激光粒度仪应用导论之原理篇

        激光粒度仪应用原理介绍
  目前，激光颗粒分析仪在颗粒表征中的应用已经非常广泛。测量对象涵盖固体粉末、悬浮液（包括固-液、气-液和液-液等两相流体）和液滴三种形式的颗粒体系。应用领域包括学术研究机构、技术开发部门和生产监控部门。从台商用仪器诞生至今已有50年，作者在这个方向上从事研发工作近30年。尽管如此，由于被测物体的粒子系统比较抽象，而且激光粒度仪的原理和技术比较复杂，而且本身还存在一些有待改进的问题，笔者觉得 科学技术问题介绍粒度分析仪既流行又专业，可以帮助读者更好地了解、选择和使用产品。这一系列文章的定位很受欢迎。不过，为了让一些希望深入了解该技术的读者获得更多、更深入的相关知识，作者在本文的适当位置添加了“高级知识"。只是想了解激光粒度仪的读者可以跳过这些内容。
  首先需要说明的是，这里所说的激光粒度仪是指基于静态光散射原理的粒度检测设备。目前还有一种粒度分析仪也是基于光散射原理，同样采用激光作为照明光源，但称为动态光散射（DLS）粒度分析仪。前者是根据不同粒径的粒子产生的散射光的空间分布来计算粒径（认为这种分布不随时间变化），后者是通过测量粒径的变化来分析粒径以固定散射角随时间散射光；前者适用于约0.1微米至数千微米的粒子测量，而后者适用于1微米至1纳米（千分之一微米）的粒子测量。激光粒度分析仪英文也叫基于激光衍射法的粒度分析技术。
   【进阶知识1】严格来说，将激光粒度仪的原理描述为“衍射法"是不准确的，甚至会产生误导。从物理上讲，光的衍射和散射是不同的。源于光的波动性的“光的衍射"理论已被实验证实，但尚未从理论上认识到光是一种电磁波。这个时期大约是 19 世纪上半叶。早些时候当时，人们认为光的传播路径是一条直线，就像不受外力作用的粒子作匀速直线运动一样。这个说法在历shi上被称为“光粒子论"。后来人们发现光有波浪形。那时人们所知道的只有水波，所以“颜"字里有水。 “光的衍射"描述的是光波在传播过程中遇到障碍物，会改变原来的传播方向，跑到障碍物后面的现象，所以衍射又称“衍射"。描述衍射现象的理论称为衍射理论。远场衍射理论的近似表述（即在远离障碍物的位置观察衍射）称为“夫琅禾费衍射"。衍射理论没有考虑光场与物质（障碍物）的相互作用，而只是对这种现象的量纲描述，因此是一种近似理论。它只适用于远大于光波长的障碍物（“粒子"就是障碍物）（激光粒度仪使用的光源大多为红光，波长范围为0.6～0.7微米），以及测量散射角范围小于 5° 的情况。
   1870年代麦克斯韦提出电磁波理论后，他发现光也是一种电磁波。光的衍射现象本质上是由电磁场和障碍物相互作用引起的。衍射理论是电磁波理论的近似表达。严格的电磁波理论认为，光在行进过程中遇到障碍物并与之相互作用改变原来的行进方向。这种现象通常称为光散射。电磁波理论可以描述任意大小物体对光的散射，散射光的方向也是任意的。无论是早期还是现在，在用激光粒度仪测量粒度时，都假设颗粒是球形的。如果进一步假设粒子是均匀的和各向同性的，则可以使用严格的电磁波理论推导出散射光场的严格解析解（称为“米氏散射理论"）。
  现在市场上的大多数激光粒度分析仪都使用米氏散射理论作为物理基础。因此，说目前激光粒度仪使用的物理原理是衍射法是不准确的，甚至可能被误认为是早期基于衍射理论的一种仪器。
  第1台商用激光粒度分析仪于1968年设计，虽然当时已经提出了米氏理论，但受当时计算机计算能力的限制，很难用它来快速计算散射各种大小粒子的光场。的价值。因此，当时的激光粒度分析仪采用夫琅禾费衍射理论来计算散射光场，这就是为什么将这一原理称为激光衍射法。这个名字一直沿用至今。然而，“光散射法"一词在世界范围内逐渐增多。