超低下限的在线激光粒度仪的制作方法

1.本实用新型涉及激光粒度测量技术领域，尤其涉及一种超低下限的在线激光粒度仪。


背景技术：

2.随着市场对粉体产品质量要求的不断提高，以及粉体生产设备对智能化需求的日益迫切，粉体粒度的在线检测显得日益重要。激光衍射法粒度分析仪(俗称“激光粒度仪”)是最适合应用于在线粒度测量的仪器品类之一。当前激光粒度仪主要应用于实验室。如果用于在线检测，就要求仪器有更强的抗震能力、更小的体积、更轻的重量。为此，在线激光粒度仪都选用经典的光学结构，即用正常傅里叶变换光学系统。该结构用平行光照射被测颗粒，散射光用一个傅里叶透镜聚焦，如附图1，从激光器1发出一束激光，经过光束处理器2后变成一束纯净的平行光，照射到测量池中的颗粒4上。测量池设有前后两块相互平行的平板玻璃3和5，散射颗粒4分散于两块玻璃之间。光束遇到颗粒4后发生散射。散射光穿过出射玻璃5，照射到傅里叶透镜6(下称“主傅里叶透镜”)上。由多元探测器组成的探测器阵列7(下称“主探测器”)处在透镜6的焦平面上，用来接收散射光。相同角度的散射光经透镜6后被聚焦到探测器7的同一点上。因此主探测器能输出散射光能(光强对每个探测单元的积分)的角度分布信号。散射光能分布信号送给后续的计算机，就可分析计算出颗粒的粒度分布。
3.如图1所示的光学结构，是最先得到应用的激光粒度仪的结构，故被称为“经典结构”。具有成熟、稳定、横截面积小的优点。其主要缺陷是系统能接收的最大散射角受傅里叶透镜6的孔径限制。实践表明，普通傅里叶透镜的最大孔径角(半角)很难超过30
°
，即该系统对散射光的最大接收角为30
°
(空气中看)。如果颗粒被测量时分散在水介质中，那么从介质中看，能被接收的最大散射角22
°
。仪器系统能接收的最大散射角直接限制了该仪器的粒径测量下限。22
°
的最大散射角约对应于0.5微米的测量下限(假设空气中的激光波长为0.633微米)。
4.为突破镜头孔径的限制，有人在实验室仪器中提出了双镜头结构的激光粒度仪，见附图2。这种结构在通常的傅里叶透镜6之外，增设了一个离轴、倾斜放置的会聚镜头作为副镜头10，用以接收超出主傅里叶透镜接收范围的散射光，可将空气中的最大散射角(即空气中的散射光相对于主光轴8的角度)扩大到40
°
左右，对应于水中的散射角29
°
。该角度对应于0.4微米左右的测量下限。双镜头结构的仪器体积较大，还未见用到在线粒度仪中。
5.综上所述，当前的在线激光粒度仪，都采用经典的傅里叶光学系统，其测量下限约为0.5微米；即使进行了双镜头改进，也只能将测量下限扩展到0.4微米左右，而且导致体积显著增大。如果仪器的测量对象，比如墨水，平均粒径小于0.3微米，那么现有技术的在线检测仪器就难以满足需求。


