專(zhuān)利名稱(chēng)：一種三光束單鏡頭激光粒度儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種粉體粒度測(cè)量的儀器，尤其涉及一種新型的激光粒度測(cè)量?jī)x器。
背景技術(shù)：
激光粒度儀己經(jīng)成為目前最流行的粉體粒度測(cè)量?jī)x器。現(xiàn)有技術(shù)中的激光粒度儀， 沿著光路前進(jìn)的方向，通常依次包括 一激光器，在激光器內(nèi)包括激光管，用以發(fā)射 光源；激光器里還有透鏡，用以聚焦光束；空間濾波器(針孔)，用以過(guò)濾激光束的(空 間)高頻分量；準(zhǔn)直透鏡，此光束經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡后變成平行光； 一個(gè)或多個(gè)富里葉透鏡， 平行光束經(jīng)過(guò)它后變成會(huì)聚光； 一樣品池，該樣品池通常與循環(huán)系統(tǒng)相連形成通路，樣 品池是四周密封兩端與管路相連，兩個(gè)透光面是玻璃的，粉體樣品(懸浮液)流過(guò)樣品 池時(shí)，激光從一個(gè)面透過(guò)玻璃照射到被測(cè)顆粒上，散射光從另一個(gè)面射出； 一組由多個(gè) 環(huán)形或扇形測(cè)量單元組成的光電探測(cè)器。當(dāng)樣品池內(nèi)沒(méi)有被測(cè)顆粒時(shí)，入射光全部聚焦 到光電探測(cè)器的中心；當(dāng)樣品池內(nèi)有樣品顆粒時(shí)，有顆粒產(chǎn)生的一部分散射光將被聚焦 到其他測(cè)量單元上； 一信號(hào)放大和傳輸電路， 一數(shù)據(jù)分析和輸出裝置，通常為計(jì)算機(jī)， 用以分析散射光能分布數(shù)據(jù)，得出被測(cè)樣品的粒度分布結(jié)果。
目前市場(chǎng)上的激光粒度儀有單光束單鏡頭粒度儀、單光束多鏡頭粒度儀、多光束多 鏡頭粒度儀，上述不同粒度儀在性能、價(jià)格方面主要差異是
單光束單鏡頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低，品種很多，應(yīng)用廣泛，量程較小，是目前國(guó)內(nèi)外
經(jīng)濟(jì)型激光粒度儀普遍采用的技術(shù)。
單光束多鏡頭結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，量程有所擴(kuò)大，價(jià)格較低，品種較多，是在"單光束 單鏡頭"的基礎(chǔ)上的改進(jìn)型。各鏡頭光學(xué)特性的差異可能對(duì)測(cè)量精度帶來(lái)影響。
多光束多鏡頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，量程寬，價(jià)格高，是國(guó)外高性能激光粒度儀普遍采用的技 術(shù)。各鏡頭光學(xué)特性的差異可能對(duì)測(cè)量精度帶來(lái)影響。
目前尚未見(jiàn)有多光束單鏡頭粒度儀的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有激光粒度儀的缺陷，提出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，量程寬，成本低、精度高的激光粒度儀。
本發(fā)明所采用的主要技術(shù)方案是
本發(fā)明一種三光束單鏡頭激光粒度儀，包括激光器、樣品池、光電探測(cè)器、控制系 統(tǒng)。其特征在于三個(gè)光束分別是由三個(gè)半導(dǎo)體激光器發(fā)出，前向激光器安裝在樣品池 前的水平方向，發(fā)出的光束是沿著水平方向照射的平行光束；側(cè)向激光器安裝在前向激
