1. 前言

近年來，隨著優(yōu)技術(shù)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展和科研領(lǐng)域的不斷拓寬，在工業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)研究中出現(xiàn)了越來越多與顆粒直徑及其分布有關(guān)的技術(shù)問題。為了改善產(chǎn)品性能、提高產(chǎn)品質(zhì)量、控制生產(chǎn)工藝、降低能耗等，無論化工、醫(yī)藥、機(jī)械、電子、冶金還是建材、輕工、環(huán)保等諸多行業(yè)都遇到了顆粒直徑及其分布測量的有關(guān)問題，GSL-101BI 激光顆粒分布測量儀正是為了解決各行業(yè)對粒度測試的需求而開發(fā)研制的一種新型粒度測量儀器，經(jīng)過我所數(shù)年的研究，解決了諸如Mie散射，大尺寸光電探測陣列等一系列的技術(shù)難點(diǎn)，使儀器的性能指標(biāo)有了大幅度的提高，達(dá)到90年代同類儀器的設(shè)計(jì)水平。

1.1 特點(diǎn)

• 重復(fù)性好

本儀器的原理是Furanhofer衍射及Mie散射理論,由上述原理決定了本儀器在測試過程不受環(huán)境溫度變化、介質(zhì)黏度、試樣密度等諸多因素的影響,只要將待測試樣均勻地展現(xiàn)于激光束中，即可獲得準(zhǔn)確的測量結(jié)果。而且區(qū)別于沉降法,由于不需要沉降過程，因此在一次測試中可以多次采樣(5～20次任意設(shè)定)，有效濾除了由于電噪聲，試樣分布不均等因素造成的影響，使儀器的測試重復(fù)性更好。

• 測量范圍寬

由于采用了大尺寸主光電探測陣列（70個(gè)通道）、側(cè)向輔助光電探測陣列（12個(gè)通道）及其它相應(yīng)技術(shù)，使單透鏡測量范圍達(dá)0.15～400微米，并且由于本儀器使用過程中無須更換鏡頭和調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)，提高了儀器的工作穩(wěn)定性，簡化了操作過程。

• 采用半導(dǎo)體激光器

半導(dǎo)體激光器具有光參數(shù)穩(wěn)定、效率高、壽命長、不怕振動(dòng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)He-Ne氣體激光器由于自然漏氣，需定期更換的缺點(diǎn)。

• 自動(dòng)化程度高操作簡單

本儀器采用微機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，自動(dòng)完成數(shù)據(jù)采集、分析處理、結(jié)果保存和打印等功能,操作簡單,自動(dòng)化程度高。

• 測試速度快

由于無須沉降過程，使測量時(shí)間大幅度縮小，在通常情況下，1分鐘內(nèi)即可完成一次樣品測量。

注:不包括樣品制備時(shí)間。

• 測試程序

本儀器測試程序采用MSVC/C++6.0編制,在中文Windows95/98、Windows-XP操作系統(tǒng)下運(yùn)行，操作直觀簡便,通俗易懂。報(bào)告輸出內(nèi)容豐富,并且可以輸出英文測量報(bào)告,對于彩色打印機(jī)還可以輸出彩色測量報(bào)告。

1.2 儀器規(guī)格

1.2.1 常規(guī)要求

• 電壓：220±10V  頻率：50±0.5Hz 
• 穩(wěn)壓電源輸出功率＞1500W
• 連續(xù)工作時(shí)間：＜12小時(shí)

1.2.2 激光器

• 類型：半導(dǎo)體激光器
• 波長：650nm
• 出口功率：＞1.3mW
• 連續(xù)工作時(shí)間：＜12小時(shí)

1.2.3 光電探測陣列

• 主光電探測陣列：扇型70通道
• 側(cè)向光電探測陣列：矩型12通道

1.2.4 測量范圍

• 測量范圍：0.15～400微米

1.2.5 計(jì)算機(jī)及打印機(jī)

• CPU：In奔騰Ⅳ、賽揚(yáng)系列
• 內(nèi)存：大于128Mb
• 接口：RS232串行口
• 光盤驅(qū)動(dòng)器：CD-ROM或DVD-ROM
• 操作系統(tǒng)：Windows95/98、Windows-XP中文操作系統(tǒng)
• 打印機(jī)：可在Windows95/98、Windows-XP中文操作系統(tǒng)下運(yùn)行的任何類型、品牌的打印機(jī)

重要提示：儀器標(biāo)準(zhǔn)配置中不含計(jì)算機(jī)和打印機(jī)，需用戶自行購買，本節(jié)內(nèi)容為用戶購買計(jì)算機(jī)提供參考指標(biāo)。

