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張福根  秦和義

珠海真理光學(xué)儀器有限公司

摘要正文：激光粒度儀的出現(xiàn)已經(jīng)將近50年，以其測(cè)量速度快、重復(fù)性好、量程寬、操作方便等優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)今世界應(yīng)用.廣泛的粒度測(cè)量儀器。它是利用顆粒對(duì)光的散射（粒徑遠(yuǎn)大于光波長時(shí)稱為“衍射”）現(xiàn)象測(cè)量顆粒大小及分布的。其賴以正常運(yùn)行的物理規(guī)律是：顆粒越大，散射光的分布范圍越寬（通常用愛里斑的第.一暗環(huán)角尺寸描述），即散射光的分布和粒度分布一一對(duì)應(yīng)。

當(dāng)前大多數(shù)激光粒度儀的測(cè)量過程都能在計(jì)算機(jī)的控制下自動(dòng)完成。不過儀器內(nèi)部的運(yùn)行還是可以分成以下三個(gè)步驟：（1）將待測(cè)的顆粒樣品送進(jìn)測(cè)量光路，入射的激光束被顆粒散射；（2）散射光的空間分布信息被儀器接收，經(jīng)放大和AD轉(zhuǎn)換，送進(jìn)計(jì)算機(jī)；（3）計(jì)算機(jī)軟件根據(jù)散射光的分布反演計(jì)算粒度分布。其中第（3）步又可分為兩個(gè)小步，即（3A）預(yù)先根據(jù)儀器光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)和顆粒的折射率，計(jì)算該儀器測(cè)量范圍內(nèi)所有粒徑顆粒的理論散射光能分布，組成一個(gè)散射光能矩陣；（3B）根據(jù)接收到的散射光信息和散射光能矩陣，通過一個(gè)反演算法，計(jì)算出被測(cè)顆粒的粒度分布。從激光粒度儀的運(yùn)行機(jī)理我們知道，獲得可靠的粒度測(cè)量結(jié)果的關(guān)鍵是：（1）獲得充分而的顆粒散射光分布信息；（2）散射光的分布與粒度分布存在內(nèi)在的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；（3）正確的反演算法。當(dāng)前的各種儀器在上述三個(gè)方面都存在一定的缺陷，從而導(dǎo)致某些條件下會(huì)給出錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果。本文綜述作者及其團(tuán)隊(duì)在克服上述缺陷方面所取得的進(jìn)展。

1、散射光的測(cè)量盲區(qū)及解決方案。顆粒的散射光是分布在0°到180°的范圍的。顆粒越小，大角度方向散射光所占比重越大。很多情況下顆粒需要分散在液體介質(zhì)中進(jìn)行測(cè)量。盛放介質(zhì)及顆粒的測(cè)量池用相互平行的兩塊平板玻璃作為照明光入射和散射光出射的窗口。由于液體的折射率總是大于1，因此當(dāng)散射角大于某個(gè)臨界角（水的臨界角為48.7°）時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生全反射，無法出射到空氣中，因而無法被測(cè)量到。再加上放置在空氣中的大角探測(cè)器與光軸的夾角通常為60°，儀器實(shí)際能接收的前向大散射角（從水介質(zhì)中看）是41°。后向散射也存在類似的全反射問題。因此當(dāng)前儀器前向能接收的大散射角是41°，后向能接收的小散射角是139°，即41°到139°是測(cè)量盲區(qū)。這將導(dǎo)致400nm以細(xì)顆粒不能測(cè)量。作者團(tuán)隊(duì)提出了一種斜置梯形測(cè)量窗口技術(shù)，能將前向大散射角擴(kuò)大到80°，基本上解決了400nm以細(xì)顆粒的測(cè)量問題。

2、愛里斑的反常變化（ACAD）現(xiàn)象所帶來的困擾及解決方法。作者的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于透明的顆粒，雖然從較大的粒徑變化幅度看，顆粒越大，散射角越小，但是從較小的粒徑變化范圍看，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)顆粒越大，散射角也越大的情況。這種現(xiàn)象稱為愛里斑的反常變化（ACAD）^[1]。這是客觀的物理規(guī)律，任何人都無法改變。這種現(xiàn)象導(dǎo)致了散射光的分布與粒度分布之間不再一一對(duì)應(yīng)。當(dāng)被測(cè)顆粒的粒徑范圍正好處在反常區(qū)時(shí)，測(cè)量結(jié)果是不確定的^[2]。為克服這種不確定，當(dāng)前.常用的方法是在計(jì)算光能矩陣時(shí)，假設(shè)顆粒有吸收。這種人為加吸收系數(shù)的方法雖然在表面上使測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定，但同時(shí)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的失真。作者團(tuán)隊(duì)通過深入研究，推到出ACAD現(xiàn)象的規(guī)律^[1]，進(jìn)而通過改進(jìn)反演算法，不需要人為加吸收系數(shù)，也能得到穩(wěn)定并且真實(shí)的結(jié)果。

    3、不同反演模式產(chǎn)生不同粒度分析結(jié)果的困惑及反演算法的統(tǒng)一。 現(xiàn)在有些主流的儀器在軟件操作界面上，有幾種不同的反演計(jì)算模式給用戶選擇。對(duì)相同的樣品，選不同的反演模式時(shí)，會(huì)給出不同的測(cè)量結(jié)果。這顯然有悖于科學(xué)測(cè)量的客觀性和確定性。作者團(tuán)隊(duì)對(duì)光散射規(guī)律有更透徹的研究，能夠用統(tǒng)一的反演算法分析所有類型的顆粒樣品，維護(hù)了科學(xué)測(cè)量儀器應(yīng)有的客觀性和確定性。

    作者團(tuán)隊(duì)所取得的技術(shù)進(jìn)展還有光線偏振濾波、折射率未知顆粒的測(cè)量等等。

關(guān)鍵詞：激光粒度儀；測(cè)量盲區(qū)；愛里斑的反常變化；ACAD；反演模式

參考文獻(xiàn)

[1] Linchao Pan et. al. Anomalous change of Airy disk with changing size of spherical particles. Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative    Transfer 170 (2016) 83–89

[2] Linchao Pan et. al. Indetermination of particle sizing by laser diffraction in the anomalous size ranges. Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer 199 (2017) 20–25