一種多光束單鏡頭激光粒度儀
1、引言
? ?激光粒度儀是一種利用顆粒使激光發(fā)生散射的原理來(lái)測(cè)量粉體粒度的一種儀器，它已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外粒度測(cè)試的主要手段。目前，激光粒度測(cè)試技術(shù)發(fā)展迅速，新技術(shù)不 斷涌現(xiàn)，新產(chǎn)品層出不窮，所追求的目標(biāo)是高精度、高品質(zhì)、寬量程、智能化。丹東百特儀器有限公司開(kāi)發(fā)的三光束單鏡頭激光粒度儀，采用不同波長(zhǎng)激光束、獨(dú)特 的傅立葉鏡頭、獨(dú)特的光學(xué)結(jié)構(gòu)和光電探測(cè)器，使前向、側(cè)向和后向的散射光都通過(guò)一個(gè)鏡頭匯聚到光電探測(cè)器上，簡(jiǎn)化了光學(xué)系統(tǒng)，降低了成本，擴(kuò)大了量程。這 種新型激光粒度儀的研制成功，標(biāo)志著丹東百特多光束激光粒度測(cè)試技術(shù)進(jìn)入了實(shí)用化的階段。
2、歷史回顧
? ?激光粒度儀經(jīng)過(guò)近50年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多規(guī)格和型號(hào)的產(chǎn)品。如果按光束和鏡頭數(shù)量來(lái)分類，大體可分為四種類型：一是“單光束單鏡頭”激光粒度儀，這 種類型的激光粒度儀有很多品牌和型號(hào)，產(chǎn)銷量最多，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，現(xiàn)有的國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口的經(jīng)濟(jì)型激光粒度儀大多屬于這種類型。二是“單光束多鏡頭”激光粒度 儀，這種產(chǎn)品是在“單光束單鏡頭”基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，目的是為了接收大角度散射光，擴(kuò)大量程。三是“多光束多鏡頭”激光粒度儀，這是國(guó)外高性能激光粒度儀 的標(biāo)志性技術(shù)，通過(guò)多束激光和多個(gè)鏡頭位置變化，更有效地接收大角度的散射光，從而達(dá)到擴(kuò)大量程的目的。四是丹東百特研制的 “多光束單鏡頭”激光粒度儀，這種儀器通過(guò)巧妙的光路設(shè)計(jì)，使多個(gè)激光器產(chǎn)生的散射光都通過(guò)一個(gè)鏡頭來(lái)接收，保證了不同激光器的散射光接收的一致性，簡(jiǎn)化 了結(jié)構(gòu)，降低了成本，同時(shí)擴(kuò)大了量程，提高了測(cè)試精度。
| 光束 | 鏡頭 | 特點(diǎn) |
| 單光束 | 單鏡頭 | 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低，品種很多，應(yīng)用廣泛，量程較小，是目前國(guó)內(nèi)外經(jīng)濟(jì)型激光粒度儀普遍采用的技術(shù)。 |
| 單光束 | 多鏡頭 | 結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，量程擴(kuò)大，價(jià)格較低，品種較多，是在“單光束單鏡頭”的基礎(chǔ)上的改進(jìn)型。測(cè)試下限拓展有限。 |
| 多光束 | 多鏡頭 | 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，量程寬，成本相對(duì)較高，是國(guó)外高性能激光粒度儀普遍采用的技術(shù)。 |
| 多光束 | 單鏡頭 | 結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，量程寬，成本相對(duì)較高，由于采用單鏡頭結(jié)構(gòu)，克服了鏡頭之間的差異帶來(lái)的結(jié)果誤差。? |
?3、多光束單鏡頭光路系統(tǒng)的基本組成與量程
? ?本文多光束系統(tǒng)主要指三光束。采用前向、前側(cè)向和后側(cè)向排列方式，其中后向激光器采用了波長(zhǎng)更短的藍(lán)光激光器。通過(guò)對(duì)激光器位置的有效排列，配合廣角鏡頭和大尺寸光電探測(cè)器，使散射光的有效探測(cè)角度范圍為0.08-156°，極限量程可達(dá)0.01—2000微米，光路系統(tǒng)基本組成如圖1所示。??