1.2.6 數(shù)學(xué)模型

• Fraunhofer衍射
• Lorentz-Mie散射
• Fraunhofer衍射和Lorentz-Mie散射

1.2.7 進(jìn)樣方式

• 微量進(jìn)樣方式
• 循環(huán)進(jìn)樣方式

重要提示：儀器標(biāo)準(zhǔn)配備微量進(jìn)樣裝置，循環(huán)進(jìn)樣裝置需要另行向本所購買。說明書中有許多關(guān)于循環(huán)進(jìn)樣裝置的介紹，如果您及貴單位沒有購買循環(huán)進(jìn)樣裝置，關(guān)于循環(huán)進(jìn)樣裝置部分的介紹可以不必閱讀。

1.2.8 性能

• 重復(fù)性：＜4%
• 準(zhǔn)確度：＜8%

注：重復(fù)性、準(zhǔn)確度指標(biāo)的計(jì)算方法按附錄A。

1.3 顆粒粒徑的表示方法及簡單原理

    1.3.1 

對于自然界中粉體物料，通常都是包含各種不同粒徑的顆粒的集合，即顆粒群。如果在粉體中隨機(jī)選取某一個(gè)顆粒，其粒徑在某一范圍內(nèi)隨機(jī)取值，但對于整個(gè)顆粒群，某一粒徑或某一粒徑范圍內(nèi)的顆粒在整個(gè)粉體中所占的比例是固定的，因此可以用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法來表示顆粒群的粒度分布，相應(yīng)的指標(biāo)稱為頻率分布和累積頻率分布，粒度分布指標(biāo)可以取個(gè)數(shù)、長度、面積、或體積（重量）等4個(gè)參數(shù)之一作為基準(zhǔn)。

注意：

a）：所謂個(gè)數(shù)為基準(zhǔn)，是指某一粒徑或某一粒徑范圍內(nèi)顆粒的個(gè)數(shù)在顆粒總個(gè)數(shù)中所占的比例，同理可以定義長度、面積和體積（重量）基準(zhǔn)。

b）：粒度分布的基準(zhǔn)取決于粒度分布的測定原理，如顯微鏡法的測量結(jié)果以個(gè)數(shù)分布為基準(zhǔn)；激光散射法以體積（重量）為基準(zhǔn)等，因此，即使對于同一種粉體，由于采用的粒度測量原理的不同，測量結(jié)果的含義自然也不同，所以測量出的數(shù)據(jù)必然也可能有所差別。

1.3.2 頻率分布

被測樣品中某一粒徑或某一粒徑范圍內(nèi)的顆粒個(gè)數(shù) n （以個(gè)數(shù)為基準(zhǔn)），與該樣品的顆?？倲?shù) N 之比稱為該粒徑或該粒徑范圍的頻率分布 f 。

1.3.3 累積分布

頻率分布是表示某一粒徑或某一粒徑范圍內(nèi)的顆粒在全部顆粒中占的百分比，而累積分布則表示小于（或大于）某一粒徑的顆粒在全部顆粒中所占的比例。

注：累計(jì)分布分為正累積（用+號(hào)表示）和負(fù)累積（用-號(hào)表示），正累積表示大于某一粒徑的顆粒數(shù)量或者百分?jǐn)?shù)；負(fù)累積表示小于某一粒徑的顆粒數(shù)量或百分?jǐn)?shù)。

1.3.4 平均粒徑

除了采用粒度分布的方法表示粉體的粒度特征外，還可以采用一些具有某種含義的粒徑值來描述這個(gè)粉體樣品，這就是平均粒徑。

1.3.4.1 中位徑

在累積分布曲線上累積頻率為50%處所對應(yīng)的粒徑，也就是將樣品兩等分處所在的粒徑值。

注：a）在使用 時(shí)應(yīng)指明使用的基準(zhǔn)，不同原理和測量方法給出累積分布的基準(zhǔn)是不同的，因此對于同一種樣品，不同原理和測試方法得到的 不具可比性。         

注：b）同理可以得知、、、 、  、等數(shù)據(jù)的含義。

1.3.4.2 加權(quán)平均徑

加權(quán)平均徑是根據(jù)顆粒群的某種幾何特征推導(dǎo)出來，并具有一定物理意義的推算粒徑，故又稱為物理平均徑，常用的有面積平均徑和質(zhì)量平均徑。

設(shè)顆粒群中某一微分區(qū)間的顆粒粒徑為，其數(shù)量為： 

    ： 面積平均徑，即索太爾徑，其推導(dǎo)公式為：

其物理含義是：顆粒群的總體積除以顆粒群的總面積，理解為：用一個(gè)假想的尺寸均一的顆粒群，來代替原有的顆粒群，每個(gè)顆粒的直徑都為，則假想的顆粒群的總體積和總面積與原有的顆粒群保持一致。

