Mastersizer2000激光粒度仪的工作原理简介
Mastersizer2000激光粒度仪是利用颗粒对光的散射（衍射）现象测量颗粒大小的，即光在行进过程中遇到颗粒（障碍物）时，会有一部分偏离原来的传播方向；颗粒尺寸越小，偏离量越大；颗粒尺寸越大，偏离量越小。散射现象可用严格的电磁波理论，即Mie散射理论描述。当颗粒尺寸较大（至少大于2倍波长），并且只考虑小角散射（散射角小于5°）时，散射光场也可用较简单的Fraunhoff衍射理论近似描述。
Mastersizer2000激光粒度仪的经典光学结构它由发射、接受和测量窗口等三部分组成。发射部分由光源和光束处理器件组成，主要是为仪器提供单色的平行光作为照明光。接收器是仪器光学结构的关键。测量窗口主要是让被测样品在完全分散的悬浮状态下通过测量区，以便仪器获得样品的粒度信息。
Mastersizer2000激光粒度仪光电探测器阵列示意图接收器由傅立叶透镜）和光电探测器阵列组成。所谓傅立叶透镜就是针对物方在无限远，像方在后焦面的情况消除像差的透镜。激光粒度仪的光学结构是一个光学傅立叶变换系统，即系统的观察面为系统的后焦面。由于焦平面上的光强分布等于物体（不论其放置在透镜前的什么位置）的光振幅分布函数的数学傅立叶变换的模的平方，即物体光振幅分布的频谱。激光粒度仪将探测器放在透镜的后焦面上，因此相同传播方向的平行光将聚焦在探测器的同一点上。探测器由多个ZX在光轴上的同心圆环组成，每一环是一个独立的探测单元。这样的探测器又称为环形光电探测器阵列，简称光电探测器阵列。
Mastersizer2000激光粒度仪大小为8μm和16μm的颗粒产生的散射光能分布，激光器发出的激光束经聚焦、低通滤波和准直后，变成直径为8~25mm的平行光。平行光束照到测量窗口内的颗粒后，发生散射。散射光经过傅立叶透镜后，同样散射角的光被聚焦到探测器的同一半径上。一个探测单元输出的光电信号就代表一个角度范围（大小由探测器的内、外半径之差及透镜的焦距决定）内的散射光能量，各单元输出的信号就组成了散射光能的分布。尽管散射光的强度分布总是ZX大，边缘小，但是由于探测单元的面积总是里面小外面大，所以测得的光能分布的峰值一般是在ZX和边缘之间的某个单元上。当颗粒直径变小时，散射光的分布范围变大，光能分布的峰值也随之外移。所以不同大小的颗粒对应于不同的光能分布，反之由测得的光能分布就可推算样品的粒度分布。测量下限是激光粒度仪重要的技术指标。激光粒度仪光学结构的改进基本上都是为了扩展其测量下限或是小颗粒段的分辨率。基本思路是增大散射光的测量范围、测量精度或者减少照明光的波长。Mastersizer2000激光粒度仪光学结构的变迁Mastersizer2000激光粒度仪是激光粒度仪光路的经典结构。它简单明了，早期的激光粒度仪几乎全部采用这种结构，至今仍有几家制造商在采用。德国Sympatec就是其中之一。为了扩大仪器的测量范围，他们采用了8组不同焦距的傅立叶镜头。由于探测器的半径不变，因此焦距越小，对应的散射角越大，即能测量的粒径越小。不同焦距的透镜对应于不同的测量范围。
Mastersizer2000激光粒度仪有少许改进的经典结构，所谓的改进是增加了辅助探头。这些探头用以弥补环形探测器阵列Zda外径的不足，从而扩大仪器对散射光的接受角，扩展仪器的测量下限。在这种结构下扩大接受角，将受到傅立叶透镜光瞳的制约。
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2004-07-30
