別的幅度仍然較小。分辨這種較小差別信號的一個重要條件是要有一個高性能的廣角小相差鏡頭。要求該鏡頭應具備良好的平場 特性，有較小的場曲特性，有較小的球差特性和廣角特性等等，為達到這些光學要求，我們設計了一個由四個透鏡組成的鏡頭，如圖4，其中透鏡2和透鏡3膠合在 一起，組成一個負焦距透鏡，與透鏡1和透鏡3兩個正焦距透鏡組合正焦距透鏡組合形成一個高性能的鏡頭，這樣的設計保證大視場角散射光的不失真地匯聚到光電 探測器上，使系統的測試下限達到0.01微米。同時，該鏡頭還要保證中心視場角散射光(軸上) 的成像的質量達到衍射極限，從而保證測試上限達到2000微米。

第三，獨特的光路結構有利于匯聚各個角度的散射光。本系統所采用的三光束光路架構如圖5所示。

前 向紅激光光束是沿著水平方向照射，穿過樣品池和匯聚鏡頭后入射到光電探測器中心孔中，所產生的散射光角度0.08-47°；側向綠激光光束沿著與水平光束 成35°角方向照射，所產生的散射光角度為35-83°；后向藍激光光束放置在鏡頭后面，發出的是一束發散光束，經過鏡頭后變成平行光，所產生的散射光的 角度為109-156°。上述三個光束所產生的散射光經過同一個鏡頭匯聚到同一個探測器上，使數據處理具有連續性和一致性。

第四，光電探測器的性 能是擴大量程的重要前提。本系統所采用的光電探測器陣列是由交叉排列的扇形和矩形光電探測器組合排列而成，具有靈敏度高、尺寸大和中心孔小等特點，同時具 備接收大角度的和小角度的散射光。其中最小探測角度為0.08°，最大探測角度達到了156°，能夠同時滿足量程上限下限的要求。加探測器的結構如圖6所 示。

圖4、組合鏡頭結構示意圖	圖5、光路架構示意圖	圖6、光電探測器基本結構示意圖

第五，高精度的、穩定的反演算法是實現系統設計要求的保證。激光粒度測試的直接物理量是散射光能分布，如果不能真實有效地將接收的散射光能分布反演為粒度分布，其它的種種努力將毫無意義。因此反演算法的優劣對拓寬量程起著至關重要的作用。經過長期深入研究和反復實踐，在本系統中采用的反演算法具有精度高、速度快、穩定性好的效果。圖7的上半部分是六個隨機樣品的理論粒度分布，下半部分是通過理論粒度得到散射光能分布后再進行反演計算得到的粒度分布，可以看出兩組對應的粒度分布十分接近。 

圖7、反演算法精度對比

第六，實際測試結果效果良好。通過采用短波長激光、組合鏡頭、特殊光路結構、大尺寸光電探測器以及獨特的反演算法等措施后，系統能不能對量程所覆蓋的所有粒度范圍的的樣品都進行有效測量，特別是能否對粒度分布在量程的上限和下限附近的樣品進行有效測量，是本系統成敗的關鍵，這就對制造環節提出了更高的要求。比如在光電探測器設計、選材、制作方面；在鏡頭的設計、參數確定和安裝方面；在激光器選擇及其位置排列方面；在樣品池的材料與制作工藝方面都需要做大量的工作，使設計方案得以實現。圖8是對粗、中、細三種不同粒度的樣品進行粒度測試的結果。從這三個測試結果可以看出，本系統無論對最小粒徑接近量程下限的樣品，還是對最大粒徑接近量程上限的樣品，都具有較好的效果。

圖8、幾種樣品的實際測試結果

4、硬件系統組成

除了上述討論過的光路系統以外，本系統還包括光電探測器及自動對焦系統、信號傳輸與控制系統、自動循環分散系統以及軟件（電腦）系統等四部分。

(1)自動對焦系統：自動對焦系統由步進電機及其執行機構和步進電機控制驅動系統兩部分組成。自動對焦系統除了作為光電探測器陣列的基座之外，主要的作用是保證探測器的中心始終與主光軸上鏡頭的焦點重合。一旦探測器中心與鏡頭的焦點發生偏離現象，
圖10自動對焦示意圖 自動對焦系統將在電腦控制下，通過橫向和縱向的步進電機及其執行機構，實時地、自動地進行調整，使探測器的中心回到焦點上，保證了測量精度。