： 質(zhì)量平均徑，也有文章稱為 質(zhì)量平均徑、體積重量平均徑，其推導(dǎo)公式為：。

1.3.5 簡單原理

GSL-101BI 激光顆粒分布測量儀是以物理學(xué)上富朗和菲衍射（Fraunhofer diffraction）和米氏散射( Mie scattering )為理論基礎(chǔ)。此理論可以簡單理解為：沿直線傳播的平行激光束，在傳播過程中遇到顆粒的遮擋后，發(fā)生了衍射和散射現(xiàn)象，并且大顆粒光散射角小，小顆粒光散射角大。見圖1-1為單個(gè)顆粒形成的衍射圖案，顆粒直徑越大，中心亮環(huán)越小，顆粒直徑越小，中心亮環(huán)越大。如果能在不同角度上接收光能，對于相應(yīng)的角度，其光能是對應(yīng)直徑的顆粒集合發(fā)生衍射（散射）造成的，相應(yīng)其它角度上光能的強(qiáng)弱也就反應(yīng)了對應(yīng)直徑顆粒在整個(gè)顆粒集合中占有的比例，根據(jù)在不同角度上接收的散射光強(qiáng)弱，就可以反演出樣品的顆粒分布及各粒級(jí)間相對含量。

圖1-1

下圖為我所研制的GSL-101BI 型激光顆粒分布測量儀光路系統(tǒng)：

圖 1-2

1.4 使用注意事項(xiàng)

本儀器屬精密測量儀器，如果未經(jīng)廠家允許，擅自打開機(jī)殼，調(diào)整儀器的任何部件，廠家將不再負(fù)責(zé)保修??！

• 儀器出廠前光學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)調(diào)整完畢，在使用過程中，嚴(yán)禁調(diào)整光學(xué)系統(tǒng);在搬運(yùn)中，嚴(yán)禁震動(dòng)。

• 保持鏡頭表面清潔，不得隨意擦拭。如確有擦拭必要，擦拭前先用的鏡頭毛刷輕輕將鏡頭上的灰塵刷掉，以免擦拭過程中灰塵劃傷鏡頭，然后使用的鏡頭紙或脫脂棉沾少量酒精沿著一個(gè)方向輕輕擦拭，不能往返進(jìn)行。正確的方法是經(jīng)常用洗耳球吹鏡片,將鏡片上灰塵吹掉，但需注意洗耳球內(nèi)不得有水,并不得接觸鏡片。

• 開機(jī)前應(yīng)先檢查儀器各部分之間、及與計(jì)算機(jī)之間各種信號(hào)線、電源線等連接是否正確，儀器是否可靠接地，確保無誤后，可按照順序開機(jī)。

• 開機(jī)后,嚴(yán)禁移動(dòng)計(jì)算機(jī)及測量儀,帶電插、拔信號(hào)電纜,否則有可能損壞測量儀。

• 電壓：220±10V  頻率：50±0.5Hz，必須使用高精度穩(wěn)壓電源給本儀器供電。如果電壓或頻率波動(dòng)超過范圍可能導(dǎo)致測量結(jié)果重復(fù)性、準(zhǔn)確度指標(biāo)急劇變差，甚至可能無法得出測量結(jié)果。

• 儀器使用溫度22～28℃ ，相對濕度60%～70%，使用環(huán)境應(yīng)干燥、無塵。推薦在有空調(diào)的房間使用本儀器。如果使用溫度過高或過低可能導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器發(fā)光強(qiáng)度不穩(wěn)定，引起測量結(jié)果重復(fù)性偏差過大；如果濕度過大可能導(dǎo)致鏡頭結(jié)霧，無法給出準(zhǔn)確測量結(jié)果，連續(xù)濕度過大，可以導(dǎo)致鏡頭、光電探測陣列等器件發(fā)霉，導(dǎo)致儀器損壞。（注:在潮濕的雨季,實(shí)驗(yàn)室內(nèi)應(yīng)24小時(shí)連續(xù)開空調(diào), 否則鏡頭有可能結(jié)露，嚴(yán)重影響測試結(jié)果的準(zhǔn)確度;長時(shí)間,還有可能使鏡頭發(fā)霉。鏡頭結(jié)露的現(xiàn)象是測試過程中計(jì)算機(jī)屏幕上顯示的樣品濃度突然增加，這時(shí)可以將樣品倒掉，在樣品池中放入清水進(jìn)行測試，如果系統(tǒng)仍顯示濃度過高，則可判定鏡頭表面已經(jīng)結(jié)露，此時(shí)可用小于500W的電熱吹風(fēng)機(jī)在距鏡頭50公分處對鏡頭進(jìn)行干燥，一般15秒至30秒的時(shí)間即可，在干燥過程中，吹風(fēng)機(jī)要不停移動(dòng)，對鏡頭進(jìn)行均勻的加熱，以防止損壞鏡頭。）

• 儀器安放房間必須密閉、防塵，室內(nèi)不得有腐蝕性氣體，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室要換拖鞋，穿工作服。樣品制備和測試應(yīng)在不同的房間內(nèi)分別進(jìn)行，防止粉末樣品對儀器造成污染。