光器一側(cè)，發(fā)出的光束是沿著與水平方向光束成一定角度照射的平行光；后向激光器安 裝在匯聚鏡頭后側(cè)，后向激光器前置有補(bǔ)償透鏡，后向激光器發(fā)出的光束是沿著與水平 方向光束的逆向成一定角度照射，在樣品池后裝有匯聚鏡頭，在匯聚鏡頭的焦平面上置
有光電探測(cè)器，光電信號(hào)通過(guò)與^:相連的控制系統(tǒng)輸入到計(jì)算機(jī)中，在計(jì)算機(jī)內(nèi)裝有相 應(yīng)的粒度分析軟件。 匯聚鏡頭。
本匯聚鏡頭由4片3組透鏡構(gòu)成，每片透鏡均為月牙形，且凹面朝向樣品池一側(cè)。 其中第一組與第三組為正焦距，第二組膠合透鏡為負(fù)焦距，各組透鏡的參數(shù)滿(mǎn)足fl、f2 gf3、 r5^r3-厶3—5,式中fl、 f2、 fi、分別為第一組、第二組及第三組鏡頭的焦距，r3、 r5分別為第3面及第5面的曲率半徑，A3—5為第3面至第5面的間隔。
本匯聚鏡頭中的第二組膠合面(面4)的高折射率側(cè)蒸鍍折射率為1.6~1.8、厚度為 X/4的增透膜。
前向激光器和側(cè)向激光器是紅光半導(dǎo)體激光器，激光波長(zhǎng)為635nm。后向激光器是 藍(lán)光激光器，激光波長(zhǎng)為405nra。
散射光光電探測(cè)器 一種扇形/矩形混合結(jié)構(gòu)，其中中心兩側(cè)是90。扇形交叉排列， 右邊分別是45°扇形和15°扇形連續(xù)排列，左邊是矩形連續(xù)排列，中心點(diǎn)上下各有6 個(gè)30°扇形連續(xù)排列的探測(cè)器。
補(bǔ)償透鏡折射率為1.47502 1.67502，色散系數(shù)31.6 51.6,兩個(gè)面的曲率半徑 分別是63. 949091和111.660704。
本發(fā)明的有益效果是，由于本發(fā)明是以一個(gè)性能獨(dú)特的匯聚鏡頭、三束不同方向的 激光、扇形/矩形組合結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器、樣品池、控制系統(tǒng)組成。三個(gè)從不同方向照 射到樣品池上的光束，所產(chǎn)生前向、側(cè)向和后向散射光通過(guò)匯聚鏡頭匯聚到光電探測(cè)器 上。匯聚鏡頭不僅能大視場(chǎng)角收集散射光，還在保證中心視場(chǎng)角散射光(軸上)的成像 的質(zhì)量達(dá)到衍射極限的同時(shí)盡量減少場(chǎng)曲，最大限度的提高大視場(chǎng)角散射光(軸外)的 成像的質(zhì)量，配合大尺寸光電^l測(cè)器，因此，光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，體積減小，成本降低。測(cè)試范圍擴(kuò)大，并且克服由于多鏡頭之間的差異帶來(lái)的誤差，測(cè)量精度高。


圖1是本發(fā)明激光粒度儀的結(jié)構(gòu)示意圖
圖2是圖1中匯聚鏡頭結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是圖1中散射光光電探測(cè)器組合結(jié)構(gòu)示意圖，
圖4是本發(fā)明激光粒度儀的結(jié)構(gòu)和光路示意圖
圖中l(wèi)前向激光器 2側(cè)向激光器 3后向激光器 4樣品池 5匯聚鏡頭 6前向光電探測(cè)器 7側(cè)向激光探測(cè)器 8逆向激光探測(cè)器 9散射光探測(cè)器 IO補(bǔ)償透鏡 11殼體12計(jì)算機(jī)
Fl平行光束F2側(cè)向光束F3逆向光束 F散射光
具體實(shí)施例方式
