干貨丨激光粒度分析儀相關(guān)知

　　一、粒度分析的基本概念

（1）顆粒：具有一定尺寸和形狀的微小物體，是組成粉體的基本單元。它宏觀很小，但微觀卻包含大量的分子和原子；

（2）粒度：顆粒的大小；

（3）粒度分布：用一定的方法反映出一系列不同粒徑顆粒分別占粉體總量的百分比；

（4）粒度分布的表示方法：表格法（區(qū)間分布和累積分布）、圖形法、函數(shù)法，常見(jiàn)的有R-R分布，正態(tài)分布等；

（5）粒徑：顆粒的直徑，一般以微米為單位；

（6）等效粒徑：指當(dāng)一個(gè)顆粒的某一物理特性與同質(zhì)球形顆粒相同或相近時(shí)，我們就用該球形顆粒的直徑來(lái)代表這個(gè)實(shí)際顆粒的直徑；

（7）D10，累計(jì)分布百分?jǐn)?shù)達(dá)到10%所對(duì)應(yīng)的粒徑值；

D50，累計(jì)分布百分?jǐn)?shù)達(dá)到50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑值；又稱(chēng)中位徑或中值粒徑；

D90，累計(jì)分布百分?jǐn)?shù)達(dá)到90%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑值；

D（4，3）體積或質(zhì)量粒徑平均值；

二、常用的粒度測(cè)量方法

（1）篩分法

（2）沉降法（重力沉降法、離心沉降法）

（3）電阻法（庫(kù)爾特顆粒計(jì)數(shù)器）

（4）顯微鏡（圖像）法

（5）電鏡法

（6）超聲波法

（7）透氣法

（8）激光衍射法

各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)

篩分法：優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、直觀、設(shè)備造價(jià)低、常用于大于40μm的樣品。缺點(diǎn)：不能用于40μm以細(xì)的樣品；結(jié)果受人為因素和篩孔變形影響較大。

顯微鏡法：優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、直觀、可進(jìn)行形貌分析。缺點(diǎn)：速度慢、代表性差，無(wú)法測(cè)超細(xì)顆粒。

沉降法（包括重力沉降和離心沉降）：優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便，儀器可以連續(xù)運(yùn)行，價(jià)格低，準(zhǔn)確性和重復(fù)性較好，測(cè)試范圍較大。缺點(diǎn)：測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)。

電阻法：優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便，可測(cè)顆粒總數(shù)，等效概念明確，速度快，準(zhǔn)確性好。缺點(diǎn)：測(cè)試范圍較小，小孔容易被顆粒堵塞，介質(zhì)應(yīng)具備嚴(yán)格的導(dǎo)電特性。

電鏡法：優(yōu)點(diǎn)：適合測(cè)試超細(xì)顆粒甚至納米顆粒、分辨率高。缺點(diǎn)：樣品少、代表性差、儀器價(jià)格昂貴。

超聲波法：優(yōu)點(diǎn)：可對(duì)高濃度漿料直接測(cè)量。缺點(diǎn)：分辨率較低。

透氣法：優(yōu)點(diǎn)：儀器價(jià)格低，不用對(duì)樣品進(jìn)行分散，可測(cè)磁性材料粉體。缺點(diǎn)：只能得到平均粒度值，不能測(cè)粒度分布。

激光法：優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便，測(cè)試速度快，測(cè)試范圍大，重復(fù)性和準(zhǔn)確性好，可進(jìn)行在線測(cè)量和干法測(cè)量。缺點(diǎn)：結(jié)果受分布模型影響較大，儀器造價(jià)較高。

三、激光粒度分析儀的基本原理

激光衍射技術(shù)開(kāi)始于小角散射，因此這一技術(shù)還有以下名稱(chēng)：

夫瑯和費(fèi)（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(shù)范圍已擴(kuò)大，包括更大角度的范圍內(nèi)的光散射，除了近似理論如弗瑯和費(fèi)衍射和不規(guī)則衍射外，還應(yīng)用米氏（Mie）理論現(xiàn)在儀器制造商均已采用Mie理論作為其產(chǎn)品的重要優(yōu)點(diǎn)之一。

