一种多光束单镜头激光粒度仪
1、引言
激 光粒度仪是一种利用颗粒使激光发生散射的原理来测量粉体粒度的一种仪器，它已经成为国内外粒度测试的主要手段。目前，激光粒度测试技术发展迅速，新技术不 断涌现，新产品层出不穷，所追求的目标是高精度、高品质、宽量程、智能化。丹东百特仪器有限公司开发的三光束单镜头激光粒度仪，采用不同波长激光束、独特 的傅立叶镜头、独特的光学结构和光电探测器，使前向、侧向和后向的散射光都通过一个镜头汇聚到光电探测器上，简化了光学系统，降低了成本，扩大了量程。这 种新型激光粒度仪的研制成功，标志着丹东百特多光束激光粒度测试技术进入了实用化的阶段。
2、历史回顾
激 光粒度仪经过近50年的发展，国内外已经有很多规格和型号的产品。如果按光束和镜头数量来分类，大体可分为四种类型：一是“单光束单镜头”激光粒度仪，这 种类型的激光粒度仪有很多品牌和型号，产销量最多，应用领域广泛，现有的国产和进口的经济型激光粒度仪大多属于这种类型。二是“单光束多镜头”激光粒度 仪，这种产品是在“单光束单镜头”基础上发展起来的，目的是为了接收大角度散射光，扩大量程。三是“多光束多镜头”激光粒度仪，这是国外高性能激光粒度仪 的标志性技术，通过多束激光和多个镜头位置变化，更有效地接收大角度的散射光，从而达到扩大量程的目的。四是丹东百特研制的 “多光束单镜头”激光粒度仪，这种仪器通过巧妙的光路设计，使多个激光器产生的散射光都通过一个镜头来接收，保证了不同激光器的散射光接收的一致性，简化 了结构，降低了成本，同时扩大了量程，提高了测试精度。
| 光束 | 镜头 | 特点 |
| 单光束 | 单镜头 | 结构简单，价格低，品种很多，应用广泛，量程较小，是目前国内外经济型激光粒度仪普遍采用的技术。 |
| 单光束 | 多镜头 | 结构相对复杂，量程扩大，价格较低，品种较多，是在“单光束单镜头”的基础上的改进型。测试下限拓展有限。 |
| 多光束 | 多镜头 | 结构复杂，量程宽，成本相对较高，是国外高性能激光粒度仪普遍采用的技术。 |
| 多光束 | 单镜头 | 结构相对简单，量程宽，成本相对较高，由于采用单镜头结构，克服了镜头之间的差异带来的结果误差。 |
3、多光束单镜头光路系统的基本组成与量程
本文多光束系统主要指三光束。采用前向、前侧向和后侧向排列方式，其中后向激光器采用了波长更短的蓝光激光器。通过对激光器位置的有效排列，配合广角镜头和大尺寸光电探测器，使散射光的有效探测角度范围为0.08-156°，极限量程可达0.01—2000微米，光路系统基本组成如图1所示。
图1、三光束单镜头光路系统示意图
那么，这样的系统的量程究竟能不能达到0.01—2000微米呢？
首先，采用短波长的激光器有利于拓展测试下限。测试下限能不能达到0.01微米，关键要设法使0.01微米附近的散射光能分布有明显的区分。通过对米氏散射理论研究，可以得到在短波长激光照射下，一些亚微米甚至纳米级颗粒的后向散射光能分布图谱，如图2。也可以得到在普通激光照射下同样粒径颗粒后向散射光能分布图谱，如图3。从两种光束对相同颗粒照射产生的后向散射图谱可以看出，短波长激光能使0.01微米附近的散射图谱有明显区别，普通波长的激光则不能使0.01微米附近的散射图谱有明显区别。可见，采用波长短的蓝色激光可提高量程下限的分辨率，对拓展量程下限极为有利，如果在实践中各个环节处理好，量程下限极限就可能够达到0.01微米。
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| 图2 短波长激光大角度散射光分布 | 图3 普通激光大角度散射光分布 |
