激光粉尘检测仪

1. 前言

近年来，随着高新技术产业的迅猛发展和科研领域的不断拓宽，在工业生产及科学研究中出现了越来越多与颗粒直径及其分布有关的技术问题。为了改善产品性能、提高产品质量、控制生产工艺、降低能耗等，无论化工、医药、机械、电子、冶金还是建材、轻工、环保等诸多行业都遇到了颗粒直径及其分布测量的有关问题，GSL-101BI 激光颗粒分布测量仪正是为了解决各行业对粒度测试的需求而开发研制的一种新型粒度测量仪器，经过我所数年的研究，解决了诸如Mie散射，大尺寸光电探测阵列等一系列的技术难点，使仪器的性能指标有了大幅度的提高，达到国际90年代同类仪器的设计水平。

1.1 特点

● 重复性好

本仪器的原理是Furanhofer衍射及Mie散射理论,由上述原理决定了本仪器在测试过程不受环境温度变化、介质黏度、试样密度等诸多因素的影响,只要将待测试样均匀地展现于激光束中，即可获得准确的测量结果。而且区别于沉降法,由于不需要沉降过程，因此在一次测试中可以多次采样(5～20次任意设定)，有效滤除了由于电噪声，试样分布不均等因素造成的影响，使仪器的测试重复性更好。

● 测量范围宽

由于采用了大尺寸主光电探测阵列（70个通道）、侧向辅助光电探测阵列（12个通道）及其它相应技术，使单透镜测量范围达0.15～400微米，并且由于本仪器使用过程中无须更换镜头和调整光学系统，提高了仪器的工作稳定性，简化了操作过程。

● 采用半导体激光器

半导体激光器具有光参数稳定、效率高、寿命长、不怕振动等一系列优点，克服了传统He-Ne气体激光器由于自然漏气，需定期更换的缺点。

● 自动化程度高操作简单

本仪器采用微机进行实时控制，自动完成数据采集、分析处理、结果保存和打印等功能,操作简单,自动化程度高。

● 测试速度快

由于无须沉降过程，使测量时间大幅度缩小，在通常情况下，1分钟内即可完成一次样品测量。

注:不包括样品制备时间。

● 测试程序

本仪器测试程序采用MSVC/C++6.0编制,在中文Windows95/98、Windows-XP操作系统下运行，操作直观简便,通俗易懂。报告输出内容丰富,并且可以输出英文测量报告,对于彩色打印机还可以输出彩色测量报告。

1.2 仪器规格

1.2.1 常规要求

● 电压：220±10V  频率：50±0.5Hz 

● 稳压电源输出功率＞1500W

● 连续工作时间：＜12小时

1.2.2 激光器

● 类型：半导体激光器

● 波长：650nm

● 出口功率：＞1.3mW

● 连续工作时间：＜12小时

1.2.3 光电探测阵列

● 主光电探测阵列：扇型70通道

● 侧向光电探测阵列：矩型12通道

1.2.4 测量范围

● 测量范围：0.15～400微米

1.2.5 计算机及打印机

● CPU：Intel奔腾Ⅳ、赛扬系列

● 内存：大于128Mb

● 接口：RS232串行口

● 光盘驱动器：CD-ROM或DVD-ROM

● 操作系统：Windows95/98、Windows-XP中文操作系统

● 打印机：可在Windows95/98、Windows-XP中文操作系统下运行的任何类型、品牌的打印机

重要提示：仪器标准配置中不含计算机和打印机，需用户自行购买，本节内容为用户购买计算机提供参考指标。

1.2.6 数学模型

● Fraunhofer衍射

● Lorentz-Mie散射

● Fraunhofer衍射和Lorentz-Mie散射

1.2.7 进样方式

● 微量进样方式

● 循环进样方式

重要提示：仪器标准配备微量进样装置，循环进样装置需要另行向本所购买。说明书中有许多关于循环进样装置的介绍，如果您及贵单位没有购买循环进样装置，关于循环进样装置部分的介绍可以不必阅读。

1.2.8 性能

● 重复性：＜4%

● 准确度：＜8%

注：重复性、准确度指标的计算方法按附录A。

1.3 颗粒粒径的表示方法及简单原理

    1.3.1 

对于自然界中粉体物料，通常都是包含各种不同粒径的颗粒的集合，即颗粒群。如果在粉体中随机选取某一个颗粒，其粒径在某一范围内随机取值，但对于整个颗粒群，某一粒径或某一粒径范围内的颗粒在整个粉体中所占的比例是固定的，因此可以用统计学的方法来表示颗粒群的粒度分布，相应的指标称为频率分布和累积频率分布，粒度分布指标可以取个数、长度、面积、或体积（重量）等4个参数之一作为基准。

注意：

a）：所谓个数为基准，是指某一粒径或某一粒径范围内颗粒的个数在颗粒总个数中所占的比例，同理可以定义长度、面积和体积（重量）基准。

b）：粒度分布的基准取决于粒度分布的测定原理，如显微镜法的测量结果以个数分布为基准；激光散射法以体积（重量）为基准等，因此，即使对于同一种粉体，由于采用的粒度测量原理的不同，测量结果的含义自然也不同，所以测量出的数据必然也可能有所差别。

