激光粒度儀作為一種新型的粒度測(cè)試儀器，已經(jīng)在其它粉體加工與應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。它的特點(diǎn)是測(cè)試速度快、重復(fù)性好、性好、操作簡(jiǎn)便。對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低能源消耗有著重要的意義。 

一、激光粒度儀的原理 

激光粒度儀是根據(jù)顆粒能使激光產(chǎn)生散射這一物理現(xiàn)象測(cè)試粒度分布的。由于激光具有很好的單色性和*的方向性，所以在沒有阻礙的無(wú)限空間中激光將會(huì)照射到無(wú)窮遠(yuǎn)的地方，并且在傳播過程中很少有發(fā)散的現(xiàn)象。如圖1所示。

圖1激光束在*狀態(tài)下的傳播示意圖

米氏散射理論表明，當(dāng)光束遇到顆粒阻擋時(shí)，一部分光將發(fā)生散射現(xiàn)象，散射光的傳播方向?qū)⑴c主光束的傳播方向形成一個(gè)夾角θ，θ角的大小與顆粒的大小有關(guān)，顆粒越大，產(chǎn)生的散射光的θ角就越小；顆粒越小，產(chǎn)生的散射光的θ角就越大。即小角度(θ)的散射光是有大顆粒引起的；大角度(θ1)的散射光是由小顆粒引起的，如圖2所示。進(jìn)一步研究表明，散射光的強(qiáng)度代表該粒徑顆粒的數(shù)量。這樣，測(cè)量不同角度上的散射光的強(qiáng)度，就可以得到樣品的粒度分布了。

圖2不同粒徑的顆粒產(chǎn)生不同角度的散射光

為了測(cè)量不同角度上的散射光的光強(qiáng)，需要運(yùn)用光學(xué)手段對(duì)散射光進(jìn)行處理。我們?cè)诠馐械倪m當(dāng)?shù)奈恢蒙戏胖靡粋€(gè)富氏透鏡，在該富氏透鏡的后焦平面上放置一組多元光電探測(cè)器，不同角度的散射光通過富氏透鏡照射到多元光電探測(cè)器上時(shí)，光信號(hào)將被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并傳輸?shù)诫娔X中，通過軟件對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理，就會(huì)地得到粒度分布了，如圖3所示。

圖3激光粒度儀原理示意圖

二、水煤漿及其粒度分布特點(diǎn) 

水煤漿作為一種具有流動(dòng)性的潔凈代油燃料，具有濃度高、粒度細(xì)、流動(dòng)性好，燃燒效率高、環(huán)保節(jié)能、存儲(chǔ)安全等優(yōu)點(diǎn)。已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)鍋爐、電站鍋爐和工業(yè)爐窯。除電站、鋼廠、煉化等企業(yè)的大型燃燒設(shè)備外，愈來(lái)愈多的中小型鍋爐（20噸以下）也開始燃用水煤漿。考慮到我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)和現(xiàn)實(shí)國(guó)情，政府正大力鼓勵(lì)水煤漿產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國(guó)家計(jì)委《中國(guó)潔凈煤技術(shù)"九五"計(jì)劃和2010年發(fā)展綱要》、國(guó)家經(jīng)貿(mào)委《節(jié)約和替代燃料油"十五"規(guī)劃》和國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局《國(guó)家環(huán)境保護(hù)"十五"計(jì)劃》中均將水煤漿技術(shù)的應(yīng)用和推廣列為重點(diǎn)，在產(chǎn)業(yè)政策方面予以傾斜。因此水煤漿的產(chǎn)銷前景非常廣闊。 

就水煤漿的粒度測(cè)試而言，有以下三個(gè)方面的特殊問題必須解決： 

1、濃度大。在水煤漿中，煤所占的比例為65％－70％，水的比例為35％－30％，另外還有少量的添加劑。 

由于煤所占的比例較大，又是粘稠狀態(tài)，而激光粒度儀又要求在低濃度（小于0.5%）狀態(tài)下進(jìn)行粒度測(cè)試，因此要求激光粒度儀的循環(huán)系統(tǒng)具有較大的容積和方便的進(jìn)水和排放功能，才能將測(cè)試樣品的濃度控制在合理的范圍內(nèi)，使測(cè)試得以順利進(jìn)行。 