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖1、三光束單鏡頭光路系統(tǒng)示意圖
? ?那么，這樣的系統(tǒng)的量程究竟能不能達(dá)到0.01—2000微米呢？
? ?首先，采用短波長(zhǎng)的激光器有利于拓展測(cè)試下限。測(cè)試下限能不能達(dá)到0.01微米，關(guān)鍵要設(shè)法使0.01微米附近的散射光能分布有明顯的區(qū)分。通過(guò)對(duì)米氏散射理論研究，可以得到在短波長(zhǎng)激光照射下，一些亞微米甚至納米級(jí)顆粒的后向散射光能分布圖譜，如圖2。也可以得到在普通激光照射下同樣粒徑顆粒后向散射光能分布圖譜，如圖3。從兩種光束對(duì)相同顆粒照射產(chǎn)生的后向散射圖譜可以看出，短波長(zhǎng)激光能使0.01微米附近的散射圖譜有明顯區(qū)別，普通波長(zhǎng)的激光則不能使0.01微米附近的散射圖譜有明顯區(qū)別?？梢?jiàn)，采用波長(zhǎng)短的藍(lán)色激光可提高量程下限的分辨率，對(duì)拓展量程下限極為有利，如果在實(shí)踐中各個(gè)環(huán)節(jié)處理好，量程下限極限就可能夠達(dá)到0.01微米。
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| 圖2? 短波長(zhǎng)激光大角度散射光分布 | 圖3? 普通激光大角度散射光分布 |
? ? 其次，高性能的鏡頭是實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展量程的關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)上述分析，我們知道在理論上短波長(zhǎng)激光能使0.01微米附近的散射圖譜有明顯區(qū)別，但與微米粒徑區(qū)段的散射 信號(hào)相比，這個(gè)區(qū)域的散射信號(hào)的區(qū)別的幅度仍然較小。分辨這種較小差別信號(hào)的一個(gè)重要條件是要有一個(gè)高性能的廣角小相差鏡頭。要求該鏡頭應(yīng)具備良好的平場(chǎng) 特性，有較小的場(chǎng)曲特性，有較小的球差特性和廣角特性等等，為達(dá)到這些光學(xué)要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)由四個(gè)透鏡組成的鏡頭，如圖4，其中透鏡2和透鏡3膠合在 一起，組成一個(gè)負(fù)焦距透鏡，與透鏡1和透鏡3兩個(gè)正焦距透鏡組合正焦距透鏡組合形成一個(gè)高性能的鏡頭，這樣的設(shè)計(jì)保證大視場(chǎng)角散射光的不失真地匯聚到光電 探測(cè)器上，使系統(tǒng)的測(cè)試下限達(dá)到0.01微米。同時(shí)，該鏡頭還要保證中心視場(chǎng)角散射光(軸上) 的成像的質(zhì)量達(dá)到衍射極限，從而保證測(cè)試上限達(dá)到2000微米。
? ? 第三，獨(dú)特的光路結(jié)構(gòu)有利于匯聚各個(gè)角度的散射光。本系統(tǒng)所采用的三光束光路架構(gòu)如圖5所示。
? ?前向紅激光光束是沿著水平方向照射，穿過(guò)樣品池和匯聚鏡頭后入射到光電探測(cè)器中心孔中，所產(chǎn)生的散射光角度0.08-47°；側(cè)向綠激光光束沿著與水平光束 成35°角方向照射，所產(chǎn)生的散射光角度為35-83°；后向藍(lán)激光光束放置在鏡頭后面，發(fā)出的是一束發(fā)散光束，經(jīng)過(guò)鏡頭后變成平行光，所產(chǎn)生的散射光的 角度為109-156°。上述三個(gè)光束所產(chǎn)生的散射光經(jīng)過(guò)同一個(gè)鏡頭匯聚到同一個(gè)探測(cè)器上，使數(shù)據(jù)處理具有連續(xù)性和一致性。
? ?第四，光電探測(cè)器的性 能是擴(kuò)大量程的重要前提。本系統(tǒng)所采用的光電探測(cè)器陣列是由交叉排列的扇形和矩形光電探測(cè)器組合排列而成，具有靈敏度高、尺寸大和中心孔小等特點(diǎn)，同時(shí)具 備接收大角度的和小角度的散射光。其中最小探測(cè)角度為0.08°，最大探測(cè)角度達(dá)到了156°，能夠同時(shí)滿足量程上限下限的要求。加探測(cè)器的結(jié)構(gòu)如圖6所 示。
