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激光粒度仪的基本原理与应用

来源：本站时间：2020-08-24 17:27:40 浏览：14821次

作者：Green dinosaur

1 引言

食品、医药、催化等众多行业中的许多物料都是以粉体形态存在的，粉体颗粒粒度分布对物料的质量和性能有着重要的影响。例如水泥中的颗粒大小会影响凝结时间和成品强度，催化剂的粒度影响催化活性，电池原料粒度分布影响电池的寿命与容量等。因此，有效地测量粉体颗粒粒度与分布，对控制物料形貌与性质，提高产品质量有着重要的意义。在众多测试方法中，激光粒度仪以激光为探测光源，利用光源散射原理进行粉体测量，具有测量范围宽、结果分析快、重复性好等优势，是一种应用广泛而比较有发展前途的粒度测量设备。

2 工作原理与结构

2.1 光散射原理

激光粒度仪的测量原理是光散射原理，即光线通过不均匀介质时与颗粒产生相互作用，发生吸收、反射、折射、透射和衍射等现象而使光线偏离原先的光路。如图1所示。

图1 光散射现象

光散射现象

图2 激光粒度仪的测量方法

2.2 测量方法

2.2.1 静态光散射法

静态光散射法(Static light scattering，SLS)是采用光电探测器收集散射光的光强、能量等信号后，依据散射原理对信息进行计算解读从而获取颗粒尺寸信息的测量方法。这种方法获取的是一次得到的瞬时信息，因此称为静态法。静态光散射法分为：小角向前散射法、全角度散射法、角散射法等。

激光器发出的激光经过扩束、准直后成为平行光，颗粒在平行光照射下产生散射，在焦平面上形成Airy斑。对同一种激光源而言，大颗粒对应的光环半径小，小颗粒对应的光环半径大。依据这种原理推导出粒子的粒度及其分布信息的方法称为小角向前法。

入射光被粒子散射后强度减小，光强衰减比例由粒子粒径大小决定，利用这种方法进行的粉体粒径测量称为全角度法。

在某一方向下，粒子的散射光能量的大小取决于颗粒尺寸和形貌，采用这种方法测量散射光中包含粒子尺寸信息的方法称为角散射法。

2.2.2 动态光散射法

动态光散射法（Dynamic light scattering，DLS）是通过测量光强随时间的变化来实现粒度测量的，在更早的文献中也称作光子相关光谱（PCS）和准弹性光散射（QELS）。根据Rayleigh散射原理，在粒子尺寸远小于光波波长时，粒子的大小不再影响散射光相对强度的角分布，在这种情况下无法再使用静态光散射法进行测量。

图3 动态光散射测量流程

动态光散射法是依据颗粒在作布朗运动时，散射光的总光强会产生波动、散射光频率产生频移的原理，从而通过测量散射光强度函数随时间的衰减程度，利用斯托克斯-爱因斯坦关系来分析得到颗粒的流体动力学尺寸及其分布信息。采取动态光散射法测量可将粒子直径的检测范围延伸到纳米级或亚纳米数量级。

光散射现象

2.2.3 静态光散射与动态光散射法的比较

静态光散射法：

优点：范围广，速度快，重复性高，可在线测量；

缺点：仅限于稀释液体中的颗粒测定，在高密度介质中的多次散射会导致误差；仪器体积大，价格高，操作复杂，维护频繁。

动态光散射法：

优点：精准、稳定，对尺寸分布范围窄的颗粒测量分辨率达到较高精度；

缺点：大颗粒的存在会严重影响尺寸精度，不适用于测量多分散样品。

依据样品性质可选用不同的测试技术。二者相比，静态光散射的粒度分析仪是测量数百纳米到几毫米颗粒的广泛使用仪器，而动态光散射法已经成为测量亚微米颗粒的行业标准技术。

2.3 仪器结构

图4 激光粒度仪的结构[2]

激光粒度仪的基本结构如图4所示。

由激光器发射的光束，经过空间滤波器和扩束透镜后成为一束具有特定波长的平行光。颗粒粉体分散在空气流或液体介质中，由分散系统传输进样品室，以保证颗粒分散均匀。平行光经过样品室发生衍射和散射，出射的散射光经傅里叶透镜后成像在焦平面上。焦平面上排列搭载有多环光电探测器，探测器探测到的散射光信息被转换为电信号，经电脑测量和反演可以获得颗粒的粒度分布特征。

（1）激光器：一般为He-Ne激光器或半导体激光器，作用是提供具有一定波长的光束；

（2）透镜系统：分为入射前的扩束透镜和空间滤波器，将激光器发出的光束进行准直和过滤，使其成为具有一束平行单色光束；以及出射后的傅里叶透镜，用来将散射光会聚在焦平面；

（3）分散系统：依据分散剂不同分为湿法分散和干法分散。湿法分散通常通过超声和搅拌达到，分散效果与超声时间、频率和搅拌速度相关；干法分散则分为自由下落式和喷射式分散法两种。样品的充分分散是获得准确分析结果的前提，因此需要根据样品的性质选择合适的分散方法。