米氏理論，是以一個(gè)德國(guó)科學(xué)家的名字命名的。它描述了在均勻的，無(wú)吸收的介質(zhì)中均勻球型顆粒及其周?chē)谌臻g的輻射，顆粒可以是全透明的也可以是吸收的。米氏理論描述光散射是一種共振現(xiàn)象。如果特定波長(zhǎng)的光束遇到一個(gè)顆粒后，顆粒便產(chǎn)生了與發(fā)射光源相同頻率的電磁振動(dòng)——與光波波長(zhǎng)，顆粒直徑以及顆粒和介質(zhì)的折射率無(wú)關(guān)。顆粒調(diào)諧并接收特定的波長(zhǎng)，同時(shí)如同繼電器一樣在特定的空間角度分布內(nèi)重新發(fā)射能量。按照米氏理論，可能產(chǎn)生各種概率的多重振動(dòng)狀態(tài)，并且光學(xué)作用的橫斷面與顆粒粒徑，光波長(zhǎng)和顆粒及介質(zhì)的折射率之間存在著一定的關(guān)系。如果使用米氏理論，必須知道樣品和介質(zhì)的折射率和吸收系數(shù)。

夫瑯和費(fèi)理論，是以一個(gè)德國(guó)物理學(xué)家弗朗和菲德名字命名的，它基于在顆粒邊緣的散射，只可應(yīng)用于不透明的顆粒和小角度的散射。當(dāng)顆粒粒徑小于等于波長(zhǎng)時(shí)，夫瑯和費(fèi)假設(shè)消光系數(shù)為常數(shù)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(shù)子集，并忽略光散射系數(shù)和吸收系數(shù)，即設(shè)定所有分散劑和分散質(zhì)的光學(xué)參數(shù)均為1，數(shù)學(xué)處理上要簡(jiǎn)單得多，對(duì)有色物質(zhì)和小粒子誤差也大得多。近似的米氏理論對(duì)乳化液也不適用）。

激光粒度儀是基于光衍射現(xiàn)象設(shè)計(jì)的，當(dāng)光通過(guò)顆粒時(shí)產(chǎn)生衍射現(xiàn)象（其本質(zhì)是電磁波和物質(zhì)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(guò)激光光束時(shí)其衍射光會(huì)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(guò)激光光束時(shí)其衍射光會(huì)落在相同的位置。衍射光強(qiáng)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(cè)器來(lái)測(cè)量位置粒徑的顆粒在不同角度上的衍射光的強(qiáng)度，使用衍射模型，通過(guò)數(shù)學(xué)反演，然后得到樣品的粒度分布。

通過(guò)該位置檢測(cè)器接收到的衍射光強(qiáng)度，得到所對(duì)應(yīng)顆粒粒徑的百分比含量。

顆粒衍射光的強(qiáng)度對(duì)角度的依賴(lài)性是隨著顆粒粒徑的變小而降低，當(dāng)顆粒小到幾百納米時(shí)，其衍射光強(qiáng)對(duì)于角度幾乎失去依賴(lài)性，即此時(shí)的衍射光會(huì)分布在很寬的角度范圍內(nèi)，而且單位面積上的光強(qiáng)很弱，這增加了檢測(cè)的難度。

實(shí)現(xiàn)對(duì)1um以下及寬粒徑范圍（幾十納米到幾千微米）的樣品的測(cè)量是激光衍射法粒度儀的技術(shù)關(guān)鍵，概況起來(lái)，目前有以下幾種技術(shù)和光路配置被采用：

1、多透鏡技術(shù)