	圖9、系統其他組成部分示意圖		圖10、自動對焦示意圖

(2)信號轉換、傳輸與控制系統。該系統包括微控制系統（MCU）、驅動系統、多路信號分配系統、信號放大器等部分組成，如圖9。其中微控制系統是控制核心，由三個單片機系統組成，它通過USB與電腦相連，受電腦直接指揮和控制。在運行粒度測試軟件前由它直接控制各部分的初始狀態，在粒度測試過程中它隨時接收電腦的指令和各部分的反饋信號，經過處理后再向其它相關部分發出控制指令。驅動系統是MCU的執行機構，MCU發出的指令通過它進行功率放大和轉換后直接驅動自動對焦系統和循環分散系統，進行光路對焦、啟動/停止循環、啟動/停止超聲分散以及啟動進水/排水/清洗等操作。多路信號分配系統和信號放大器的主要作用是信號的轉換與傳輸，包括信號放大、16位模/數轉換，98路信號分配等。

(3)循環分散系統。包括流量可調的離心循環泵、無限定條件啟動的超聲波分散器、防泄漏的排水系統、吸水式進水系統、水位探測器、攪拌器等。該系統的所有操作都通過電腦、MCU、驅動系統來實現的。它的操作流程包括進水—消泡—循環—背景—濃度—分散—測試—排放—清洗—進水等。這些操作可以通過設置標準操作流程（SOP）方式程序化，也可以通過屏幕上的快捷按鈕單獨進行操作。 

5、軟件系統

軟件系統是多光束單鏡頭激光粒度儀系統的重要組成部分。這里僅從應用角度列出幾點內容。

(1)準確性標定。粒度測試結果準不準，怎樣來界定準確性，是激光粒度儀器研究、生產和應用都關心的問題。除了前面已經描述過的理論驗證以外，本系統還通過用實際樣品兩級標定的方式來保證系統準確性。一是用通過認證的幾種標準樣品分段來進行檢定；二是用工作標樣進行驗證。圖11就是一種工作標樣進行驗證的界面。圖11中的中間虛線是這個工作標樣的“標稱”粒度曲線，兩邊的虛線是允許的粒度界限，紅線是實際測試的粒度曲線。用戶可以用經過認證的標準樣品進行準確性檢定，也可以用隨儀器贈送的工作標樣定期和不定期進行準確性驗證。

(2)多文字界面技術。為了方便國內外不同地域和語言背景用戶的使用，語言選擇界面
本軟件系統設置了中文、中文繁體、英文三種文字。用戶可以在這三種文字中種任選一種。不僅如此，在界面設計上還使用了“文件關聯技術”，將界面所有的文字以關聯文件的形式保存在文本文件中。只要將這個關聯文件（該文件是中文或英文）翻譯成任何一種其它文字，重新啟動后軟件界面就變成相應文字的界面了。所以，無論這種儀器的用戶是使用什么語言背景，都可以用自己熟悉的母語文字進行粒度測試工作。

	圖11、粒度測試準確性驗證		圖12、語言選擇界面

(3)自動測試技術。本系統通過設置標準操作流程，粒度測試過程的所有環節全部自動進行操作。自動測試的流程是：啟動“自動測試”按鈕—進水—消泡—攪拌—循環—濃度調整—分散—測試—保存—打印—清洗—進水。自動測試不僅僅是簡化操作，更重要的是保證每次的測試條件完全一致，最大限度地消除了因操作因素帶來的誤差，保證了粒度測試的重復性和準確性。

	圖13、自動測試與SOP設置

(4)報告單格式的轉換：為了便于在通常條件下對報告單進行打印、顯示、發送電子郵件的需要，本系統設置了三種報告單轉換形式。其中“導入Excel”是將報告單轉換成標準的Excel格式文件，可以在Excel環境下打印、編輯。“整體導出”是先將報告單轉換成位圖格式，然后存入電腦的剪切板中，它可以被粘貼到Word、Excel、畫圖、寫字板等多種環境，方便地進行打印、顯示、發送電子郵件等。“分項導出”是將所關心的單項結果（如D10、D50、D90）導入Excel環境中，以便于進行比較、處理、編輯等。 

6、結束語

通過長期的理論研究和設計制造實踐，采用新的創新技術的多光束單鏡頭激光粒度儀研制成功。實現了拓寬量程、提高精度、簡化操作、打造精品的設計要求。該項技術的研制成功和產品的投放市場，是中國激光粒度測試技術自主創新的又一成果，標志著高性能激光粒度儀國產化的時期已經到來。