一,、粒度分析的基本概念

 （1）顆粒：具有一定尺寸和形狀的微小物體，是組成粉體的基本單元。它宏觀很小,，但微觀卻包含大量的分子和原子；

 （2）粒度：顆粒的大??；

 （3）粒度分布：用一定的方法反映出一系列不同粒徑顆粒分別占粉體總量的百分比；

 （4）粒度分布的表示方法：表格法（區(qū)間分布和累積分布）,、圖形法,、函數(shù)法,，常見的有R-R分布，正態(tài)分布等,；

 （5）粒徑：顆粒的直徑,，一般以微米為單位；

 （6）等效粒徑：指當(dāng)一個(gè)顆粒的某一物理特性與同質(zhì)球形顆粒相同或相近時(shí),，我們就用該球形顆粒的直徑來代表這個(gè)實(shí)際顆粒的直徑,；

 （7）D10，累計(jì)分布百分?jǐn)?shù)達(dá)到10% 所對(duì)應(yīng)的粒徑值,；

         D50,，累計(jì)分布百分?jǐn)?shù)達(dá)到50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑值；又稱中位徑或中值粒徑,；

         D90,，累計(jì)分布百分?jǐn)?shù)達(dá)到90%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑值；

         D（4,3）體積或質(zhì)量粒徑平均值,；

  二,、常用的粒度測(cè)量方法

 （1）篩分法

 （2）沉降法（重力沉降法、離心沉降法）

 （3）電阻法（庫爾特顆粒計(jì)數(shù)器）

 （4）顯微鏡（圖像）法

 （5）電鏡法

 （6）超聲波法

 （7）透氣法

 （8）激光衍射法

  各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)

  篩分法：優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單,、直觀,、設(shè)備造價(jià)低、常用于大于40μm的樣品,。缺點(diǎn)：不能用于40μm以細(xì)的樣品,；結(jié)果受人為因素和篩孔變形影響較大。

  顯微鏡法：優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單,、直觀,、可進(jìn)行形貌分析。 缺點(diǎn)：速度慢,、代表性差,，無法測(cè)超細(xì)顆粒。

  沉降法（包括重力沉降和離心沉降）：優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便,，儀器可以連續(xù)運(yùn)行,，價(jià)格低，準(zhǔn)確性和重復(fù)性較好,，測(cè)試范圍較大,。 缺點(diǎn)：測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)。

  電阻法：優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便,，可測(cè)顆?？倲?shù)，等效概念明確,，速度快,，準(zhǔn)確性好,。 缺點(diǎn)：測(cè)試范圍較小，小孔容易被顆粒堵塞,，介質(zhì)應(yīng)具備嚴(yán)格的導(dǎo)電特性,。

  電鏡法：優(yōu)點(diǎn)：適合測(cè)試超細(xì)顆粒甚至納米顆粒、分辨率高,。 缺點(diǎn)：樣品少,、代表性差、儀器價(jià)格昂貴,。

  超聲波法：優(yōu)點(diǎn)：可對(duì)高濃度漿料直接測(cè)量,。 缺點(diǎn)：分辨率較低。

  透氣法：優(yōu)點(diǎn)：儀器價(jià)格低,，不用對(duì)樣品進(jìn)行分散，可測(cè)磁性材料粉體,。 缺點(diǎn)：只能得到平均粒度值,，不能測(cè)粒度分布。

  激光法：優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便,，測(cè)試速度快,，測(cè)試范圍大，重復(fù)性和準(zhǔn)確性好,，可進(jìn)行在線測(cè)量和干法測(cè)量,。 缺點(diǎn)：結(jié)果受分布模型影響較大，儀器造價(jià)較高,。

  三,、激光粒度分析儀的基本原理

  激光衍射技術(shù)開始于小角散射，因此這一技術(shù)還有以下名稱：

  夫瑯和費(fèi)（Fraunhofer）衍射法

 （近似的）正向光線散射法

  小角度激光散射法（LALLS）

  目前這一技術(shù)范圍已擴(kuò)大,，包括更大角度的范圍內(nèi)的光散射,，除了近似理論如弗瑯和費(fèi)衍射和不規(guī)則衍射外，還應(yīng)用米氏（Mie）理論 現(xiàn)在儀器制造商均已采用Mie理論作為其產(chǎn)品的重要優(yōu)點(diǎn)之一,。