多透鏡系統(tǒng)曾在二十世紀(jì)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(gè)不同焦距的透鏡以適應(yīng)不同的粒徑范圍。優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，只需要分布于幾十度范圍的焦平面檢測(cè)器，成本較低。缺點(diǎn)是如果樣品粒徑范圍寬的時(shí)候需要更換透鏡，不同透鏡的結(jié)果需要拼合，對(duì)一些未知粒徑的樣品用一個(gè)透鏡測(cè)量時(shí)可能會(huì)丟失信號(hào)或?qū)τ谟捎诠に囎兓瘜?dǎo)致的樣品粒徑變化不能及時(shí)反映。

2、多光源技術(shù)

多光源技術(shù)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(cè)器，為了增大相對(duì)的檢測(cè)角度，使該檢測(cè)器能夠接收到小顆粒的衍射光信號(hào)，在相對(duì)于光源光軸的不同角度上再配置或第二激光器。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是只需分布于幾十度角度范圍的檢測(cè)器，成本較低，測(cè)量范圍特別是上限可以比較寬，缺點(diǎn)是分布于小角度范圍的小面積檢測(cè)器同時(shí)也被用于小顆粒測(cè)量，由于小顆粒的衍射光在單位面積上的信號(hào)弱，導(dǎo)致小顆粒檢測(cè)時(shí)的信噪比降低，這就是為什么多光源系統(tǒng)在測(cè)量范圍上限超過(guò)1500微米左右時(shí)，若要同時(shí)保證幾微米以下小顆粒的準(zhǔn)確測(cè)量，需要更換短焦距的聚焦透鏡。另外，多透鏡系統(tǒng)在測(cè)量樣品時(shí)，不同的激光器是依次開(kāi)啟，而在干法測(cè)量時(shí)，由于顆粒只能一次性通過(guò)樣品池，只有一個(gè)光源能被用于測(cè)量，所以一般采用多透鏡技術(shù)的干法測(cè)量的粒徑下限很難低于250納米。

3、多方法混合系統(tǒng)

多方法混合系統(tǒng)指的是將激光衍射法與其它方法混合而設(shè)計(jì)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(cè)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(cè)量，而幾微米以下的顆粒用其它方法測(cè)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(yōu)點(diǎn)是成本低，總的測(cè)量范圍較寬，但因?yàn)椴煌姆椒ㄋ蟮牡臏y(cè)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(tǒng)誤差，在兩種方法的數(shù)據(jù)擬合區(qū)域往往較難得到理想的結(jié)果，除非測(cè)量前已經(jīng)知道樣品粒徑只落在衍射法范圍內(nèi)或輔助方法的范圍內(nèi)。另外多方法混合系統(tǒng)需采用兩個(gè)不同的樣品池，這對(duì)于濕法測(cè)量來(lái)講不是問(wèn)題，因?yàn)闃悠房梢匝h(huán)，但對(duì)干法而言樣品只能一次性通過(guò)樣品池而不能循環(huán)，不能用兩種方法同時(shí)測(cè)量，因而多種方法混合系統(tǒng)在干法測(cè)量時(shí)的粒徑下限只能到幾百納米。

4、非均勻交叉大面積補(bǔ)償?shù)膶捊嵌葯z測(cè)技術(shù)及反傅里葉光路系統(tǒng)

非均勻交叉大面積補(bǔ)償?shù)膶捊嵌葯z測(cè)及反傅里葉光路系統(tǒng)是二十世紀(jì)九十年代后期發(fā)展起來(lái)的技術(shù)，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(cè)器在極大的角度范圍內(nèi)排列，一般真正物理檢測(cè)角度可達(dá)150度，從而使采用單一透鏡測(cè)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(cè)器的設(shè)計(jì)上采用了非均勻交叉而且隨著角度的增大檢測(cè)器的面積也增大的排列方式，既保證了大顆粒測(cè)量時(shí)的分辨率也保證了小顆粒檢測(cè)時(shí)的信噪比和靈敏度。無(wú)需更換透鏡及輔助其它方法就可測(cè)量從幾十納米到幾千微米的顆粒，即使是干法測(cè)量，其下限也可達(dá)到0.1微米。這種方法的缺點(diǎn)是儀器的成本相對(duì)于前面的幾種方法而言偏高。