2、粒度分布寬。目前水煤漿的平均粒度一般在50um左右，小粒徑1um，大粒徑達(dá)到600um。也就是說，水煤漿的粒度范圍在1-600um。在這樣一個(gè)很寬粒度范圍內(nèi)，要得到的粒度分布結(jié)果，*要求激光粒度儀的量程要大于水煤漿的粒度范圍；第二光電探測(cè)器要具有很高的靈敏度和穩(wěn)定 性。只有這樣才能粒度測(cè)試的重復(fù)性和性。 

3、顆粒對(duì)光的吸收特性強(qiáng)。水煤漿的顆粒是黑色的，顆粒形狀也很復(fù)雜，對(duì)激光具有很強(qiáng)的吸收特性，而作為有效信號(hào)的散射光則相對(duì)較弱，因此需要配備大功率、高亮度的激光器，以增加有效信號(hào)，提高信噪比。 

4、需要精密自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)和長(zhǎng)壽命的激光器。激光粒度儀是一種精密的光學(xué)儀器。由于水煤漿在生產(chǎn)和使用過程中是連續(xù)進(jìn)行的，粒度測(cè)試作為質(zhì)量控制手段也需要隨生產(chǎn)過程一道連續(xù)進(jìn)行，因此必須提高儀器的自動(dòng)化程度，提高儀器的使用率，減少人工維護(hù)和調(diào)整時(shí)間，降低儀器的故障率。 

三、水煤漿激光粒度儀的研制 

根據(jù)水煤漿粒度測(cè)試的特殊情況，結(jié)合多年的激光粒度儀器的制造經(jīng)驗(yàn)，國(guó)家水煤漿工程技術(shù)中心與丹東百特儀器有限公司合作，經(jīng)過一年多的刻苦攻關(guān)和成百上千次的實(shí)驗(yàn)，終于在2002年下半年研制成功國(guó)內(nèi)*臺(tái)水煤漿的激光粒度儀。該儀器的研制成功，結(jié)束了水煤漿粒度測(cè)試依賴進(jìn)口的歷史。從此國(guó)內(nèi)水煤漿用戶可以用上性能優(yōu)良，價(jià)格低廉、服務(wù)及時(shí)、零配件供應(yīng)充足的激光粒度儀，其綜合性能指標(biāo)達(dá)到了國(guó)外同類儀器的水平。 

1、大容量的、大流量的循環(huán)分散系統(tǒng)。循環(huán)分散系統(tǒng)是激光粒度儀系統(tǒng)中的一個(gè)重要的裝置，它包括蠕動(dòng)循環(huán)泵、超聲波分散器、攪拌器、測(cè)試窗組件、水池與排放裝置等。蠕動(dòng)循環(huán)泵是一種通過對(duì)彈性的硅橡膠管的交替快速擠壓、恢復(fù)來(lái)使樣品流動(dòng)的。由于循環(huán)過程中外力不直接與顆粒接觸，所以不會(huì)對(duì)顆粒造成任何影 響。它的流量達(dá)到2000ml/分鐘，大的水煤漿顆粒也不會(huì)沉淀在管路中。超聲波分散器直接固定在容積為800ml的水池底部，配以功率50W、頻率40KHZ的驅(qū)動(dòng)電路,僅三分鐘就會(huì)使水煤漿顆粒處于良好的分散狀態(tài)。 

由直流電機(jī)和特制的葉片組成的攪拌器，將使水池中的樣品時(shí)時(shí)刻刻處于均勻懸浮狀態(tài)，輸送到儀器中的樣品均勻一致。測(cè)試窗是由石英玻璃制成，具有良好的光學(xué)特性，耐磨擦耐腐蝕，拆卸和安裝極為方便。排放裝置是由特殊設(shè)計(jì)的控制閥和相應(yīng)的管路組成，操作方便、安全可靠、絕不漏水。 

