一文了解|激光粒度分析原理及測試原理

　　激光粒度分析儀是通過顆粒的衍射或散射光的空間分布(散射譜)來分析顆粒大小的儀器，采用Furanhofer衍射及Mie散射理論，測試過程不受溫度變化、介質黏度，試樣密度及表面狀態等諸多因素的影響，只要將待測樣品均勻地展現于激光束中，即可獲得準確的測試結果。

　　激光衍射技術開始于小角散射，因此這一技術還有以下名稱：夫瑯和費（Fraunhofer）衍射法、（近似的）正向光線散射法、小角度激光散射法（LALLS）。

　　目前這一技術范圍已擴大，包括更大角度的范圍內的光散射，除了近似理論如弗瑯和費衍射和不規則衍射外，還應用米氏（Mie）理論 現在儀器制造商均已采用Mie理論作為其產品的重要優點之一。

　　當前廣泛應用于建材、化工、冶金、能源、食品、電子、地質、軍工、航空航天、機械、高校、實驗室，研究機構等。

米氏理論

　　米氏理論描述了在均勻的，無吸收的介質中均勻球型顆粒及其周圍在全空間的輻射，顆粒可以是全透明的也可以是完全吸收的。米氏理論描述光散射是一種共振現象。如果特定波長的光束遇到一個顆粒后，顆粒便產生了與發射光源相同頻率的電磁振動——與光波波長，顆粒直徑以及顆粒和介質的折射率無關。顆粒調諧并接收特定的波長，同時如同繼電器一樣在特定的空間角度分布內重新發射能量。按照米氏理論，可能產生各種概率的多重振動狀態，并且光學作用的橫斷面與顆粒粒徑，光波長和顆粒及介質的折射率之間存在著一定的關系。如果使用米氏理論，必須知道樣品和介質的折射率和吸收系數。

夫瑯和費理論

　　夫瑯和費理論是基于在顆粒邊緣的散射，只可應用于完全不透明的顆粒和小角度的散射。 當顆粒粒徑小于等于波長時，夫瑯和費假設消光系數為常數將不再適用（它是米氏理論的一種近似,即忽略了米氏理論的虛數子集,并忽略光散射系數和吸收系數，即設定所有分散劑和分散質的光學參數均為1，數學處理上要簡單得多，對有色物質和小粒子誤差也大得多。近似的米氏理論對乳化液也不適用）。

　　激光粒度儀是基于光衍射現象設計的，當光通過顆粒時產生衍射現象（其本質是電磁波和物質的相互作用）。衍射光的角度與顆粒的大小成反比。

　　不同大小的顆粒在通過激光光束時其衍射光會落在不同的位置，位置信息反映顆粒大小；同樣大的顆粒通過激光光束時其衍射光會落在相同的位置。衍射光強度的信息反映出樣品中相同大小的顆粒所占的百分比多少。

　　激光衍射法就是采用一系列的光敏檢測器來測量位置粒徑的顆粒在不同角度上的衍射光的強度，使用衍射模型，通過數學反演，然后得到樣品的粒度分布。

　　通過該位置檢測器接收到的衍射光強度，得到所對應顆粒粒徑的百分比含量。

　　顆粒衍射光的強度對角度的依賴性是隨著顆粒粒徑的變小而降低，當顆粒小到幾百納米時，其衍射光強對于角度幾乎完全失去依賴性，即此時的衍射光會分布在很寬的角度范圍內，而且單位面積上的光強很弱，這增加了檢測的難度。

激光粒度儀主要種類。

　　1.靜態激光
　　能譜是穩定的空間分布。主要適用于微米級顆粒的測試，經過改進也可將測量下限擴展到幾十納米。

　　2.動態激光
　　根據顆粒布朗運動的快慢，通過檢測某一個或二個散射角的動態光散射信號分析納米顆粒大小，能譜是隨時間高速變化。動態光散射原理的粒度儀僅適用于納米級顆粒的測試。

　　3.光透沉降
　　通常所說激光粒度儀是指衍射和散射原理的粒度儀，光透沉降儀，依據的原理是斯托克斯沉降定律而不是激光衍射/散射原理，因此這類儀器不能稱作激光粒度儀。

　　實現對1um以下及寬粒徑范圍（幾十納米到幾千微米）的樣品的測量是激光衍射法粒度儀的技術關鍵，目前有以下幾種技術和光路配置被采用：

　　1、多透鏡技術

　　多透鏡系統曾在二十世紀八十年代前被廣泛采用，它使用傅里葉光路配置即樣品池放在聚焦透鏡的前方，配有多個不同焦距的透鏡以適應不同的粒徑范圍。優點是設計簡單，只需要分布于幾十度范圍的焦平面檢測器，成本較低。缺點是如果樣品粒徑范圍寬的時候需要更換透鏡，不同透鏡的結果需要拼合，對一些未知粒徑的樣品用一個透鏡測量時可能會丟失信號或對于由于工藝變化導致的樣品粒徑變化不能及時反映。