技术实现要素：

6.本实用新型的主要目的在于解决目前的在线激光粒度不能接收较大角度的散射
光，从而无法扩展颗粒直径测量下限至0.4微米以细的问题，提供了超低下限的在线激光粒度仪。
7.其中，超低下限的在线激光粒度仪，包括
8.一种超低下限的在线激光粒度仪，包括依次设置的激光器、光束处理器、测量池、主傅里叶透镜和主光电探测器，所述光束处理器用于将激光器发出的激光束变成光斑均匀、平行出射的照明光、所述测量池用于放置待测颗粒，并且所述测量池设置有前后两块相互平行的平板玻璃，照明光从前玻璃入射，遇到待测颗粒后发生散射，散射光从后玻璃出射，其中，被不同颗粒散射但有相同散射角度的散射光经过所述主傅里叶透镜后被聚焦成一点，落在位于主傅里叶透镜的焦平面上的主光电探测器上；
9.其特征在于：还包括n个副透镜和分别置于副透镜后焦平面上的数量相同的次光电探测器，其中，n≥2，n个副透镜设置在所述主傅里叶透镜的一侧，且每个副透镜的中心光线都来自测量池的中心，并对应于不同的散射角，副透镜及对应的探测器用于接收从后玻璃出射的大于主傅里叶透镜接收范围的不同角度的散射光，且n个副透镜布设的位置保证各个副透镜之间不相互遮挡且对应的散射角依次增大。
10.进一步地，所述测量池的前后两块平板玻璃相对于仪器系统的主光轴倾斜放置，且n个副透镜布设于玻璃平面与系统主光轴成钝角的上方象限内。
11.进一步地，主傅里叶透镜为单片的平凸透镜，其凸面对着照明光的传播方向，平面对着主光电探测器，其对着照明光方向的截面呈类矩形，其光学中心在主光轴上。
12.进一步地，所述副透镜的口径不大于主傅里叶透镜的直径。
13.进一步地，所述副透镜为凸透镜。
14.本实用新型的有益效果：大大提高了颗粒直径的物理测量下限，而且，减小了粒度仪的体积，减小了重量，提升了仪器的稳定性。
附图说明
15.图1为现有技术的结构示意图；
16.图2为现有技术的改进结构示意图；
17.图3为本实用新型实施例的结构示意图。
18.图4为本实用新型实施例的主傅里叶透镜的剖面图和主视图。
具体实施方式
19.本实用新型实施例提供了一种超低下限的在线激光粒度仪。
20.本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等(如果存在)是为了结合附图便于说明，在实际条件变化的时候，是可以变化的。应该理解这样使用的语言在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够除了在这里图示或描述的内容以外的顺利实施。此外，术语“包括”或“具有”及其任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
21.为便于理解，下面对本实用新型实施例的系统及方法的具体流程进行描述。
22.如图3所示，一种超低下限的在线激光粒度仪，包括依次设置的激光器、光束处理器、测量池、主傅里叶透镜和主光电探测器，所述光束处理器用于将激光器发出的激光束变
成光斑均匀、平行出射的照明光、所述测量池用于放置待测颗粒，并且所述测量池设置有前后两块相互平行的平板玻璃，照明光从前玻璃入射，遇到待测颗粒后发生散射，散射光从后玻璃出射，其中，被不同颗粒散射但有相同散射角度的散射光经过所述主傅里叶透镜后被聚焦成一点，聚焦点落在位于主傅里叶透镜的焦平面上的主光电探测器上，主光电探测器由多个独立的探测单元组成；还包括n个副透镜和置于副透镜后焦平面上的数量相同的次光电探测器，副傅里叶透镜和对应的光电探测器的数量n选择两个及以上，副透镜均采用凸透镜，n个副透镜设置在所述主傅里叶透镜的一侧，且每个副透镜的主光线都来自测量池的中心。副透镜用于对从后玻璃出射的大于主透镜接收范围的不同散射角的散射光分别进行会聚，会聚后的散射光被置于副透镜后焦面的探测器所接收。n个副透镜布设的位置保证各个副透镜之间不相互遮挡且对应的散射角依次增大。
23.通过在主傅里叶透镜的一侧设置的多个副透镜，扩大了散射光的角度接受范围。另外，根据实际情况，通过选择副透镜的数量、位置，可以最大限度地增加散射光的接收范围和分布信息。
24.另外，由于分散待测颗粒用的液体介质的光学折射率总是大于空气折射率，因此如果按照传统的方法，测量池的窗口玻璃相对系统主光轴8垂直放置，那么光的散射角等于该散射光对玻璃的入射角，散射光出射到空气后，空气中看的散射角总是大于介质中的散射角。空气中的最大前向散射角为90
°
(实际上空气中的接收角不可能达到90
°
，常见最大角为70
°
，对应水中45
°
)，对应于水介质中的最大散射角大约为48
°
。介质中的散射角再增大时，将发生全反射，即散射光不能出射到空气中。为了进一步扩大散射光的接收范围，所述测量池的前后两块平板玻璃与系统的主光轴8倾斜放置，且n个副透镜布设于玻璃平面与系统主光轴成钝角的上象限内。这种倾斜带来的好处是：如果窗口倾斜度为θ，那么液体介质中的散射光对玻璃的入射角就会减小其中n为介质的折射率。举例来说，窗口倾斜30
°
，如介质为水(折射率1.33)，那么上述入射角的减小量为22
°
，如果原来最多只能让45
°
的散射光出射，那么现在就能让67
°
的散射光出射。
25.另外，所述副透镜的口径不大于主傅里叶透镜的直径，例如直径为10mmm的小口径的副镜头11-1，11-2,
…
。在每个副镜头的后焦平面上分别放置一个光电探测器12-1，12-2,...，
26.所述主傅里叶透镜是单片的平凸透镜，其凸面迎着光的入射方向。其通光孔径不是传统形式的圆形孔径，而是如图4(b)所示的类矩形孔径。图4(a)是所述主傅里叶透镜的剖面图，图4(b)是其正视图(顺着照明光的传播方向看)。与该透镜在光学功能上等效的传统透镜的孔径是图4(b)中虚线及一段实弧线所组成的完整的圆。在本实用新型中，其孔径改成了图4(b)中实线所示的类矩形，其左、右、下三个边为直线，上边为直径为d(见图4(a))的一段弧线，它是传统的孔径为d的透镜孔径边缘的一部分。孔径d的大小由系统主傅里叶透镜需接收的最大散射角决定，而矩形的宽度a和透镜中心o以下的保留宽度b由主探测器7的形状和尺寸决定。此设计在保证主光电探测器能充分接收进入主傅里叶透镜的散射光的前提下，最大限度地简化了镜头的结构，增大了主傅里叶透镜的接收角，减小了透镜的体积和重量。大接收角的单片镜看似存在对较大角度的散射光不能良好聚焦的缺点，但该缺点可以通过在仪器系统的计算机软件中预置像差予以补偿，不会影响系统的性能。
27.仪器系统对进入空气的散射光的最大接收角只受最后一个副透镜的摆放角度的限制，如本实施例附图3中的11-3，能最大限度地接收出射到空气中的散射光。本实施例对散射光的最大接收角可达67
°
(从测量池内的介质中看)，粒度测量下限可扩展到0.2微米。附图3中的副透镜的数量为3个，但在必要时可增可减。
28.以上所述，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。