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| 圖4、組合鏡頭結(jié)構(gòu)示意圖 | 圖5、光路架構(gòu)示意圖 | 圖6、光電探測(cè)器基本結(jié)構(gòu)示意圖 |
? ?第五，高精度的、穩(wěn)定的反演算法是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的保證。激光粒度測(cè)試的直接物理量是散射光能分布，如果不能真實(shí)有效地將接收的散射光能分布反演為粒度分布，其它的種種努力將毫無(wú)意義。因此反演算法的優(yōu)劣對(duì)拓寬量程起著至關(guān)重要的作用。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期深入研究和反復(fù)實(shí)踐，在本系統(tǒng)中采用的反演算法具有精度高、速度快、穩(wěn)定性好的效果。圖7的上半部分是六個(gè)隨機(jī)樣品的理論粒度分布，下半部分是通過(guò)理論粒度得到散射光能分布后再進(jìn)行反演計(jì)算得到的粒度分布，可以看出兩組對(duì)應(yīng)的粒度分布十分接近。?
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖7、反演算法精度對(duì)比
? ?第六，實(shí)際測(cè)試結(jié)果效果良好。通過(guò)采用短波長(zhǎng)激光、組合鏡頭、特殊光路結(jié)構(gòu)、大尺寸光電探測(cè)器以及獨(dú)特的反演算法等措施后，系統(tǒng)能不能對(duì)量程所覆蓋的所有粒度范圍的的樣品都進(jìn)行有效測(cè)量，特別是能否對(duì)粒度分布在量程的上限和下限附近的樣品進(jìn)行有效測(cè)量，是本系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵，這就對(duì)制造環(huán)節(jié)提出了更高的要求。比如在光電探測(cè)器設(shè)計(jì)、選材、制作方面；在鏡頭的設(shè)計(jì)、參數(shù)確定和安裝方面；在激光器選擇及其位置排列方面；在樣品池的材料與制作工藝方面都需要做大量的工作，使設(shè)計(jì)方案得以實(shí)現(xiàn)。圖8是對(duì)粗、中、細(xì)三種不同粒度的樣品進(jìn)行粒度測(cè)試的結(jié)果。從這三個(gè)測(cè)試結(jié)果可以看出，本系統(tǒng)無(wú)論對(duì)最小粒徑接近量程下限的樣品，還是對(duì)最大粒徑接近量程上限的樣品，都具有較好的效果。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖8、幾種樣品的實(shí)際測(cè)試結(jié)果
? ? 4、硬件系統(tǒng)組成
? ?除了上述討論過(guò)的光路系統(tǒng)以外，本系統(tǒng)還包括光電探測(cè)器及自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)、信號(hào)傳輸與控制系統(tǒng)、自動(dòng)循環(huán)分散系統(tǒng)以及軟件（電腦）系統(tǒng)等四部分。
? (1)自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)：自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)和步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)兩部分組成。自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)除了作為光電探測(cè)器陣列的基座之外，主要的作用是保證探測(cè)器的中心始終與主光軸上鏡頭的焦點(diǎn)重合。一旦探測(cè)器中心與鏡頭的焦點(diǎn)發(fā)生偏離現(xiàn)象，
圖10自動(dòng)對(duì)焦示意圖 自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)將在電腦控制下，通過(guò)橫向和縱向的步進(jìn)電機(jī)及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)時(shí)地、自動(dòng)地進(jìn)行調(diào)整，使探測(cè)器的中心回到焦點(diǎn)上，保證了測(cè)量精度。
