1. 前言

近年來，隨著優技術產業的迅猛發展和科研領域的不斷拓寬，在工業生產及科學研究中出現了越來越多與顆粒直徑及其分布有關的技術問題。為了改善產品性能、提高產品質量、控制生產工藝、降低能耗等，無論化工、醫藥、機械、電子、冶金還是建材、輕工、環保等諸多行業都遇到了顆粒直徑及其分布測量的有關問題，GSL-101BI 激光顆粒分布測量儀正是為了解決各行業對粒度測試的需求而開發研制的一種新型粒度測量儀器，經過我所數年的研究，解決了諸如Mie散射，大尺寸光電探測陣列等一系列的技術難點，使儀器的性能指標有了大幅度的提高，達到90年代同類儀器的設計水平。

1.1 特點

• 重復性好

本儀器的原理是Furanhofer衍射及Mie散射理論,由上述原理決定了本儀器在測試過程不受環境溫度變化、介質黏度、試樣密度等諸多因素的影響,只要將待測試樣均勻地展現于激光束中，即可獲得準確的測量結果。而且區別于沉降法,由于不需要沉降過程，因此在一次測試中可以多次采樣(5～20次任意設定)，有效濾除了由于電噪聲，試樣分布不均等因素造成的影響，使儀器的測試重復性更好。

• 測量范圍寬

由于采用了大尺寸主光電探測陣列（70個通道）、側向輔助光電探測陣列（12個通道）及其它相應技術，使單透鏡測量范圍達0.15～400微米，并且由于本儀器使用過程中無須更換鏡頭和調整光學系統，提高了儀器的工作穩定性，簡化了操作過程。

• 采用半導體激光器

半導體激光器具有光參數穩定、效率高、壽命長、不怕振動等一系列優點，克服了傳統He-Ne氣體激光器由于自然漏氣，需定期更換的缺點。

• 自動化程度高操作簡單

本儀器采用微機進行實時控制，自動完成數據采集、分析處理、結果保存和打印等功能,操作簡單,自動化程度高。

• 測試速度快

由于無須沉降過程，使測量時間大幅度縮小，在通常情況下，1分鐘內即可完成一次樣品測量。

注:不包括樣品制備時間。

• 測試程序

本儀器測試程序采用MSVC/C++6.0編制,在中文Windows95/98、Windows-XP操作系統下運行，操作直觀簡便,通俗易懂。報告輸出內容豐富,并且可以輸出英文測量報告,對于彩色打印機還可以輸出彩色測量報告。

1.2 儀器規格

1.2.1 常規要求

• 電壓：220±10V  頻率：50±0.5Hz 
• 穩壓電源輸出功率＞1500W
• 連續工作時間：＜12小時

1.2.2 激光器

• 類型：半導體激光器
• 波長：650nm
• 出口功率：＞1.3mW
• 連續工作時間：＜12小時

1.2.3 光電探測陣列

• 主光電探測陣列：扇型70通道
• 側向光電探測陣列：矩型12通道

1.2.4 測量范圍

• 測量范圍：0.15～400微米

1.2.5 計算機及打印機

• CPU：In奔騰Ⅳ、賽揚系列
• 內存：大于128Mb
• 接口：RS232串行口
• 光盤驅動器：CD-ROM或DVD-ROM
• 操作系統：Windows95/98、Windows-XP中文操作系統
• 打印機：可在Windows95/98、Windows-XP中文操作系統下運行的任何類型、品牌的打印機

重要提示：儀器標準配置中不含計算機和打印機，需用戶自行購買，本節內容為用戶購買計算機提供參考指標。

1.2.6 數學模型

• Fraunhofer衍射
• Lorentz-Mie散射
• Fraunhofer衍射和Lorentz-Mie散射

1.2.7 進樣方式

• 微量進樣方式
• 循環進樣方式

重要提示：儀器標準配備微量進樣裝置，循環進樣裝置需要另行向本所購買。說明書中有許多關于循環進樣裝置的介紹，如果您及貴單位沒有購買循環進樣裝置，關于循環進樣裝置部分的介紹可以不必閱讀。

1.2.8 性能

• 重復性：＜4%
• 準確度：＜8%

注：重復性、準確度指標的計算方法按附錄A。

1.3 顆粒粒徑的表示方法及簡單原理

    1.3.1 

對于自然界中粉體物料，通常都是包含各種不同粒徑的顆粒的集合，即顆粒群。如果在粉體中隨機選取某一個顆粒，其粒徑在某一范圍內隨機取值，但對于整個顆粒群，某一粒徑或某一粒徑范圍內的顆粒在整個粉體中所占的比例是固定的，因此可以用統計學的方法來表示顆粒群的粒度分布，相應的指標稱為頻率分布和累積頻率分布，粒度分布指標可以取個數、長度、面積、或體積（重量）等4個參數之一作為基準。

注意：

a）：所謂個數為基準，是指某一粒徑或某一粒徑范圍內顆粒的個數在顆粒總個數中所占的比例，同理可以定義長度、面積和體積（重量）基準。

b）：粒度分布的基準取決于粒度分布的測定原理，如顯微鏡法的測量結果以個數分布為基準；激光散射法以體積（重量）為基準等，因此，即使對于同一種粉體，由于采用的粒度測量原理的不同，測量結果的含義自然也不同，所以測量出的數據必然也可能有所差別。