結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和光路原理
一種三光束單鏡頭激光粒度儀，三個(gè)光束分別是由三個(gè)半導(dǎo)體激光器發(fā)出，其中第 一個(gè)光束是前向激光器1發(fā)出的沿著水平方向照射的平行光束F1;第二個(gè)是由側(cè)向激光 器2發(fā)出的側(cè)向光束F2，是沿著與水平方向光束成一定角度照射的；最后一個(gè)是由后向
激光器3發(fā)出的逆向光束F3是沿著與水平方向光束的逆向成一定角度照射。三光束單 鏡頭激光粒度儀的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖l,三光束單鏡頭激光粒度儀包括常規(guī)激光粒度儀的樣品池、 控制系統(tǒng)。在殼體U內(nèi)，前向激光器1安裝在樣品池4前水平方向，在樣品池4后面 裝有匯聚鏡頭5，該鏡頭是由4片3組透鏡構(gòu)成(圖2)，每片透鏡均為月牙形，且凹面 朝向樣品池一側(cè)。其中第一組即第一片透鏡(面1，面2)與第三組即第四片透鏡(面6， 面7)為正焦距，第二片和第三片透鏡(面3，面4，面5)組成第二組膠合透鏡，為負(fù) 焦距，第二組膠合面(面4)的高折射率側(cè)蒸鍍折射率為1.7、厚度為A/4的增透膜。膠 合面鍍?cè)鐾改さ哪康氖菫榱嗽黾油腹饴?，減少膠合面的反射率和鏡片本身所產(chǎn)生散射 光。
各組透鏡的參數(shù)滿(mǎn)足fl、f2^f3、 r5^r3-A3—5，式中fl、 ￡2、 f3、分別為第一組、 第二組及第三組鏡頭的焦距，r3、 r5分別為第3面及第5面的曲率半徑，厶3—5為第3 面至第5面的間隔。這樣設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)角收集散射光，在保證中心視場(chǎng)角散 射光(軸上)的成像的質(zhì)量達(dá)到衍射極限的同時(shí)盡量減少場(chǎng)曲，最大限度的提高大視場(chǎng) 角散射光(軸外)的成像的質(zhì)量。
本匯聚鏡頭5的作用是同時(shí)接收三個(gè)方向光束所產(chǎn)生的散射光并將這些散射光匯聚到焦平面的匯聚鏡頭。三個(gè)方向的光束分別來(lái)自正入射角O。、斜入射角3(T和背后入 射角215° 。正、斜入射的兩種紅激光波長(zhǎng)都為635mn、背后入射的藍(lán)激光波長(zhǎng)為405rnn。 當(dāng)樣品池中有顆粒時(shí)，由三個(gè)光束產(chǎn)生的散射光都將通過(guò)匯聚鏡頭匯聚到焦平面上。在 焦平面上的散射光的像高與散射光角度的關(guān)系為h-Pi^tan(e/2)，式中h為像高，n為 水的折射率，9為散射角，f為匯聚鏡頭的焦距。
前向激光器1發(fā)出的主光束是沿著水平方向照射的平行光束F1，穿過(guò)樣品池和匯聚 鏡頭后入射到光電探測(cè)器中心孔中，由中心孔后的光電探測(cè)器6接收；側(cè)向激光器2安 裝在前向激光器1 一側(cè)，發(fā)出的側(cè)向主光束F2是沿著與水平光束Fl成30°角度照射， 穿過(guò)樣品池和匯聚鏡頭后照射到光電探測(cè)器7上。前向激光器1和側(cè)向激光器2是由激 光管、透鏡、針孔裝置、準(zhǔn)直鏡組成，輸出的光束是平行光，激光管是紅光半導(dǎo)體激光 管，波長(zhǎng)是635nm，后向激光器3安裝在匯聚鏡頭5和補(bǔ)償透鏡10的后下方，后向激光 器3與補(bǔ)償透鏡成非共軸設(shè)置，發(fā)出的逆向光束F3是沿著與水平光束Fl的逆向成35 度角照射。