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| 圖9、系統(tǒng)其他組成部分示意圖 | 圖10、自動(dòng)對(duì)焦示意圖 |
? ?(2)信號(hào)轉(zhuǎn)換、傳輸與控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括微控制系統(tǒng)（MCU）、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、多路信號(hào)分配系統(tǒng)、信號(hào)放大器等部分組成，如圖9。其中微控制系統(tǒng)是控制核心，由三個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)組成，它通過(guò)USB與電腦相連，受電腦直接指揮和控制。在運(yùn)行粒度測(cè)試軟件前由它直接控制各部分的初始狀態(tài)，在粒度測(cè)試過(guò)程中它隨時(shí)接收電腦的指令和各部分的反饋信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后再向其它相關(guān)部分發(fā)出控制指令。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是MCU的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，MCU發(fā)出的指令通過(guò)它進(jìn)行功率放大和轉(zhuǎn)換后直接驅(qū)動(dòng)自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)和循環(huán)分散系統(tǒng)，進(jìn)行光路對(duì)焦、啟動(dòng)/停止循環(huán)、啟動(dòng)/停止超聲分散以及啟動(dòng)進(jìn)水/排水/清洗等操作。多路信號(hào)分配系統(tǒng)和信號(hào)放大器的主要作用是信號(hào)的轉(zhuǎn)換與傳輸，包括信號(hào)放大、16位模/數(shù)轉(zhuǎn)換，98路信號(hào)分配等。
? ?(3)循環(huán)分散系統(tǒng)。包括流量可調(diào)的離心循環(huán)泵、無(wú)限定條件啟動(dòng)的超聲波分散器、防泄漏的排水系統(tǒng)、吸水式進(jìn)水系統(tǒng)、水位探測(cè)器、攪拌器等。該系統(tǒng)的所有操作都通過(guò)電腦、MCU、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。它的操作流程包括進(jìn)水—消泡—循環(huán)—背景—濃度—分散—測(cè)試—排放—清洗—進(jìn)水等。這些操作可以通過(guò)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)操作流程（SOP）方式程序化，也可以通過(guò)屏幕上的快捷按鈕單獨(dú)進(jìn)行操作。?
5、軟件系統(tǒng)
軟件系統(tǒng)是多光束單鏡頭激光粒度儀系統(tǒng)的重要組成部分。這里僅從應(yīng)用角度列出幾點(diǎn)內(nèi)容。
? (1)準(zhǔn)確性標(biāo)定。粒度測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)不準(zhǔn)，怎樣來(lái)界定準(zhǔn)確性，是激光粒度儀器研究、生產(chǎn)和應(yīng)用都關(guān)心的問(wèn)題。除了前面已經(jīng)描述過(guò)的理論驗(yàn)證以外，本系統(tǒng)還通過(guò)用實(shí)際樣品兩級(jí)標(biāo)定的方式來(lái)保證系統(tǒng)準(zhǔn)確性。一是用通過(guò)認(rèn)證的幾種標(biāo)準(zhǔn)樣品分段來(lái)進(jìn)行檢定；二是用工作標(biāo)樣進(jìn)行驗(yàn)證。圖11就是一種工作標(biāo)樣進(jìn)行驗(yàn)證的界面。圖11中的中間虛線是這個(gè)工作標(biāo)樣的“標(biāo)稱”粒度曲線，兩邊的虛線是允許的粒度界限，紅線是實(shí)際測(cè)試的粒度曲線。用戶可以用經(jīng)過(guò)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行準(zhǔn)確性檢定，也可以用隨儀器贈(zèng)送的工作標(biāo)樣定期和不定期進(jìn)行準(zhǔn)確性驗(yàn)證。