2、拓寬儀器的測(cè)試范圍。常見的激光粒度儀的測(cè)試范圍一般在300um以下，隨著粉體超細(xì)化趨勢(shì)的增長(zhǎng)，激光粒度儀的測(cè)試范圍也在向超細(xì)方向發(fā)展。而水煤漿激光粒度儀在測(cè)試范圍上的主要矛盾則恰恰相反，就是要對(duì)粗端顆粒進(jìn)行有效測(cè)量，測(cè)試上限必須大于700um。通過反復(fù)試驗(yàn)和計(jì)算，我們?cè)O(shè)計(jì)了大口徑長(zhǎng)焦距的富氏透鏡和回折式光學(xué)系統(tǒng)，使測(cè)試范圍達(dá)到0.68-951um，在此范圍內(nèi)的散射信號(hào)都能夠被有效接收，這樣的粒度范圍滿足水煤漿的粒度測(cè)試需要。 

3、大功率的激光器與高靈敏度的光電探測(cè)器陣列。由于水煤漿顆粒對(duì)光的吸收特性強(qiáng)，散射信號(hào)弱，要使散射信號(hào)達(dá)到一定的強(qiáng)度并有效接收，必須提高入射光的強(qiáng)度，提高光電探測(cè)器的靈敏度。為此我們選用了大功率半導(dǎo)體激光器，該激光器的功率是一般激光粒度儀所用激光器的5倍。 

同時(shí)研制成功了具有76個(gè)光電探測(cè)器的高靈敏度的光電探測(cè)器陣列。該器件采用大規(guī)模集成電路的制造工藝，在同一個(gè)硅片上通過多次光刻而成，這樣不僅了光電探測(cè)器的靈敏度，而且在線性范圍內(nèi)每個(gè)光電探測(cè)器的線性度一致。不僅如此，由于采用多達(dá)76個(gè)光電接收器陣列，是儀器的分辨率大大提高。 

4、精密三維自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)和長(zhǎng)壽命的激光器。激光粒度儀是一種精密的光學(xué)儀器。光電探測(cè)器的中心點(diǎn)直徑只有150um。光電探測(cè)器就分布在該中心點(diǎn)外不同半徑的同心圓上。因此對(duì)焦系統(tǒng)稍有偏移，*的匯聚光束就將照射在靠近圓心的光電探測(cè)器上，光電探測(cè)器將處于飽和狀態(tài)，無(wú)法接收有效的散射信號(hào)。在此狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試，將產(chǎn)生錯(cuò)誤的測(cè)試結(jié)果。為此我們研制了精密三維自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括步進(jìn)電機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制軟件等組成。步進(jìn)電機(jī)的控制精度小于10um，可以在電腦控制下隨時(shí)矯正焦點(diǎn)的偏差，使系統(tǒng)始終處于*狀態(tài)。 

激光器是激光粒度儀的關(guān)鍵部件。該器件的質(zhì)量、性能、壽命對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有著至關(guān)重要的影響。本系統(tǒng)所采用的激光器為半導(dǎo)體激光器，它的壽命是一般氦-氖激光器的4倍，并且不需要預(yù)熱，功耗低，可連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作，因此大大降低了儀器的故障率。 

5、軟件系統(tǒng)。激光粒度儀的關(guān)鍵在于如何將散射信號(hào)還原成粒度信息。這個(gè)還原過程就是軟件的運(yùn)行過程。本儀器的軟件全程采用米氏散射理論，充分考慮顆粒的吸收特性，儀器背景、樣品濃度等因素，得到的分析數(shù)據(jù)具有很好的真實(shí)性。此外，通過該軟件可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)量過程，可直觀察測(cè)量過程中樣品濃度、粒度、分散狀態(tài)的變化情況。還具有結(jié)果存儲(chǔ)、查詢、比較、合并、編輯、刪除、幫助等功能功能。打印報(bào)告單具有中、英文六種不同的格式，內(nèi)容包括區(qū)間粒度分布數(shù)據(jù)與直方圖、累計(jì)粒度分布數(shù)據(jù)與曲線、典型粒徑值(如D3、D10、D25、D50、D75、D84、D90、D97、D98)等等。報(bào)告單的格式、版面、顏色、字體可以根據(jù)需要任意編輯。系統(tǒng)采用串行信號(hào)通訊方式，儀器可以與任何型號(hào)的與IBM兼容的電腦相連。