  米氏理論,，是以一個(gè)德國科學(xué)家的名字命名的。它描述了在均勻的,，無吸收的介質(zhì)中均勻球型顆粒及其周圍在全空間的輻射,，顆粒可以是全透明的也可以是*吸收的,。米氏理論描述光散射是一種共振現(xiàn)象,。如果特定波長(zhǎng)的光束遇到一個(gè)顆粒后,，顆粒便產(chǎn)生了與發(fā)射光源相同頻率的電磁振動(dòng)——與光波波長(zhǎng),，顆粒直徑以及顆粒和介質(zhì)的折射率無關(guān),。顆粒調(diào)諧并接收特定的波長(zhǎng)，同時(shí)如同繼電器一樣在特定的空間角度分布內(nèi)重新發(fā)射能量,。按照米氏理論,，可能產(chǎn)生各種概率的多重振動(dòng)狀態(tài),，并且光學(xué)作用的橫斷面與顆粒粒徑,，光波長(zhǎng)和顆粒及介質(zhì)的折射率之間存在著一定的關(guān)系,。如果使用米氏理論,，必須知道樣品和介質(zhì)的折射率和吸收系數(shù),。

  夫瑯和費(fèi)理論,，是以一個(gè)德國物理學(xué)家弗朗和菲德名字命名的,，它基于在顆粒邊緣的散射,，只可應(yīng)用于*不透明的顆粒和小角度的散射,。 當(dāng)顆粒粒徑小于等于波長(zhǎng)時(shí)，夫瑯和費(fèi)假設(shè)消光系數(shù)為常數(shù)將不再適用（它是米氏理論的一種近似,即忽略了米氏理論的虛數(shù)子集,并忽略光散射系數(shù)和吸收系數(shù),，即設(shè)定所有分散劑和分散質(zhì)的光學(xué)參數(shù)均為1,，數(shù)學(xué)處理上要簡(jiǎn)單得多,，對(duì)有色物質(zhì)和小粒子誤差也大得多,。近似的米氏理論對(duì)乳化液也不適用）,。

  激光粒度儀是基于光衍射現(xiàn)象設(shè)計(jì)的，當(dāng)光通過顆粒時(shí)產(chǎn)生衍射現(xiàn)象（其本質(zhì)是電磁波和物質(zhì)的相互作用）,。衍射光的角度與顆粒的大小成反比,。

  不同大小的顆粒在通過激光光束時(shí)其衍射光會(huì)落在不同的位置，位置信息反映顆粒大??；同樣大的顆粒通過激光光束時(shí)其衍射光會(huì)落在相同的位置,。衍射光強(qiáng)度的信息反映出樣品中相同大小的顆粒所占的百分比多少。

  激光衍射法就是采用一系列的光敏檢測(cè)器來測(cè)量位置粒徑的顆粒在不同角度上的衍射光的強(qiáng)度,，使用衍射模型,，通過數(shù)學(xué)反演,，然后得到樣品的粒度分布。

通過該位置檢測(cè)器接收到的衍射光強(qiáng)度,，得到所對(duì)應(yīng)顆粒粒徑的百分比含量,。

  顆粒衍射光的強(qiáng)度對(duì)角度的依賴性是隨著顆粒粒徑的變小而降低，當(dāng)顆粒小到幾百納米時(shí),，其衍射光強(qiáng)對(duì)于角度幾乎*失去依賴性,，即此時(shí)的衍射光會(huì)分布在很寬的角度范圍內(nèi)，而且單位面積上的光強(qiáng)很弱,，這增加了檢測(cè)的難度,。

  實(shí)現(xiàn)對(duì)1um以下及寬粒徑范圍（幾十納米到幾千微米）的樣品的測(cè)量是激光衍射法粒度儀的技術(shù)關(guān)鍵,，概況起來,，目前有以下幾種技術(shù)和光路配置被采用：

  1,、多透鏡技術(shù)

  多透鏡系統(tǒng)曾在二十世紀(jì)八十年代前被廣泛采用,，它使用傅里葉光路配置即樣品池放在聚焦透鏡的前方,，配有多個(gè)不同焦距的透鏡以適應(yīng)不同的粒徑范圍,。優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,，只需要分布于幾十度范圍的焦平面檢測(cè)器,，成本較低,。缺點(diǎn)是如果樣品粒徑范圍寬的時(shí)候需要更換透鏡,，不同透鏡的結(jié)果需要拼合，對(duì)一些未知粒徑的樣品用一個(gè)透鏡測(cè)量時(shí)可能會(huì)丟失信號(hào)或?qū)τ谟捎诠に囎兓瘜?dǎo)致的樣品粒徑變化不能及時(shí)反映,。

