一种带环形测量池的激光粒度分析仪的制作方法

本发明涉及仪器仪表领域，特别涉及一种带环形测量池的激光粒度分析仪。

背景技术：

激光粒度分析仪是利用颗粒光散射原理测量乳液、粉体材料和液体喷雾的粒度分布的仪器。它出现在激光器诞生以后，至今已有50年左右的历史。由于颗粒越小，散射角越大；为了扩展仪器的测量下限，必须扩大散射角的测量范围。传统上，都用两块相互平行的平板玻璃组成测量池，把待测颗粒悬浮在两块玻璃之间。由于用于悬浮待测颗粒的介质多为液体，而液体的折射率大于空气，因此当散射角大于一定范围，散射光就不能出射到空气中，从而限制了小颗粒的测量。散射角大于临界角的散射光，被全反射，不能出射到空气中，而不能被探测器接收、测量。以水介质为例，临界角为47.87°。如果采用传统的技术，能被测量到的最大散射角小于临界角，测量下限只能达到0.3μm左右。

为了扩大角度测量范围，人们提出了各种方法，比如多光束技术。该技术方案中，除了原有的主入射光之外，另外增加一束斜入射的照明光，被该光束照明的颗粒产生的较大角散射光相对于后玻璃的入射角仍未超过水-空气等效界面的临界角，故仍能出射到空气中，从而被接收。这种技术中，斜入射照明光只能用于测量大角(例如45°以上)散射光，而主入射光只能用来测量小角散射光。进行粒度数据反演计算前，必须把大角和小角散射光的数据先拼接在一起。由于照明光束不同，数据的拼接往往很难做得很光滑，因此给数据反演带来困难。

另外也有人提出用梯形窗口技术解决全反射的问题。它是用一块梯形玻璃代替了传统测量池中的后侧平板玻璃。该方案可以用单光束照明，比前述的双光束方法简洁。大角散射光从玻璃往空气出射时，原先的平行面变成了斜面，减小了光线对玻璃—空气界面的入射角，从而避免了全反射的发生。小角散射光则从平行面出射。其缺点是斜面出射的光和平行面出射的光有一部分会在空气中的同一区域叠加，相互干扰。为了解决这一问题，必须增加较复杂的机械结构。

圆柱透镜窗口技术(专利授权公告号：CN202281738U)也是一种超临界角散射光出射问题的解决方案，使45°—135°的散射光能够出射到空气中，从而被探测到。激光器发出的照明光顺着平板玻璃之间的狭缝照射到测量区，含有被测颗粒的悬浮液处在狭缝中。大角散射光透过平板玻璃，并被胶合在上面的柱面镜聚焦。探测器阵列处在柱面镜的焦面上。据发明人称，这种方案适用于测量45°以上的散射光，小角度的散射光不知如何接收。

申请号201310186026.5的专利文献(以下简称“文献2”)提出了一种检测水中乳化油含量的方案。该方案把待测乳化液置于圆桶形(即本专利所称的“环形”)测量池中，采用近红外的半导体激光器作光源，把光照射到测量池内，光线遇到待测颗粒后，会发生散射。用多单元的光电探测器阵列测量小角散射光，然后根据散射光的分布计算水中乳化液的含量。此方案与本专利的方案从表面看非常相似，主要表现在：(1)测量对象都是水中的颗粒物；(2)都采用了圆筒形测量池；(3)都是测量散射光的分布。但从效能和思路看，两种方案有着显著差异：该专利声称只测量小角散射光，所以我们可以判断，它只利用了圆筒的液体承载功能和透明特性。如果把这个圆筒换成矩形、半圆形等其他形状的透明容器，也能实现该专利所称的相同效果。实际上从光学的专业角度看，测量池用两块平行成间隔设置的平板玻璃方案更加合适。

综上所述，现有的激光粒度仪存在着散射光探测范围小、或者数据反演困难、或者结构复杂等诸多不足。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种带环形测量池的激光粒度分析仪，其能够实现单光束照明的条件下，0°到180°散射光的连续探测，并实现足够精度的聚焦，克服了现有技术的诸多不足。其测量上限可以保持现有技术的水平，而测量下限则可以顺利达到20nm，即0.02μm(峰值位置)。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为一种带环形测量池的激光粒度分析仪，包括激光器、透镜、针孔(带微孔的金属薄片)、柱面镜、环形测量池、探测器组件、机架；

所述探测器组件包括中心探测器、主探测器、若干个大角探测器；

所述激光器、透镜、针孔、柱面镜、环形测量池和主探测器在同一光轴上并依次设于机架之上；

所述大角探测器以环形测量池为中心成环形布设，中心探测器设于主探测器之后；

所述环形测量池为圆柱体结构的玻璃环柱，其中部设有圆柱形内腔，用于盛放液体，由柱面镜、环形测量池的玻璃壁和其内腔所盛的液体组成了一个透镜组，从针孔发出的光线经该透镜组能够聚焦于主探测器的中心；

所述针孔为带微孔的金属薄片。

所述柱面镜为平凸柱面透镜；

所述柱面镜的光学参数和摆放位置、环形测量池的内外径和玻璃的折射率，应选择合适的数值，使得从所述针孔中心发出的光线经过所述柱面镜、环形测量池的前后池壁和池内腔所盛放的液体后，能够聚焦在主探测器的中心孔上。