1.3.2 频率分布

被测样品中某一粒径或某一粒径范围内的颗粒个数 n （以个数为基准），与该样品的颗粒总数 N 之比称为该粒径或该粒径范围的频率分布 f 。

1.3.3 累积分布

频率分布是表示某一粒径或某一粒径范围内的颗粒在全部颗粒中占的百分比，而累积分布则表示小于（或大于）某一粒径的颗粒在全部颗粒中所占的比例。

注：累计分布分为正累积（用+号表示）和负累积（用-号表示），正累积表示大于某一粒径的颗粒数量或者百分数；负累积表示小于某一粒径的颗粒数量或百分数。

1.3.4 平均粒径

除了采用粒度分布的方法表示粉体的粒度特征外，还可以采用一些具有某种含义的粒径值来描述这个粉体样品，这就是平均粒径。

1.3.4.1 中位径

在累积分布曲线上累积频率为50%处所对应的粒径，也就是将样品两等分处所在的粒径值。

注：a）在使用 时应指明使用的基准，不同原理和测量方法给出累积分布的基准是不同的，因此对于同一种样品，不同原理和测试方法得到的 不具可比性。         

注：b）同理可以得知、、、 、  、等数据的含义。

1.3.4.2 加权平均径

加权平均径是根据颗粒群的某种几何特征推导出来，并具有一定物理意义的推算粒径，故又称为物理平均径，常用的有面积平均径和质量平均径。

设颗粒群中某一微分区间的颗粒粒径为，其数量为： 

    

    ： 面积平均径，即索太尔径，其推导公式为：

其物理含义是：颗粒群的总体积除以颗粒群的总面积，理解为：用一个假想的尺寸均一的颗粒群，来代替原有的颗粒群，每个颗粒的直径都为，则假想的颗粒群的总体积和总面积与原有的颗粒群保持一致。

       

： 质量平均径，也有文章称为 质量平均径、体积重量平均径，其推导公式为：。

      

1.3.5 简单原理

GSL-101BI 激光颗粒分布测量仪是以物理学上富朗和菲衍射（Fraunhofer diffraction）和米氏散射( Mie scattering )为理论基础。此理论可以简单理解为：沿直线传播的平行激光束，在传播过程中遇到颗粒的遮挡后，发生了衍射和散射现象，并且大颗粒光散射角小，小颗粒光散射角大。见图1-1为单个颗粒形成的衍射图案，颗粒直径越大，中心亮环越小，颗粒直径越小，中心亮环越大。如果能在不同角度上接收光能，对于相应的角度，其光能是对应直径的颗粒集合发生衍射（散射）造成的，相应其它角度上光能的强弱也就反应了对应直径颗粒在整个颗粒集合中占有的比例，根据在不同角度上接收的散射光强弱，就可以反演出样品的颗粒分布及各粒级间相对含量。

图1-1

下图为我所研制的GSL-101BI 型激光颗粒分布测量仪光路系统：

图 1-2

1.4 使用注意事项

本仪器属精密测量仪器，如果未经厂家允许，擅自打开机壳，调整仪器的任何部件，厂家将不再负责保修　！

● 仪器出厂前光学系统已经调整完毕，在使用过程中，严禁调整光学系统;在搬运中，严禁震动。

● 保持镜头表面清洁，不得随意擦拭。如确有擦拭必要，擦拭前先用专用的镜头毛刷轻轻将镜头上的灰尘刷掉，以免擦拭过程中灰尘划伤镜头，然后使用专用的优质镜头纸或脱脂棉沾少量酒精沿着一个方向轻轻擦拭，不能往返进行。正确的方法是经常用洗耳球吹镜片,将镜片上灰尘吹掉，但需注意洗耳球内不得有水,并不得接触镜片。

● 开机前应先检查仪器各部分之间、及与计算机之间各种信号线、电源线等连接是否正确，仪器是否可靠接地，确保无误后，可按照顺序开机。

● 开机后,严禁移动计算机及测量仪,带电插、拔信号电缆,否则有可能损坏测量仪。

● 电压：220±10V  频率：50±0.5Hz，必须使用高精度稳压电源给本仪器供电。如果电压或频率波动超过指定范围可能导致测量结果重复性、准确度指标急剧变差，甚至可能无法得出测量结果。

● 仪器使用温度22～28℃ ，相对湿度60%～70%，使用环境应干燥、无尘。推荐在有空调的房间使用本仪器。如果使用温度过高或过低可能导致半导体激光器发光强度不稳定，引起测量结果重复性偏差过大；如果湿度过大可能导致镜头结雾，无法给出准确测量结果，连续湿度过大，可以导致镜头、光电探测阵列等器件发霉，导致仪器损坏。（注:在潮湿的雨季,实验室内应24小时连续开空调, 否则镜头有可能结露，严重影响测试结果的准确度;长时间,还有可能使镜头发霉。镜头结露的现象是测试过程中计算机屏幕上显示的样品浓度突然增加，这时可以将样品倒掉，在样品池中放入清水进行测试，如果系统仍显示浓度过高，则可判定镜头表面已经结露，此时可用小于500W的电热吹风机在距镜头50公分处对镜头进行干燥，一般15秒至30秒的时间即可，在干燥过程中，吹风机要不停移动，对镜头进行均匀的加热，以防止损坏镜头。）

● 仪器安放房间必须密闭、防尘，室内不得有腐蚀性气体，进入实验室要换拖鞋，穿工作服。样品制备和测试应在不同的房间内分别进行，防止粉末样品对仪器造成污染。