光束F3經(jīng)過(guò)補(bǔ)償透鏡后變成一定角度的發(fā)散光束，發(fā)散光再經(jīng)匯聚鏡頭形 成平行光照射到樣品池上，這個(gè)平行主光束一部分穿過(guò)樣品池照射到光電探測(cè)器8上， 一部分由樣品池反射到光電探測(cè)器9上。激光器3中的激光管是藍(lán)光半導(dǎo)體激光管，波 長(zhǎng)是405nm，激光器3與補(bǔ)償透鏡成非共軸光路，光束是呈一定角度的發(fā)散光束，經(jīng)匯 聚鏡頭后變成平行光進(jìn)入樣品池，可以產(chǎn)生最大角度達(dá)156度的散射光。由于藍(lán)激光束 同時(shí)通過(guò)匯聚鏡頭和補(bǔ)償透鏡的邊緣，所以正好抵消彼此產(chǎn)生的像差。
三個(gè)光束都通過(guò)樣品池4和匯聚鏡頭5。在匯聚鏡頭5的焦平面的后面放置一個(gè)前 向光電探測(cè)器6，在鏡頭5的焦平面下側(cè)置有一個(gè)側(cè)向光電探測(cè)器7，在鏡頭5前焦平 面一側(cè)置有逆向光電探測(cè)器8，在鏡頭5的后焦平面上置有一組散射光電探測(cè)器9，見(jiàn) 圖3，本光電探測(cè)器是由一系列光電池組成的用來(lái)將散射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的光電探 測(cè)器陣列，所采用結(jié)構(gòu)是扇形/矩形混合結(jié)構(gòu)，中心處是30微米的小孔，小孔左右兩邊 是交叉排列的90°扇形探測(cè)器，共有46個(gè)，中間是45°連續(xù)排列的扇形探測(cè)器，共有 9個(gè)，右側(cè)是15°連續(xù)排列的扇形探測(cè)器，共有7個(gè)。左側(cè)是連續(xù)排列的矩形探測(cè)器， 共15個(gè)。小孔上下兩側(cè)各有6個(gè)(共12個(gè))30°扇形對(duì)稱(chēng)連續(xù)排列的探測(cè)器，用于測(cè) 量顆粒形狀和對(duì)中標(biāo)志。
各光電探測(cè)器信號(hào)通過(guò)與之相連的轉(zhuǎn)換傳輸和處理電路輸入到計(jì)算機(jī)12中，在計(jì) 算機(jī)12內(nèi)裝有相應(yīng)的粒度分析軟件。
參照?qǐng)D4說(shuō)明樣品檢測(cè)程序把待測(cè)樣品(懸浮液或乳濁液)輸送到樣品池4中，前向光束Fl、側(cè)向光束F2及逆向光束F3以間歇方式照射到盛有待測(cè)樣品的樣品池4 后，每個(gè)激光束都將產(chǎn)生與顆粒大小和含量相關(guān)的不同角度的散射光F，這些散射光F 都通過(guò)匯聚鏡頭匯聚到焦平面上。匯聚鏡頭起兩個(gè)作用， 一是將前向、側(cè)向、后向的散 射光匯聚到光電探測(cè)器上，二是對(duì)前向主光束Fl和前側(cè)向主光束F2這兩個(gè)平行激光束 起匯聚作用；對(duì)逆向光束F3起準(zhǔn)直作用。在匯聚鏡頭的后焦平面上放置的光電探測(cè)器9, 將光電探測(cè)器信號(hào)通過(guò)與之相連的轉(zhuǎn)換傳輸和處理電路輸入到計(jì)算機(jī)12中，并通過(guò)粒 度分析軟件進(jìn)行分析，從而得出粒度分布。由于匯聚鏡頭和光電探測(cè)器可以同時(shí)接收前 向、側(cè)向和后向散射光，并采用短波長(zhǎng)的藍(lán)光激光器，使本系統(tǒng)的理論測(cè)量范圍達(dá)到 0. 01 2000nra。
權(quán)利要求