1.3.2 頻率分布

被測樣品中某一粒徑或某一粒徑范圍內的顆粒個數 n （以個數為基準），與該樣品的顆粒總數 N 之比稱為該粒徑或該粒徑范圍的頻率分布 f 。

1.3.3 累積分布

頻率分布是表示某一粒徑或某一粒徑范圍內的顆粒在全部顆粒中占的百分比，而累積分布則表示小于（或大于）某一粒徑的顆粒在全部顆粒中所占的比例。

注：累計分布分為正累積（用+號表示）和負累積（用-號表示），正累積表示大于某一粒徑的顆粒數量或者百分數；負累積表示小于某一粒徑的顆粒數量或百分數。

1.3.4 平均粒徑

除了采用粒度分布的方法表示粉體的粒度特征外，還可以采用一些具有某種含義的粒徑值來描述這個粉體樣品，這就是平均粒徑。

1.3.4.1 中位徑

在累積分布曲線上累積頻率為50%處所對應的粒徑，也就是將樣品兩等分處所在的粒徑值。

注：a）在使用 時應指明使用的基準，不同原理和測量方法給出累積分布的基準是不同的，因此對于同一種樣品，不同原理和測試方法得到的 不具可比性。         

注：b）同理可以得知、、、 、  、等數據的含義。

1.3.4.2 加權平均徑

加權平均徑是根據顆粒群的某種幾何特征推導出來，并具有一定物理意義的推算粒徑，故又稱為物理平均徑，常用的有面積平均徑和質量平均徑。

設顆粒群中某一微分區間的顆粒粒徑為，其數量為： 

    ： 面積平均徑，即索太爾徑，其推導公式為：

其物理含義是：顆粒群的總體積除以顆粒群的總面積，理解為：用一個假想的尺寸均一的顆粒群，來代替原有的顆粒群，每個顆粒的直徑都為，則假想的顆粒群的總體積和總面積與原有的顆粒群保持一致。

： 質量平均徑，也有文章稱為 質量平均徑、體積重量平均徑，其推導公式為：。

1.3.5 簡單原理

GSL-101BI 激光顆粒分布測量儀是以物理學上富朗和菲衍射（Fraunhofer diffraction）和米氏散射( Mie scattering )為理論基礎。此理論可以簡單理解為：沿直線傳播的平行激光束，在傳播過程中遇到顆粒的遮擋后，發生了衍射和散射現象，并且大顆粒光散射角小，小顆粒光散射角大。見圖1-1為單個顆粒形成的衍射圖案，顆粒直徑越大，中心亮環越小，顆粒直徑越小，中心亮環越大。如果能在不同角度上接收光能，對于相應的角度，其光能是對應直徑的顆粒集合發生衍射（散射）造成的，相應其它角度上光能的強弱也就反應了對應直徑顆粒在整個顆粒集合中占有的比例，根據在不同角度上接收的散射光強弱，就可以反演出樣品的顆粒分布及各粒級間相對含量。

圖1-1

下圖為我所研制的GSL-101BI 型激光顆粒分布測量儀光路系統：

圖 1-2

1.4 使用注意事項

本儀器屬精密測量儀器，如果未經廠家允許，擅自打開機殼，調整儀器的任何部件，廠家將不再負責保修　！

• 儀器出廠前光學系統已經調整完畢，在使用過程中，嚴禁調整光學系統;在搬運中，嚴禁震動。

• 保持鏡頭表面清潔，不得隨意擦拭。如確有擦拭必要，擦拭前先用的鏡頭毛刷輕輕將鏡頭上的灰塵刷掉，以免擦拭過程中灰塵劃傷鏡頭，然后使用的鏡頭紙或脫脂棉沾少量酒精沿著一個方向輕輕擦拭，不能往返進行。正確的方法是經常用洗耳球吹鏡片,將鏡片上灰塵吹掉，但需注意洗耳球內不得有水,并不得接觸鏡片。

• 開機前應先檢查儀器各部分之間、及與計算機之間各種信號線、電源線等連接是否正確，儀器是否可靠接地，確保無誤后，可按照順序開機。

• 開機后,嚴禁移動計算機及測量儀,帶電插、拔信號電纜,否則有可能損壞測量儀。

• 電壓：220±10V  頻率：50±0.5Hz，必須使用高精度穩壓電源給本儀器供電。如果電壓或頻率波動超過范圍可能導致測量結果重復性、準確度指標急劇變差，甚至可能無法得出測量結果。

• 儀器使用溫度22～28℃ ，相對濕度60%～70%，使用環境應干燥、無塵。推薦在有空調的房間使用本儀器。如果使用溫度過高或過低可能導致半導體激光器發光強度不穩定，引起測量結果重復性偏差過大；如果濕度過大可能導致鏡頭結霧，無法給出準確測量結果，連續濕度過大，可以導致鏡頭、光電探測陣列等器件發霉，導致儀器損壞。（注:在潮濕的雨季,實驗室內應24小時連續開空調, 否則鏡頭有可能結露，嚴重影響測試結果的準確度;長時間,還有可能使鏡頭發霉。鏡頭結露的現象是測試過程中計算機屏幕上顯示的樣品濃度突然增加，這時可以將樣品倒掉，在樣品池中放入清水進行測試，如果系統仍顯示濃度過高，則可判定鏡頭表面已經結露，此時可用小于500W的電熱吹風機在距鏡頭50公分處對鏡頭進行干燥，一般15秒至30秒的時間即可，在干燥過程中，吹風機要不停移動，對鏡頭進行均勻的加熱，以防止損壞鏡頭。）

• 儀器安放房間必須密閉、防塵，室內不得有腐蝕性氣體，進入實驗室要換拖鞋，穿工作服。樣品制備和測試應在不同的房間內分別進行，防止粉末樣品對儀器造成污染。