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粒度分析技术:激光粒度分析仪
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   激光粒度分析仪,是指以激光作为探测光源的粒度分析仪器。到目前为止,至少有4种不同原理的这类仪器,分别是:
  (a)基于静态光散射原理,即利用不同大小的颗粒对光的散射有不同角分布的原理测量颗粒的大小;
  (b)基于动态光散射(光子相关光谱)原理,即微小颗粒(通常小于1 μm)在液体中的布朗运动会引起散射光的频率移动(或相位变化),来自不同散射体的光相互干涉,使得某观察点上散射光强随时间变化,从而获得颗粒大小的信息;
  (c)光阻法颗粒计数器;
  (d)光脉动法粒度仪。

  目前人们常说的激光粒度仪,由于约定俗成的原因,是指(a)基于静态光散射原理的仪器,国际上通称“衍射法仪器"。

  光的波动性导致它在传播过程中遇到障碍物时会偏离直线传播方向,绕过障碍物。相对于光波长,障碍物越小,这种现象越明显,这就是光的衍射现象。光学中的“衍射"一词是从机械波的“衍射"引用过来的,是在光的电磁波理论建立之前,对光的波动性初步的、不成熟的认识产物。现在大家都知道,电磁波与机械波属于两种不同性质的波动,用“衍射"理论描述光绕过障碍物的现象只是在一定条件下的一种近似。光的电磁波理论建立后,对于平行光(平面波)绕过球形均匀障碍物(颗粒)传播的现象,已经可以用严格的电磁波理论描述,并能得到严格的解析解。这一理论称为米氏散射理论。

  “散射"与“衍射"都是对光绕过障碍物现象的描述,不同的称呼只代表不同的物理理论。它们的区别在于:
  (a)前者是严格的,后者是一种近似;
  (b)前者按照颗粒本来的光学形态,全面考虑了颗粒的三维特征和光学特性(吸收系数、折射率),而后者只考虑颗粒在入射光传播方向上的投影,没有顾及其三维性和光学特性;
  (c)从结果上看,前者适用于在平面波入射的前提下,各种大小的颗粒在任意方向的传播,而后者只适用于大颗粒(大于波长的5倍以上)在小角度内(小于5°)的传播。

  因为衍射理论的数值计算相对比较简单,所以早期的激光粒度仪都采用衍射理论,这也是静态光散射仪器习惯上又称为衍射法粒度仪的原因。近年来。随着米氏散射理论数值计算方法的不断完善,人们已经可以用完全的米氏散射理论计算散射光的分布。因此,不论从物理实质看,还是从现实操作看,激光粒度仪都应该称为“静态散射"原理的仪器,而非“衍射"原理的仪器。

  尽管“衍射"或“散射"现象及其理论早在150年前就被发现,但是要把这种现象转化成商品化的仪器还必须具备两个条件:一是方向性、单色性好和亮度高的激光器;二是成本低廉、运算速度足够高的微型计算机。激光器发明于1960年,随着二十世纪70年代初苹果微型计算机的出现,商品化的激光粒度仪也随之在上个世纪的70年代出现。激光粒度仪由于其原理上的优势,相比当时已有的各种原理的粒度测试仪器,具有测量速度快、测量(动态)范围宽、精度高、操作简便等特点,从而迅速成为世界范围内用途zui广泛的粒度检测仪器。

  中国的激光粒度仪的研究始于上世纪80年代初,天津大学承接了国家“六五" 科技攻关项目,并开始了以实用化仪器为目的的激光粒度仪的研究(当时命名为“激光快速滴谱仪"),先后研制了多种焦距的付里叶透镜、环形光电探测器阵列等关键器件,解决了光电信号处理、Rosin-Rammler数据反演算法等技术难题,并于1987年研制成功DP-01型仪器,通过了科技部的技术鉴定。差不多在同一时期,国内多家高校和研究所也开始了激光粒度仪的研究工作,例如上海机械学院(现为“上海理工大学")、丹东仪表研究所、四川轻工研究院、山东建材学院等。之后,从原先各高校和研究所先后分立出多家按商业化模式运作的专业公司,如珠海欧美克、丹东百特、成都精新、济南微纳等等,这些公司逐渐发展为国内市场激光粒度仪的主要提供者。

  在仪器的商品化方面,国内已经有几家比较有实力的专业制造公司成长起来,自主创新已经受到多数企业的重视,他们提供的产品基本能够满足国内用户的需要,除了占据国内市场2/3以上的份额外,还有部分产品出口。

  与先进国家的同行相比,国内企业的差距主要表现为:
  (1)产品品牌影响力不够;
  (2)对某些特定的样品,仪器性能还有待改善;
  (3)企业的理论水平和研究能力不足;
  (4)未建立全球性的营销网,因而还不能在全球范围成规模地销售产品。

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