1一種三光束單鏡頭激光粒度儀，包括激光器、樣品池、光電探測(cè)器、控制系統(tǒng)，其特征在于三個(gè)光束分別是由三個(gè)半導(dǎo)體激光器發(fā)出，前向激光器安裝在樣品池前的水平方向，發(fā)出的光束是沿著水平方向照射的平行光束；側(cè)向激光器安裝在前向激光器一側(cè)，發(fā)出的光束是沿著與水平方向光束成一定角度照射的平行光；后向激光器安裝在鏡頭后側(cè)，后向激光器前置有補(bǔ)償透鏡，后向激光器發(fā)出的光束是沿著與水平方向光束的逆向成一定角度照射，在樣品池后裝有匯聚鏡頭，在匯聚鏡頭的焦平面上置有光電探測(cè)器，光電信號(hào)通過(guò)與之相連的控制系統(tǒng)輸入到計(jì)算機(jī)中，在計(jì)算機(jī)內(nèi)裝有相應(yīng)的粒度分析軟件。
2 按權(quán)利要求1一種三光束單鏡頭激光粒度儀，所說(shuō)的匯聚鏡頭其特征在于匯聚 鏡頭由4片3組透鏡構(gòu)成，每片透鏡均為月牙形，且凹面朝向樣品池一側(cè)，其中第一組 與第三組為正焦距，第二組膠合透鏡為負(fù)焦距，各組透鏡的參數(shù)滿(mǎn)足fl、f2嘗f3、 r5^ r3-厶3—5，式中fl、 f2、 G、分別為第一組、第二組及第三組鏡頭的焦距，r3、 r5分別 為第3面及第5面的曲率半徑，厶3_5為第3面至第5面的間隔。
3 按權(quán)利要求1和2 —種三光束單鏡頭激光粒度儀，其特征在于匯聚鏡頭中的第 二組膠合面(面4)的高折射率側(cè)蒸鍍折射率為1.6~1.8、厚度為A/4的增透膜。
4 按權(quán)利要求1一種三光束單鏡頭激光粒度儀，所說(shuō)的激光器其特征在于前向激 光器和側(cè)向激光器是紅光半導(dǎo)體激光器，激光波長(zhǎng)為635nm;后向激光器是藍(lán)光激光器， 激光波長(zhǎng)為405nm。
5 按權(quán)利要求1 一種三光束單鏡頭激光粒度儀，所說(shuō)的補(bǔ)償透鏡，其特征在于-補(bǔ)償透鏡折射率為1.47502 1. 67502，色散系數(shù)31. 6 51. 6，兩個(gè)面的曲率半徑分別是 63. 949091和111.660704。
6 按權(quán)利要求1 一種三光束單鏡頭激光粒度儀，所說(shuō)的散射光光電探測(cè)器其特征在 于 一種扇形/矩形混合結(jié)構(gòu)，其中中心兩側(cè)是90。扇形交叉排列，右邊分別是45。扇 形和15°扇形連續(xù)排列，左邊是矩形連續(xù)排列，中心點(diǎn)上下各有6個(gè)30。扇形連續(xù)排 列的探測(cè)器。
全文摘要
本發(fā)明一種三光束單鏡頭激光粒度儀，由于是以一個(gè)性能獨(dú)特的匯聚鏡頭、三束不同方向的激光、扇形/矩形組合結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器、樣品池、控制系統(tǒng)組成。三個(gè)從不同方向照射到樣品池上的光束，所產(chǎn)生前向、側(cè)向和后向散射光通過(guò)匯聚鏡頭匯聚到光電探測(cè)器上。匯聚鏡頭不僅能大視場(chǎng)角收集散射光，還在保證中心視場(chǎng)角散射光(軸上)的成像的質(zhì)量達(dá)到衍射極限的同時(shí)盡量減少場(chǎng)曲，最大限度的提高大視場(chǎng)角散射光(軸外)的成像的質(zhì)量，配合大尺寸光電探測(cè)器，因此，光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，體積減小，成本降低。測(cè)試范圍擴(kuò)大，并且克服由于多鏡頭之間的差異帶來(lái)的誤差，測(cè)量精度高。
文檔編號(hào)G01N15/02GK101290281SQ20081001183
公開(kāi)日2008年10月22日 申請(qǐng)日期2008年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月12日
發(fā)明者政 王, 范繼來(lái), 董青云 申請(qǐng)人:丹東百特科技有限公司