（4）样品室与进样系统：样品室通过进样系统与分散系统沟通。待测颗粒通过进样系统传输进样品室中，这一做法是为了保证颗粒分散均匀；

（5）光电探测器：光电探测器分布在散射光经过傅里叶透镜的焦平面上，数量众多，呈环状排列，这是由于每个需要检测的散射角均需安装一个传感器。分布在中心的传感器收集末衍射光束，用来测定样品的体积浓度；外围探测器用来接收散射光的分布角度与能量并将其转换为电信号，这些电信号经电脑测量与反演推算，可以获得颗粒的粒度分布特征。

目前主流纳米粒度仪使用的探测器有两种：PMT光电倍增管和APD雪崩式光子计数器。

（6）计算机与成像系统。

3 仪器操作与注意事项

3.1 操作过程（使用方法）

英国Malvern公司是最早涉足动态散射测量技术的公司之一，目前在世界粒度仪生产市场上占有重要地位。下面以Malvern公司的招牌产品Mastersizer-2000（量程0.02-2000 μm）为例，简单介绍激光粒度仪器的操作方法：

图5 Mastersizer-2000

第一步：开机。先打开仪器主机和湿法进样器，再开电脑，运行Mastersizer2000操作软件；

第二步：在样品杯中加入适量的分散剂，打开进样泵（控制面板第一个显示中间的on/off键），使分散液在样品杯、进样泵、进样管和样品池中循环流动，打开超声分散器进行超声；

第三步：在Mastersizer程序中点击“文件”，“打开”，“新建”文件，进入一个新的项目；

第四步：单击“测量”中的“手动”按钮，进入测量窗口；单击“对光”测量背景，如果背景状态正常，则无需更换分散剂；

第五步：进入“选项”菜单，新建样品、分散剂名称，进行样品和分散剂的折光率等光学参数设置；进入“文档”菜单，设置样品名称，点“确定”退出；

第六步：单击“开始”测量背景，系统提示“加入样品”时，加入样品至遮光度10%到控制的遮光度范围内（绿色区域），再次单击“开始”或“测量样品”，仪器进行测量并保存测量编号和时间到指定的文件中；

第七步:样品测量结束后，可在“记录”中选择需要打印或阅读的报告；

第八步：测量结束后，抬起烧杯上方盖子到两个黑线中间，样品池中的分散剂被自动排出，将样品杯中的被测溶液更换为纯净的分散剂，继续启动进样泵进行管道清洗，重复几次清洗干净；

第九步：关机。先关闭电脑软件，再关闭湿法进样器和仪器主机。

3.2 影响因素

(1) 分散剂选择：激光粒度仪测试的重要条件之一就是试样分散。选择合适的分散剂能够使液体表面张力显著降低，破坏颗粒间的范德华力。它的主要作用是防止颗粒的沉降和凝聚，使颗粒呈良好分散态。分散剂理论上应当选择透明的、光学性质均衡、不与样品发生反应的液体。

(2) 探测器分布：半径越大的激光衍射环，衍射角越大，光强越弱，如果漏检很容易造成小颗粒信噪比不良。增加探测器数目可减少信号漏检，提高测量结果的准确度。

(3) 遮光度选择：遮光度是指仪器探测到的样品粉末分散浓度，是对任一时刻光束中样品数量的度量。如果遮光度值太高，会出现多重散射而无法测量；如果遮光度值太低，则会检测不到足够的信号，影响测量精度。对尺寸较小的颗粒，较低的遮光度（5%-10%）已经可保证信噪比；对于尺寸不是很小的颗粒，遮光度可扩大到5%-12%；如果加入样品的粒径分布较宽，可以采用15%-20%的遮光度以保证取样的代表性。

(4) 校准标准物质的选择：为保证激光粒度仪校准结果的准确性和溯源性，需要依据一定的行业仪器校准规范流程对仪器进行校准。

(5) 扫描速度：不同厂家的仪器扫速从1次/秒到2000次/秒不定，扫描速度快可提高数据准确性、重复性和稳定性。干法分散中的喷射式和喷雾式要求更高的扫描速度；自由降落式分散的粒子只通过样品区域一次，扫描速度可适当降低。

3.3 注意事项

(1) 仪器需预热15-30 min后方能开始使用；

(2) 样品要求：样品测试前去掉有机质、碳酸盐，并经过充分分解，对于动态散射测量的样品，粒径分布范围越窄越好；

(3) 背景正常标准：光能量的递减趋势最大应小于80，光强度为80%左右；

(4) 仪器清洁标准：保证整个分散进样与样品池通道表面无颗粒、无悬浊液黏着，样品池密封性良好、无渗漏现象。测量小颗粒或微弱散射材料时，干净的背景对测量结果的正确性十分重要。