其次，高性能的镜头是实现扩展量程的关键。经过上述分析，我们知道在理论上短波长激光能使0.01微米附近的散射图谱有明显区别，但与微米粒径区段的散射 信号相比，这个区域的散射信号的区别的幅度仍然较小。分辨这种较小差别信号的一个重要条件是要有一个高性能的广角小相差镜头。要求该镜头应具备良好的平场 特性，有较小的场曲特性，有较小的球差特性和广角特性等等，为达到这些光学要求，我们设计了一个由四个透镜组成的镜头，如图4，其中透镜2和透镜3胶合在 一起，组成一个负焦距透镜，与透镜1和透镜3两个正焦距透镜组合正焦距透镜组合形成一个高性能的镜头，这样的设计保证大视场角散射光的不失真地汇聚到光电 探测器上，使系统的测试下限达到0.01微米。同时，该镜头还要保证中心视场角散射光(轴上) 的成像的质量达到衍射极限，从而保证测试上限达到2000微米。
第三，独特的光路结构有利于汇聚各个角度的散射光。本系统所采用的三光束光路架构如图5所示。
前 向红激光光束是沿着水平方向照射，穿过样品池和汇聚镜头后入射到光电探测器中心孔中，所产生的散射光角度0.08-47°；侧向绿激光光束沿着与水平光束 成35°角方向照射，所产生的散射光角度为35-83°；后向蓝激光光束放置在镜头后面，发出的是一束发散光束，经过镜头后变成平行光，所产生的散射光的 角度为109-156°。上述三个光束所产生的散射光经过同一个镜头汇聚到同一个探测器上，使数据处理具有连续性和一致性。
第四，光电探测器的性 能是扩大量程的重要前提。本系统所采用的光电探测器阵列是由交叉排列的扇形和矩形光电探测器组合排列而成，具有灵敏度高、尺寸大和中心孔小等特点，同时具 备接收大角度的和小角度的散射光。其中最小探测角度为0.08°，最大探测角度达到了156°，能够同时满足量程上限下限的要求。加探测器的结构如图6所 示。
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| 图4、组合镜头结构示意图 | 图5、光路架构示意图 | 图6、光电探测器基本结构示意图 |
第五，高精度的、稳定的反演算法是实现系统设计要求的保证。激光粒度测试的直接物理量是散射光能分布，如果不能真实有效地将接收的散射光能分布反演为粒度分布，其它的种种努力将毫无意义。因此反演算法的优劣对拓宽量程起着至关重要的作用。经过长期深入研究和反复实践，在本系统中采用的反演算法具有精度高、速度快、稳定性好的效果。图7的上半部分是六个随机样品的理论粒度分布，下半部分是通过理论粒度得到散射光能分布后再进行反演计算得到的粒度分布，可以看出两组对应的粒度分布十分接近。
图7、反演算法精度对比
第六，实际测试结果效果良好。通过采用短波长激光、组合镜头、特殊光路结构、大尺寸光电探测器以及独特的反演算法等措施后，系统能不能对量程所覆盖的所有粒度范围的的样品都进行有效测量，特别是能否对粒度分布在量程的上限和下限附近的样品进行有效测量，是本系统成败的关键，这就对制造环节提出了更高的要求。比如在光电探测器设计、选材、制作方面；在镜头的设计、参数确定和安装方面；在激光器选择及其位置排列方面；在样品池的材料与制作工艺方面都需要做大量的工作，使设计方案得以实现。图8是对粗、中、细三种不同粒度的样品进行粒度测试的结果。从这三个测试结果可以看出，本系统无论对最小粒径接近量程下限的样品，还是对最大粒径接近量程上限的样品，都具有较好的效果。
图8、几种样品的实际测试结果
4、硬件系统组成
除了上述讨论过的光路系统以外，本系统还包括光电探测器及自动对焦系统、信号传输与控制系统、自动循环分散系统以及软件（电脑）系统等四部分。
(1)自动对焦系统：自动对焦系统由步进电机及其执行机构和步进电机控制驱动系统两部分组成。自动对焦系统除了作为光电探测器阵列的基座之外，主要的作用是保证探测器的中心始终与主光轴上镜头的焦点重合。一旦探测器中心与镜头的焦点发生偏离现象，
图10自动对焦示意图 自动对焦系统将在电脑控制下，通过横向和纵向的步进电机及其执行机构，实时地、自动地进行调整，使探测器的中心回到焦点上，保证了测量精度。
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| 图9、系统其他组成部分示意图 | 图10、自动对焦示意图 |