　　2、多光源技術

　　多光源技術也是采用傅里葉光路配置即樣品池在聚焦透鏡的前方，一般只有分布于幾十度角度范圍的檢測器，為了增大相對的檢測角度，使該檢測器能夠接收到小顆粒的衍射光信號，在相對于第一光源光軸的不同角度上再配置第一或第二激光器。這種技術的優點是只需分布于幾十度角度范圍的檢測器，成本較低，測量范圍特別是上限可以比較寬，缺點是分布于小角度范圍的小面積檢測器同時也被用于小顆粒測量，由于小顆粒的衍射光在單位面積上的信號弱，導致小顆粒檢測時的信噪比降低，這就是為什么多光源系統在測量范圍上限超過1500微米左右時，若要同時保證幾微米以下小顆粒的準確測量，需要更換短焦距的聚焦透鏡。另外，多透鏡系統在測量樣品時，不同的激光器是依次開啟，而在干法測量時，由于顆粒只能一次性通過樣品池，只有一個光源能被用于測量，所以一般采用多透鏡技術的干法測量的粒徑下限很難低于250納米 。

　　3、多方法混合系統

　　多方法混合系統指的是將激光衍射法與其它方法混合而設計的粒度儀，激光衍射法部分只采用分布于幾十度角度范圍的檢測器，再輔以其它方法如PCS 等，一般幾微米以上用激光衍射法測量，而幾微米以下的顆粒用其它方法測量，理論上講粒徑下限取決于輔助方法的下限，這種方法的優點是成本低，總的測量范圍較寬，但因為不同的方法所要求的zui佳的測量條件如樣品濃度等都不一樣，通常難以兼顧，另外由于不同方法間存在的系統誤差，在兩種方法的數據擬合區域往往較難得到理想的結果，除非測量前已經知道樣品粒徑只落在衍射法范圍內或輔助方法的范圍內。另外多方法混合系統需采用兩個不同的樣品池，這對于濕法測量來講不是問題，因為樣品可以循環，但對干法而言樣品只能一次性通過樣品池而不能循環，不能用兩種方法同時測量，因而多種方法混合系統在干法測量時的粒徑下限只能到幾百納米。

　　4、非均勻交叉大面積補償的寬角度檢測技術及反傅里葉光路系統

　　非均勻交叉大面積補償的寬角度檢測及反傅里葉光路系統是二十世紀九十年代后期發展起來的技術，采用反傅里葉光路配置即樣品池置于聚焦透鏡的后面，這樣使檢測器在極大的角度范圍內排列，一般真正物理檢測角度可達150度，從而使采用單一透鏡測量幾十納米至幾千微米的樣品成為可能，光路示意圖如圖 所示，在檢測器的設計上采用了非均勻交叉而且隨著角度的增大檢測器的面積也增大的排列方式，既保證了大顆粒測量時的分辨率也保證了小顆粒檢測時的信噪比和靈敏度。無需更換透鏡及輔助其它方法就可測量從幾十納米到幾千微米的顆粒，即使是干法測量，其下限也可達到0.1微米。這種方法的缺點是儀器的成本相對于前面的幾種方法而言偏高。

　　從激光器發出的激光束經顯微鏡聚焦、針孔濾波和準直鏡準直后，變成直徑約10 mm的平行光束，該光束照射到待測的顆粒上，一部分光被散射，散射光經傅里葉透鏡后，照射到廣電探測器陣列上。由于廣電探測器處在傅里葉透鏡的焦平面上，因此探測器上的任一點都對應于某一確定的散射角。廣電探測器陣列由一系列同心環帶組成，每個環帶是一個獨立的探測器，能將投射到上面的散射光能線性地轉換成電壓，然后送給數據采集卡，該卡將電信號放大，在進行A/D轉后后送入計算機。

　　現在激光粒度儀的實際結構已經起了很大的變化，但原理一樣。

　　目前人們經過研究得出以下結論：

　　（1）測量小于1mm的顆粒時，必須使用米氏理論；

　　（2）測量大于1mm顆粒時，如果儀器的測量下限小于3mm，則儀器仍然要用米氏理論，否則在粒度分布的1mm附近會“無中生有”一個峰；

　　（3）激光粒度分析儀可以使用的衍射理論的條件是：儀器的測量下限大于3mm，或被測顆粒是吸收型的，且粒徑大于1mm；

　　(4)作為一臺通用的激光粒度分析儀，只要其測量下限小于1mm，不論它用來測量大顆粒還是小顆粒，都應采用米氏理論。