(5) 样品分散情况要求良好，因此要选用合适的分散剂、充足的超声时间与搅拌处理。

(6) 采用稳定的遮光度能够保证良好的结果重现性。

4 应用

4.1 地质学研究

沉积物粒度分布特征分析是探究沉积物特征、古环境与古气候的第一步。在地质学研究中，对沉积环境的判别分析对于含水层结构研究、水文地质识别和地下水流系统划分有重要意义。进行钻孔取样后对土壤样品进行粒度分析，可对颗粒的历史沉积环境进行判别与分析。

图6 钻孔柱状图与粒度众数曲线[7]

利用激光粒度分析法对第四纪沉积环境进行粒度分析，可获得沉积物粒度频率曲线、概率累计曲线和粒度众数曲线等[7]。结合地质与岩性等背景资料，通过对曲线变化情况分析可获得研究区域第四纪沉积环境的解析。

4.2 药剂学研究

药剂的粒度控制在药剂学研究中具有重要意义。以用于银屑病和角化异常性皮肤病治疗的阿维A（Acitretin）为例[8]。阿维A属于第二代维A酸类衍生物，是一种难溶性药物，其粒度大小会直接影响药物的溶出速度，因此需要对其粒度进行严格质量控制。

采用Mastersizer 2000型激光粒度分析仪，采用水为分散介质，以湿法测量中间产品的粒度，考察了阿维A原药粒度分布与粒径统计的测量结果，并对其测量参数进行了测量时间、平衡时间、悬浊液放置时间和线性遮光比等方法学研究。

图7 阿维A原料药的粒度分布图[8]

表1 测量时间考察试验结果[8]

5 不同粒度测试方法的总结与比较

激光粒度分析法具有以下优势：

(1) 对测量样品物态不设限制，固态、液态、气态颗粒均可测量；

(2) 测量范围涵盖亚纳米到微米级；

(3) 动态性能好、测量速度快；

(4) 测量结果准确性高、重复性好。

除激光散射分析法之外，还有许多其他的粒径表征方法，下表归纳了大量分析法，并就不同的表征方法作出比较。

表2 粒度测量方法与比较

如上表中所示，各种粒度测量方法依据原理主要分为三类：基于激光散射原理的激光粒度分析、基于光学显微镜成像技术的图像分析法和筛析法。

与图像法分析相比：激光测试法实质是对质子质量百分比进行测量，图像法则是对质子的面积进行测量。因此图像法无法实现对轻质元素的有效测试，激光测试法对重元素的测试结果误差则会偏大。图像法的标准值偏差一般小于激光测试法，但重复性和测量速度均比不上激光测试法。

与筛析法相比：激光测试法的测试设备与流程更加复杂，但取用测试样本量更少、测量适用范围更广。筛析法则具有测试简单、应用历史久远、具有较为理想的测量精度等优点。

6 总结与展望

激光粒度仪具有精度高、分析速度快、结果重现性好等优点，在对粒径分布范围窄的颗粒测试表现尤为突出的优势，在环境、考古、药学、食品、材料科学等领域均有广泛应用。

围绕激光粒度仪的研究主要集中在光学结构设计与分形理论研究。在经典傅里叶变换结构的基础上，为提高信号收集效率、改善仪器分辨率，一些先进的粒度分析仪采用了设计更加精密的光学结构如双镜头结构、PIDS结构等与一些关键技术如双向偏振光补偿技术联用，分辨率与结果重现性得到进一步提高。分形理论研究则针对不规则颗粒粒度分布，建立起分形维数与颗粒形貌特征之间的联系。但目前对分形维数具体的求解公式和物理本质研究较少，一些关键的技术如光学对中技术还缺乏进一步的研究。

未来的激光散射粒度技术还有很大的发展空间，理论探究与应用拓展相辅相成、互相促进，相信在未来，激光粒度仪会在更多的应用领域开辟出更广阔的天地。

参考文献:

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Particle_size_analysis

[2] 隋修武, 李瑶, 胡秀兵,等. 激光粒度分析仪的关键技术及研究进展[J]. 电子测量与仪器学报, 2016(30):1459.

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Rayleigh_scattering

[4] 杨晔, 张镇西, 蒋大宗. 关于大颗粒Mie散射与Fraunhofer衍射问题的分析比较[J]. 激光技术, 1998, 22(1):18-21.

[5] Rosso M . Tempra ad induzione degli acciai sinterizzati[J]. Eurasip Journal on Wireless Communications & Networking, 2003, 2012(1):1-12.

[6] 张堂伟. 微流控电感油液检测芯片的优化研究[D]. 大连海事大学, 2014.

[7] 张钰东, 石建省, 周爱国. 激光粒度分析法在深州市第四纪沉积环境分析中的应用[J]. 中国科学院研究生院学报, 2014, 031(004):517-523.

[8] 吴芸, 孙小路. 激光散射法测定阿维A原料药粒度[J]. 中国药房, 2013, 024(017):1606-1608.

[9] 梁国标, 李新衡, 王燕民. 激光粒度测量的应用与前景[J]. 材料导报, 2006(04):90-93.

[10] 杨道媛, 马成良, 孙宏魏,等. 马尔文激光粒度分析仪粒度检测方法及其优化研究[J]. 中国粉体技术, 2002(05):30-33.