激光粒度仪的应用及发展前景

颗粒的粒度粒形是决定物料性能的重要参数之一，食品，医药，化工、电池等众多行业对颗粒的粒度粒形都有严格要求。有效地测量与控制颗粒粒度及其分布，对提高产品质量、降低能源消耗、控制环境污染、保护人类的健康等具有重要意义。本文从激光粒度仪的结构、仪器选用、应用等方面，综述了激光粒度仪发展现状，并对激光拉度仪的进一步发展做出了展望。

光是一种电磁波，当光束前进过程中遇到颗粒时，将发生散射现象，散射光与光束初始传播方向形成一个夹角θ，散射角的大小与颗粒的粒径相关，颗粒越大，产生的散射光的θ角就越小；颗粒越小，产生的散射光的θ角就越大。这样，测量不同角度上的散射光的强度，就可以得到样品的粒度分布了。

激光粒度仪就是利用光的散射原理测量粉颗粒大小的，是一种当前粒度测量领域应用Z广泛的粒度仪。其特点是测量的动态范围宽、测量速度快、操作方便，尤其适合测量粒度分布范围宽的粉体和液体雾滴。激光粒度仪作为一种测试性能优异和适用领域极广的粒度测试仪器，已经在其他粉体加工与应用领域得到广泛的应用。

激光粒度分析仪LS-POP(9)（点击图片查看产品详情）

一、激光粒度仪的结构

光源(通常为激光)：用来产生单色的、相干的和平行的光束；

光束处理单元(即扩束器)：带有积分过滤器的一个光束放大器，产生一束扩展的近乎理想状态的光束来照射分散的颗粒；

颗粒分散装置：分为湿法和干法，其中，物料中团聚的颗粒依靠三种途径被分散：颗粒间的碰撞、颗粒与分散管壁的碰撞、分散管中因极高的速度梯度而引起的离心甩力；

测量散射谱的探测器：大量的光电二极管组成；

计算机：用于控制设备和计算颗粒粒度分布。

二、激光粒度仪的选用

要合理地选用激光粒度仪，需了解激光测量原理是通过散射光强度换算出粒度大小，其依据的光学理论为Fraunhofer理论和Mie理论。

其中Fraunhofer理论为大颗粒Mie理论的近似，假定颗粒不透明，并忽略光散射系数和吸收系数，则数学处理上要简单些，对有色物质和小颗粒的误差也大些。另外，使用Mie理论时需要给出样品和介质正确的折射系数和吸收系数，而某些样品则无法提供这些参数的准确值(小的偏差就有可能导致测试结果的较大变化)，这在某种程度上限制了Mie散射原理的应用。因此，评价和使用某种激光粒度仪时，要综合考虑使用该仪器的粉体种类和颗粒大小。

2.1采用的光学理论模式

Mie理论复杂，数据处理量大，有些厂家就采用近似的Mie理论，造成适用范围受限制、漏检几率增大甚至结果出现很大偏差等问题，但Mie散射原理也有其应用的局限性(详见上述Fraunhofer衍射和Mie散射的比较)。

2.2粒度测量范围

不仅要看仪器的测量范围，更要看超出主探测器面积的小颗粒散射(小于0.5um)如何检测。应尽可能了解仪器的原理，并要求制造商解释如何去扩展测量下限，然后再识别其粒度测量范围。另外，仪器量程的中段精度Zgao，越靠近测量范围的边缘，精度越低，因此选择仪器时粒度测量范围应该留有余量。建议用量程的Z细和Z粗颗粒样品去测试一下，以判断仪器性能。

2.3探测器

因为激光衍射光环半径越大，光强越弱，容易造成小颗粒信噪比降低而漏检，所以对小颗粒分布的检测能体现仪器的好坏。增加探测器数目，减少颗粒信号的漏检，可提高测量结果的满意程度。

2.4准确性和重复性指标

准确性和重复性指标越高越好，一般采用美国的NIST标准颗粒样品检测。

2.5扫描速度

扫描速度快可提高数据准确性、重复性和稳定性。不同厂家的仪器扫描速度不同，通常从1次/秒到2000次/秒。一般来讲，循环扫描测试次数越多，平均结果的准确性越好，故速度越快越好。喷射式干法和喷雾要求更高的扫描速度；自由降落式干法虽然下落速度不快，但由于粒子只通过样品区1次，扫描速度也是越快越好。

2.6通道数

在激光粒度仪中通道数实际为检测器受光面积数，它有一个理论与实际的Zyou值偏少，接收的散射光不充分，准确度差；偏多，灵敏度太高，导致重复性差。可以通过采样速度、测量时问、准确度和通道数等指标全面衡量。

2.7分散系统

湿法分散：是否具有超声和搅拌等物理分散功能，超声功率和搅拌速度是否连续可调，是保证分析结果重复性的关键。

干法分散：样品是否容易分散，如果不是，是否选择了喷射式分散器，高速度的冲击气流是保证样品能够充分分散后得到准确分析结果的前提。

三、激光粒度仪的应用及其发展前景

3.1激光粒度仪的应用

基于光散射理论的激光粒度仪已经广泛应用于粉末冶金、薄膜、膜片料、催化剂、绝缘材料、润滑油、超导体、无线电技术等行业，涉及化学、制药、食品、建材等工业领域并发挥着越来越大的作用。激光粒度仪可以直接测定大气中烟尘与灰尘在不同时间、不同位置的含量，从而得到大气中烟尘灰尘时间——空间分布图，为解决环境污染和性气候预测起到一定的指导作用。

近年来，大气污染、金属氧化物和水力部门对江河的检测等都是激光粒度仪应用的新焦点。

3.2激光粒度仪的发展前景

近年来，国外的激光在线粒度测量技术发展迅速，因为其具有连续自动取样、抗干扰能力强、实时显示报告、数据有代表性等特点，而国内在这方面的开发和应用则刚刚起步，差距较大。可以预计，在线粒度测量与监测的发展将会给相关粉体工业带来巨大的效益和变革，激光在线测试技术将成为颗粒测试领域竞争的焦点并将会被逐步推广和应用。在这个领域，研制和开发更先进的取样和分散装置(尤其是对超微颗粒)，提高在线激光粒度仪的测试精度，使在线与离线的测量结果相吻合及工业在线安装和应用的安全性和稳定性等问题都值得进一步探讨和解决。

目前激光法测量出来的是等效散射光强球径，而人们在用严格的电磁波理论求解椭圆形等非球形颗粒的光散射理论问题上做了许多工作，也对其应用进行了研究。

另外，由光能分布反演计算出颗粒粒度分布的可靠准确算法，尤其是对多峰和窄分布颗粒样品的反演，也是国内外关注的热点。Mie理论的测量极限使得激光粒度仪在纳米颗粒的测量上有较大的局限性，国外在用动态光散射粒度仪来测量纳米颗粒方面做了很大的努力并已有产品面世，而国内正在研发这一技术。