? (2)多文字界面技術(shù)。為了方便國(guó)內(nèi)外不同地域和語(yǔ)言背景用戶的使用，語(yǔ)言選擇界面
本軟件系統(tǒng)設(shè)置了中文、中文繁體、英文三種文字。用戶可以在這三種文字中種任選一種。不僅如此，在界面設(shè)計(jì)上還使用了“文件關(guān)聯(lián)技術(shù)”，將界面所有的文字以關(guān)聯(lián)文件的形式保存在文本文件中。只要將這個(gè)關(guān)聯(lián)文件（該文件是中文或英文）翻譯成任何一種其它文字，重新啟動(dòng)后軟件界面就變成相應(yīng)文字的界面了。所以，無(wú)論這種儀器的用戶是使用什么語(yǔ)言背景，都可以用自己熟悉的母語(yǔ)文字進(jìn)行粒度測(cè)試工作。
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| 圖11、粒度測(cè)試準(zhǔn)確性驗(yàn)證 | 圖12、語(yǔ)言選擇界面 |
? ?(3)自動(dòng)測(cè)試技術(shù)。本系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)操作流程，粒度測(cè)試過(guò)程的所有環(huán)節(jié)全部自動(dòng)進(jìn)行操作。自動(dòng)測(cè)試的流程是：?jiǎn)?dòng)“自動(dòng)測(cè)試”按鈕—進(jìn)水—消泡—攪拌—循環(huán)—濃度調(diào)整—分散—測(cè)試—保存—打印—清洗—進(jìn)水。自動(dòng)測(cè)試不僅僅是簡(jiǎn)化操作，更重要的是保證每次的測(cè)試條件完全一致，最大限度地消除了因操作因素帶來(lái)的誤差，保證了粒度測(cè)試的重復(fù)性和準(zhǔn)確性。
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| 圖13、自動(dòng)測(cè)試與SOP設(shè)置? | |||
? ?(4)報(bào)告單格式的轉(zhuǎn)換：為了便于在通常條件下對(duì)報(bào)告單進(jìn)行打印、顯示、發(fā)送電子郵件的需要，本系統(tǒng)設(shè)置了三種報(bào)告單轉(zhuǎn)換形式。其中“導(dǎo)入Excel”是將報(bào)告單轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的Excel格式文件，可以在Excel環(huán)境下打印、編輯。“整體導(dǎo)出”是先將報(bào)告單轉(zhuǎn)換成位圖格式，然后存入電腦的剪切板中，它可以被粘貼到Word、Excel、畫圖、寫字板等多種環(huán)境，方便地進(jìn)行打印、顯示、發(fā)送電子郵件等。“分項(xiàng)導(dǎo)出”是將所關(guān)心的單項(xiàng)結(jié)果（如D10、D50、D90）導(dǎo)入Excel環(huán)境中，以便于進(jìn)行比較、處理、編輯等。?
? ? 6、結(jié)束語(yǔ)
? ?通過(guò)長(zhǎng)期的理論研究和設(shè)計(jì)制造實(shí)踐，采用新的創(chuàng)新技術(shù)的多光束單鏡頭激光粒度儀研制成功。實(shí)現(xiàn)了拓寬量程、提高精度、簡(jiǎn)化操作、打造精品的設(shè)計(jì)要求。該項(xiàng)技術(shù)的研制成功和產(chǎn)品的投放市場(chǎng)，是中國(guó)激光粒度測(cè)試技術(shù)自主創(chuàng)新的又一成果，標(biāo)志著高性能激光粒度儀國(guó)產(chǎn)化的時(shí)期已經(jīng)到來(lái)。
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焦點(diǎn)事件
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會(huì)議會(huì)展
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焦點(diǎn)事件