  2,、多光源技術(shù)

  多光源技術(shù)也是采用傅里葉光路配置即樣品池在聚焦透鏡的前方,，一般只有分布于幾十度角度范圍的檢測(cè)器,，為了增大相對(duì)的檢測(cè)角度,，使該檢測(cè)器能夠接收到小顆粒的衍射光信號(hào)，在相對(duì)于*光源光軸的不同角度上再配置*或第二激光器,。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是只需分布于幾十度角度范圍的檢測(cè)器,，成本較低,，測(cè)量范圍特別是上限可以比較寬,，缺點(diǎn)是分布于小角度范圍的小面積檢測(cè)器同時(shí)也被用于小顆粒測(cè)量,，由于小顆粒的衍射光在單位面積上的信號(hào)弱,，導(dǎo)致小顆粒檢測(cè)時(shí)的信噪比降低,，這就是為什么多光源系統(tǒng)在測(cè)量范圍上限超過1500微米左右時(shí)，若要同時(shí)保證幾微米以下小顆粒的準(zhǔn)確測(cè)量,，需要更換短焦距的聚焦透鏡。另外,，多透鏡系統(tǒng)在測(cè)量樣品時(shí)，不同的激光器是依次開啟,，而在干法測(cè)量時(shí)，由于顆粒只能一次性通過樣品池,，只有一個(gè)光源能被用于測(cè)量，所以一般采用多透鏡技術(shù)的干法測(cè)量的粒徑下限很難低于250納米 ,。

  3,、多方法混合系統(tǒng)

  多方法混合系統(tǒng)指的是將激光衍射法與其它方法混合而設(shè)計(jì)的粒度儀,，激光衍射法部分只采用分布于幾十度角度范圍的檢測(cè)器，再輔以其它方法如PCS 等,，一般幾微米以上用激光衍射法測(cè)量,，而幾微米以下的顆粒用其它方法測(cè)量,，理論上講粒徑下限取決于輔助方法的下限,，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是成本低，總的測(cè)量范圍較寬,，但因?yàn)椴煌姆椒ㄋ蟮?的測(cè)量條件如樣品濃度等都不一樣，通常難以兼顧,，另外由于不同方法間存在的系統(tǒng)誤差,，在兩種方法的數(shù)據(jù)擬合區(qū)域往往較難得到理想的結(jié)果，除非測(cè)量前已經(jīng)知道樣品粒徑只落在衍射法范圍內(nèi)或輔助方法的范圍內(nèi),。另外多方法混合系統(tǒng)需采用兩個(gè)不同的樣品池,，這對(duì)于濕法測(cè)量來講不是問題，因?yàn)闃悠房梢匝h(huán)，但對(duì)干法而言樣品只能一次性通過樣品池而不能循環(huán),，不能用兩種方法同時(shí)測(cè)量,，因而多種方法混合系統(tǒng)在干法測(cè)量時(shí)的粒徑下限只能到幾百納米。

  4,、非均勻交叉大面積補(bǔ)償?shù)膶捊嵌葯z測(cè)技術(shù)及反傅里葉光路系統(tǒng)

  非均勻交叉大面積補(bǔ)償?shù)膶捊嵌葯z測(cè)及反傅里葉光路系統(tǒng)是二十世紀(jì)九十年代后期發(fā)展起來的技術(shù),，采用反傅里葉光路配置即樣品池置于聚焦透鏡的后面，這樣使檢測(cè)器在極大的角度范圍內(nèi)排列,，一般真正物理檢測(cè)角度可達(dá)150度,，從而使采用單一透鏡測(cè)量幾十納米至幾千微米的樣品成為可能，光路示意圖如圖 所示,，在檢測(cè)器的設(shè)計(jì)上采用了非均勻交叉而且隨著角度的增大檢測(cè)器的面積也增大的排列方式,，既保證了大顆粒測(cè)量時(shí)的分辨率也保證了小顆粒檢測(cè)時(shí)的信噪比和靈敏度。無需更換透鏡及輔助其它方法就可測(cè)量從幾十納米到幾千微米的顆粒,，即使是干法測(cè)量,，其下限也可達(dá)到0.1微米。這種方法的缺點(diǎn)是儀器的成本相對(duì)于前面的幾種方法而言偏高,。