优选的，所述环形测量池内腔顶部通过导管连通样品池，所述样品池包括搅拌器、超声换能器；

所述环形测量池内腔底部通过导管连接有吸水泵、循环泵、电池阀；

在典型情况下针孔到测量池的中心的距离与主探测器的中心孔到测量池的中心的距离相等。

大角探测器所环布的圆环半径与测量池中心到主探测器中心孔或针孔的距离相等。

其工作原理为：激光器发出一束激光，经透镜聚焦，穿过位于透镜焦面上的针孔，再经过柱面镜，照射到环形测量池，穿过池壁再照射到池内的颗粒上。照明光的一部分被颗粒散射，一部分按原来的传播方向继续前行，再次穿过环形测量池的环形玻璃，被聚焦在主探测器的中心孔上，再穿过该中心孔，照射到中心探测器上。照明光束穿过针孔后所遇到的柱面镜，环形测量池的透明池壁和池内的液体柱，组成了一个透镜组。针孔中心和主探测器的中心对于该透镜组互为物象。被颗粒散射的光将偏离原来的传播方向，射向测量池的环形玻璃池壁，穿过池壁后，照射到主探测器阵列的各单元和大角探测的各单元上。典型情况下，大角探测器的各单元和主探测器的中心以及针孔的中心处在同一圆周上。照射到各探测单元上的散射光被转换成电信号后，经过数据采集系统变成数字信号，再传输到计算机。计算机根据散射光的分布，反演计算出颗粒的尺寸分布。

采用上述技术方案，由于环形测量池的设置，使得散射光穿过池壁进入空气的过程中避免了全反射，解决了大角散射光和小角散射光的出射和接收问题。

由于环形测量池结构是利用它的池壁的圆环特点和池内悬浮介质的圆柱特点，同时解决大角散射光和小角散射光的出射和接收问题。其圆环特征，池内中心附近任意方向的散射光都以近似垂直的角度入射到池壁，因此规避了全反射的问题。在小角方向，本方案利用池内液体及池壁玻璃的柱面镜效应，以及在入射光路上增加的一个柱面透镜，实现了入射光及小角散射光在主探测平面上的良好聚焦，同时也实现了大角散射光的出射和适当聚焦，简化了仪器的结构。

附图说明

图1为本发明的一种带环形测量池的激光粒度分析仪的结构示意图；

图2为散射光的出射和接收示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，一种带环形测量池的激光粒度分析仪，包括激光器1、透镜2、针孔3、柱面镜4、环形测量池5、探测器组件、机架；激光器1、透镜2、针孔3(带微孔的金属薄片)、柱面镜4、环形测量池5在同一光轴上并依次设于机架之上；探测器组件包括中心探测器61、主探测器62(包含33个独立的探测单元)、若干个大角探测器63，大角探测器63以环形测量池5为中心成环形布设，中心探测器61设于主探测器62之后；

所述针孔3为带微孔的金属薄片；

所述环形测量池5为圆柱体结构的玻璃环柱，其中部设有圆柱形内腔，内腔导通两端面，腔内可盛放液体和被测颗粒组成的混合液；

所述针孔3、环形测量池5、主探测器62设置于同一光轴上；

所述柱面镜4为平凸柱面透镜；

优选的，所述环形测量池5内腔顶部通过导管连通样品池，所述样品池包括搅拌器、超声换能器；

所述环形测量池5内腔底部通过导管连接有吸水泵、循环泵、电池阀；

在典型情况下针孔3到环形测量池5的中心的距离与主探测器62的中心孔到环形测量池5的中心的距离相等。

如图所示，从激光器1发出一束激光，经透镜2聚焦，穿过位于透镜2焦面上的针孔3，再经过柱面镜4(其剖面图如41)，照射到环形测量池5，穿过池壁再照射到池内的颗粒7上。照明光的一部分被颗粒7散射，一部分按原来的传播方向继续前行，再次穿过环形测量池5的环形玻璃，被聚焦在主探测器62的中心孔上，再穿过该中心孔，照射到中心探测器61上。照明光束穿过针孔3后所遇到的柱面镜4，环形测量池5的透明池壁和池内的液体柱，组成了一个透镜组。针孔3的针孔中心和主探测器62的中心对于该透镜组互为物象。被颗粒散射的光将偏离原来的传播方向，射向测量池5的环形玻璃池壁，穿过池壁后，照射到主探测器62的各单元和大角探测63的各单元上。典型情况下，大角探测器63的各单元和主探测器62的中心以及针孔的中心处在同一圆周上。照射到各探测单元上的散射光被转换成电信号后，经过数据采集系统变成数字信号，再传输到计算机。计算机根据散射光的分布，反演计算出颗粒的尺寸分布。

如图2所示，带环形测量池的激光粒度分析仪使得从环形测量池5的中心(即圆柱的中心)发出的任意方向(例如散射角为θ)的散射光，入射到池壁玻璃的表面时，入射角均为0，因而能够顺利出射到空气中。其他位置发出的相同角度的散射光，通过液体柱和池壁组成的等效柱面镜的折射作用，也能出射到空气中，并且与中心散射光在相应探测单元(例如，大角探测器63)上聚焦。当散射角很小，散射光将在主探测器62中心孔的附近实现理想聚焦。对大角散射光，例如散射角θ为60°，虽然不同位置发出的散射光聚焦不够理想，但聚焦的误差(像差)造成的角度测量误差相对于散射角而言可以忽略。所以本专利能够实现单光束照明的条件下，0°到180°散射光的连续探测，并实现足够精度的聚焦，克服了现有技术的诸多不足。采用上述技术后，激光粒度仪的测量上限可以保持现有技术的水平，而测量下限则可以顺利达到20nm，即0.02μm(峰值位置)。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。