[发明专利]一种带环形测量池的激光粒度分析仪

说明书

技术领域

本发明涉及仪器仪表领域，特别涉及一种带环形测量池的激光粒度分析仪。

背景技术

激光粒度分析仪是利用颗粒光散射原理测量乳液、粉体材料和液体喷雾的粒度分布的仪器。它出现在激光器诞生以后，至今已有50年左右的历史。由于颗粒越小，散射角越大；为了扩展仪器的测量下限，必须扩大散射角的测量范围。传统上，都用两块相互平行的平板玻璃组成测量池，把待测颗粒悬浮在两块玻璃之间。由于用于悬浮待测颗粒的介质多为液体，而液体的折射率大于空气，因此当散射角大于一定范围，散射光就不能出射到空气中，从而限制了小颗粒的测量。散射角大于临界角的散射光，被全反射，不能出射到空气中，而不能被探测器接收、测量。以水介质为例，临界角为47.87°。如果采用传统的技术，能被测量到的最大散射角小于临界角，测量下限只能达到0.3μm左右。

为了扩大角度测量范围，人们提出了各种方法，比如多光束技术。该技术方案中，除了原有的主入射光之外，另外增加一束斜入射的照明光，被该光束照明的颗粒产生的较大角散射光相对于后玻璃的入射角仍未超过水-空气等效界面的临界角，故仍能出射到空气中，从而被接收。这种技术中，斜入射照明光只能用于测量大角(例如45°以上)散射光，而主入射光只能用来测量小角散射光。进行粒度数据反演计算前，必须把大角和小角散射光的数据先拼接在一起。由于照明光束不同，数据的拼接往往很难做得很光滑，因此给数据反演带来困难。

另外也有人提出用梯形窗口技术解决全反射的问题。它是用一块梯形玻璃代替了传统测量池中的后侧平板玻璃。该方案可以用单光束照明，比前述的双光束方法简洁。大角散射光从玻璃往空气出射时，原先的平行面变成了斜面，减小了光线对玻璃—空气界面的入射角，从而避免了全反射的发生。小角散射光则从平行面出射。其缺点是斜面出射的光和平行面出射的光有一部分会在空气中的同一区域叠加，相互干扰。为了解决这一问题，必须增加较复杂的机械结构。

圆柱透镜窗口技术(专利授权公告号：CN202281738U)也是一种超临界角散射光出射问题的解决方案，使45°—135°的散射光能够出射到空气中，从而被探测到。激光器发出的照明光顺着平板玻璃之间的狭缝照射到测量区，含有被测颗粒的悬浮液处在狭缝中。大角散射光透过平板玻璃，并被胶合在上面的柱面镜聚焦。探测器阵列处在柱面镜的焦面上。据发明人称，这种方案适用于测量45°以上的散射光，小角度的散射光不知如何接收。

申请号201310186026.5的专利文献(以下简称“文献2”)提出了一种检测水中乳化油含量的方案。该方案把待测乳化液置于圆桶形(即本专利所称的“环形”)测量池中，采用近红外的半导体激光器作光源，把光照射到测量池内，光线遇到待测颗粒后，会发生散射。用多单元的光电探测器阵列测量小角散射光，然后根据散射光的分布计算水中乳化液的含量。此方案与本专利的方案从表面看非常相似，主要表现在：(1)测量对象都是水中的颗粒物；(2)都采用了圆筒形测量池；(3)都是测量散射光的分布。但从效能和思路看，两种方案有着显著差异：该专利声称只测量小角散射光，所以我们可以判断，它只利用了圆筒的液体承载功能和透明特性。如果把这个圆筒换成矩形、半圆形等其他形状的透明容器，也能实现该专利所称的相同效果。实际上从光学的专业角度看，测量池用两块平行成间隔设置的平板玻璃方案更加合适。

综上所述，现有的激光粒度仪存在着散射光探测范围小、或者数据反演困难、或者结构复杂等诸多不足。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种带环形测量池的激光粒度分析仪，其能够实现单光束照明的条件下，0°到180°散射光的连续探测，并实现足够精度的聚焦，克服了现有技术的诸多不足。其测量上限可以保持现有技术的水平，而测量下限则可以顺利达到20nm，即0.02μm(峰值位置)。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为一种带环形测量池的激光粒度分析仪，包括激光器、透镜、针孔(带微孔的金属薄片)、柱面镜、环形测量池、探测器组件、机架；

所述探测器组件包括中心探测器、主探测器、若干个大角探测器；

所述激光器、透镜、针孔、柱面镜、环形测量池和主探测器在同一光轴上并依次设于机架之上；

所述大角探测器以环形测量池为中心成环形布设，中心探测器设于主探测器之后；

所述环形测量池为圆柱体结构的玻璃环柱，其中部设有圆柱形内腔，用于盛放液体，由柱面镜、环形测量池的玻璃壁和其内腔所盛的液体组成了一个透镜组，从针孔发出的光线经该透镜组能够聚焦于主探测器的中心；

所述针孔为带微孔的金属薄片。