  從激光器發(fā)出的激光束經(jīng)顯微鏡聚焦,、針孔濾波和準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直后，變成直徑約10 mm的平行光束,，該光束照射到待測(cè)的顆粒上,，一部分光被散射，散射光經(jīng)傅里葉透鏡后,，照射到廣電探測(cè)器陣列上,。由于廣電探測(cè)器處在傅里葉透鏡的焦平面上，因此探測(cè)器上的任一點(diǎn)都對(duì)應(yīng)于某一確定的散射角,。廣電探測(cè)器陣列由一系列同心環(huán)帶組成,，每個(gè)環(huán)帶是一個(gè)獨(dú)立的探測(cè)器，能將投射到上面的散射光能線性地轉(zhuǎn)換成電壓,，然后送給數(shù)據(jù)采集卡,，該卡將電信號(hào)放大，在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)后后送入計(jì)算機(jī),。

  現(xiàn)在激光粒度儀的實(shí)際結(jié)構(gòu)已經(jīng)起了很大的變化,，但原理一樣。

  目前人們經(jīng)過研究得出以下結(jié)論： 

 （1）測(cè)量小于1mm的顆粒時(shí),，必須使用米氏理論,；

 （2）測(cè)量大于1mm顆粒時(shí)，如果儀器的測(cè)量下限小于3mm,，則儀器仍然要用米氏理論,，否則在粒度分布的1mm附近會(huì)“無中生有”一個(gè)峰,；

 （3）激光粒度儀可以使用的衍射理論的條件是：儀器的測(cè)量下限大于3mm，或被測(cè)顆粒是吸收型的,，且粒徑大于1mm,；

 (4)作為一臺(tái)通用的激光粒度儀，只要其測(cè)量下限小于1mm,，不論它用來測(cè)量大顆粒還是小顆粒,，都應(yīng)采用米氏理論。

  五,、激光粒度儀的組成

  光源（通常為激光）：用來產(chǎn)生單色的,、相干的和平行的光束；光束處理單元是帶有積分過濾器的一個(gè)光束放大器,，產(chǎn)生一束擴(kuò)展的近乎理想狀態(tài)的光束來照射分散 的顆粒(有固定波長(zhǎng)的相干強(qiáng)光源,。He-Ne氣體激光器（λ=0.63um）。

  顆粒分散裝置（濕法和干法）

  測(cè)量散射譜的探測(cè)器（大量的光電二極管組成）

  計(jì)算機(jī)（用于控制設(shè)備和計(jì)算顆粒粒度分布）

  通過技術(shù)的進(jìn)步,，測(cè)量下限可到0.1um,，有的可達(dá)0.02um

  六、測(cè)試操作步驟

  1,、準(zhǔn)備工作 儀器安裝和分散液體（氣體）

  2,、試樣檢查、準(zhǔn)備,、分散和試樣濃度 檢查顆粒的粒度范圍和顆粒形狀及是否充分分散,；

  3、測(cè)量（選擇合適的光學(xué)模型）

  4,、誤差的來源于診斷 系統(tǒng)的測(cè)量誤差（偏差）,，可來自于不正確的試樣制備、偏離顆粒的理論假設(shè)和/或是由于對(duì)儀器的不適當(dāng)操作和運(yùn)行造成的,；

  七,、常用的激光粒度儀生產(chǎn)廠家

  英國馬爾文激光粒度儀（國外）

  濟(jì)南微納激光粒度分析儀 （山東濟(jì)南）

  歐美克激光粒度儀（珠海）

  丹東激光粒度儀（遼寧）

  八、測(cè)試對(duì)象

  1.各種非金屬粉：如重鈣,、輕鈣,、滑石粉、高嶺土,、石墨,、硅灰石、水鎂石,、重晶石,、云母粉、膨潤土,、硅藻土,、黏土等。

  2.各種金屬粉：如鋁粉,、鋅粉,、鉬粉、鎢粉,、鎂粉,、銅粉以及稀土金屬粉、合金粉等,。

  3.其它粉體：如催化劑,、水泥、磨料,、醫(yī)藥,、農(nóng)藥、食品,、涂料,、染料、熒光粉,、河流泥沙,、陶瓷原料、各種乳濁液等,。