從激光器發(fā)出的激光束經(jīng)顯微鏡聚焦、針孔濾波和準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直后，變成直徑約10mm的平行光束，該光束照射到待測(cè)的顆粒上，一部分光被散射，散射光經(jīng)傅里葉透鏡后，照射到廣電探測(cè)器陣列上。由于廣電探測(cè)器處在傅里葉透鏡的焦平面上，因此探測(cè)器上的任一點(diǎn)都對(duì)應(yīng)于某一確定的散射角。廣電探測(cè)器陣列由一系列同心環(huán)帶組成，每個(gè)環(huán)帶是一個(gè)獨(dú)立的探測(cè)器，能將投射到上面的散射光能線性地轉(zhuǎn)換成電壓，然后送給數(shù)據(jù)采集卡，該卡將電信號(hào)放大，在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)后后送入計(jì)算機(jī)。

現(xiàn)在激光粒度儀的實(shí)際結(jié)構(gòu)已經(jīng)起了很大的變化，但原理一樣。

目前人們經(jīng)過(guò)研究得出以下結(jié)論：

（1）測(cè)量小于1mm的顆粒時(shí)，必須使用米氏理論；

（2）測(cè)量大于1mm顆粒時(shí)，如果儀器的測(cè)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(huì)“無(wú)中生有”一個(gè)峰；

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

(4)作為一臺(tái)通用的激光粒度儀，只要其測(cè)量下限小于1mm，不論它用來(lái)測(cè)量大顆粒還是小顆粒，都應(yīng)采用米氏理論。

五、激光粒度儀的組成

光源（通常為激光）：用來(lái)產(chǎn)生單色的、相干的和平行的光束；光束處理單元是帶有積分過(guò)濾器的一個(gè)光束放大器，產(chǎn)生一束擴(kuò)展的近乎理想狀態(tài)的光束來(lái)照射分散的顆粒(有固定波長(zhǎng)的相干強(qiáng)光源。He-Ne氣體激光器（λ=0.63um）。

顆粒分散裝置（濕法和干法）

測(cè)量散射譜的探測(cè)器（大量的光電二極管組成）

計(jì)算機(jī)（用于控制設(shè)備和計(jì)算顆粒粒度分布）

通過(guò)技術(shù)的進(jìn)步，測(cè)量下限可到0.1um，有的可達(dá)0.02um

六、測(cè)試操作步驟

1、準(zhǔn)備工作儀器安裝和分散液體（氣體）

2、試樣檢查、準(zhǔn)備、分散和試樣濃度檢查顆粒的粒度范圍和顆粒形狀及是否充分分散；

3、測(cè)量（選擇合適的光學(xué)模型）

4、誤差的來(lái)源于診斷系統(tǒng)的測(cè)量誤差（偏差），可來(lái)自于不正確的試樣制備、偏離顆粒的理論假設(shè)和/或是由于對(duì)儀器的不適當(dāng)操作和運(yùn)行造成的；

七、常用的激光粒度儀生產(chǎn)廠家

英國(guó)馬爾文激光粒度儀（國(guó)外）

歐美克激光粒度儀（珠海）

丹東激光粒度儀（遼寧）

八、測(cè)試對(duì)象

1.各種非金屬粉：如重鈣、輕鈣、、高嶺土、石墨、硅灰石、水鎂石、重晶石、云母粉、膨潤(rùn)土、硅藻土、黏土等。

2.各種金屬粉：如鋁粉、鋅粉、鉬粉、鎢粉、鎂粉、銅粉以及稀土金屬粉、合金粉等。

3.其它粉體：如催化劑、水泥、磨料、醫(yī)藥、農(nóng)藥、食品、涂料、染料、熒光粉、河流泥沙、陶瓷原料、各種乳濁液等。