(2)信号转换、传输与控制系统。该系统包括微控制系统（MCU）、驱动系统、多路信号分配系统、信号放大器等部分组成，如图9。其中微控制系统是控制核心，由三个单片机系统组成，它通过USB与电脑相连，受电脑直接指挥和控制。在运行粒度测试软件前由它直接控制各部分的初始状态，在粒度测试过程中它随时接收电脑的指令和各部分的反馈信号，经过处理后再向其它相关部分发出控制指令。驱动系统是MCU的执行机构，MCU发出的指令通过它进行功率放大和转换后直接驱动自动对焦系统和循环分散系统，进行光路对焦、启动/停止循环、启动/停止超声分散以及启动进水/排水/清洗等操作。多路信号分配系统和信号放大器的主要作用是信号的转换与传输，包括信号放大、16位模/数转换，98路信号分配等。
(3)循环分散系统。包括流量可调的离心循环泵、无限定条件启动的超声波分散器、防泄漏的排水系统、吸水式进水系统、水位探测器、搅拌器等。该系统的所有操作都通过电脑、MCU、驱动系统来实现的。它的操作流程包括进水—消泡—循环—背景—浓度—分散—测试—排放—清洗—进水等。这些操作可以通过设置标准操作流程（SOP）方式程序化，也可以通过屏幕上的快捷按钮单独进行操作。
5、软件系统
软件系统是多光束单镜头激光粒度仪系统的重要组成部分。这里仅从应用角度列出几点内容。
(1)准确性标定。粒度测试结果准不准，怎样来界定准确性，是激光粒度仪器研究、生产和应用都关心的问题。除了前面已经描述过的理论验证以外，本系统还通过用实际样品两级标定的方式来保证系统准确性。一是用通过认证的几种标准样品分段来进行检定；二是用工作标样进行验证。图11就是一种工作标样进行验证的界面。图11中的中间虚线是这个工作标样的“标称”粒度曲线，两边的虚线是允许的粒度界限，红线是实际测试的粒度曲线。用户可以用经过认证的标准样品进行准确性检定，也可以用随仪器赠送的工作标样定期和不定期进行准确性验证。
(2)多文字界面技术。为了方便国内外不同地域和语言背景用户的使用，语言选择界面
本软件系统设置了中文、中文繁体、英文三种文字。用户可以在这三种文字中种任选一种。不仅如此，在界面设计上还使用了“文件关联技术”，将界面所有的文字以关联文件的形式保存在文本文件中。只要将这个关联文件（该文件是中文或英文）翻译成任何一种其它文字，重新启动后软件界面就变成相应文字的界面了。所以，无论这种仪器的用户是使用什么语言背景，都可以用自己熟悉的母语文字进行粒度测试工作。
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| 图11、粒度测试准确性验证 | 图12、语言选择界面 |
(3)自动测试技术。本系统通过设置标准操作流程，粒度测试过程的所有环节全部自动进行操作。自动测试的流程是：启动“自动测试”按钮—进水—消泡—搅拌—循环—浓度调整—分散—测试—保存—打印—清洗—进水。自动测试不仅仅是简化操作，更重要的是保证每次的测试条件完全一致，最大限度地消除了因操作因素带来的误差，保证了粒度测试的重复性和准确性。
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| 图13、自动测试与SOP设置 | |||
(4)报告单格式的转换：为了便于在通常条件下对报告单进行打印、显示、发送电子邮件的需要，本系统设置了三种报告单转换形式。其中“导入Excel”是将报告单转换成标准的Excel格式文件，可以在Excel环境下打印、编辑。“整体导出”是先将报告单转换成位图格式，然后存入电脑的剪切板中，它可以被粘贴到Word、Excel、画图、写字板等多种环境，方便地进行打印、显示、发送电子邮件等。“分项导出”是将所关心的单项结果（如D10、D50、D90）导入Excel环境中，以便于进行比较、处理、编辑等。
6、结束语
通过长期的理论研究和设计制造实践，采用新的创新技术的多光束单镜头激光粒度仪研制成功。实现了拓宽量程、提高精度、简化操作、打造精品的设计要求。该项技术的研制成功和产品的投放市场，是中国激光粒度测试技术自主创新的又一成果，标志着高性能激光粒度仪国产化的时期已经到来。
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