本發(fā)明涉及儀器儀表領域，特別涉及一種帶環(huán)形測量池的激光粒度分析儀。

背景技術：

激光粒度分析儀是利用顆粒光散射原理測量乳液、粉體材料和液體噴霧的粒度分布的儀器。它出現(xiàn)在激光器誕生以后，至今已有50年左右的歷史。由于顆粒越小，散射角越大；為了擴展儀器的測量下限，必須擴大散射角的測量范圍。傳統(tǒng)上，都用兩塊相互平行的平板玻璃組成測量池，把待測顆粒懸浮在兩塊玻璃之間。由于用于懸浮待測顆粒的介質多為液體，而液體的折射率大于空氣，因此當散射角大于一定范圍，散射光就不能出射到空氣中，從而限制了小顆粒的測量。散射角大于臨界角的散射光，被全反射，不能出射到空氣中，而不能被探測器接收、測量。以水介質為例，臨界角為47.87°。如果采用傳統(tǒng)的技術，能被測量到的最大散射角小于臨界角，測量下限只能達到0.3μm左右。

為了擴大角度測量范圍，人們提出了各種方法，比如多光束技術。該技術方案中，除了原有的主入射光之外，另外增加一束斜入射的照明光，被該光束照明的顆粒產生的較大角散射光相對于后玻璃的入射角仍未超過水-空氣等效界面的臨界角，故仍能出射到空氣中，從而被接收。這種技術中，斜入射照明光只能用于測量大角(例如45°以上)散射光，而主入射光只能用來測量小角散射光。進行粒度數(shù)據(jù)反演計算前，必須把大角和小角散射光的數(shù)據(jù)先拼接在一起。由于照明光束不同，數(shù)據(jù)的拼接往往很難做得很光滑，因此給數(shù)據(jù)反演帶來困難。

另外也有人提出用梯形窗口技術解決全反射的問題。它是用一塊梯形玻璃代替了傳統(tǒng)測量池中的后側平板玻璃。該方案可以用單光束照明，比前述的雙光束方法簡潔。大角散射光從玻璃往空氣出射時，原先的平行面變成了斜面，減小了光線對玻璃—空氣界面的入射角，從而避免了全反射的發(fā)生。小角散射光則從平行面出射。其缺點是斜面出射的光和平行面出射的光有一部分會在空氣中的同一區(qū)域疊加，相互干擾。為了解決這一問題，必須增加較復雜的機械結構。

圓柱透鏡窗口技術(專利授權公告號：CN202281738U)也是一種超臨界角散射光出射問題的解決方案，使45°—135°的散射光能夠出射到空氣中，從而被探測到。激光器發(fā)出的照明光順著平板玻璃之間的狹縫照射到測量區(qū)，含有被測顆粒的懸浮液處在狹縫中。大角散射光透過平板玻璃，并被膠合在上面的柱面鏡聚焦。探測器陣列處在柱面鏡的焦面上。據(jù)發(fā)明人稱，這種方案適用于測量45°以上的散射光，小角度的散射光不知如何接收。

申請?zhí)?01310186026.5的專利文獻(以下簡稱“文獻2”)提出了一種檢測水中乳化油含量的方案。該方案把待測乳化液置于圓桶形(即本專利所稱的“環(huán)形”)測量池中，采用近紅外的半導體激光器作光源，把光照射到測量池內，光線遇到待測顆粒后，會發(fā)生散射。用多單元的光電探測器陣列測量小角散射光，然后根據(jù)散射光的分布計算水中乳化液的含量。此方案與本專利的方案從表面看非常相似，主要表現(xiàn)在：(1)測量對象都是水中的顆粒物；(2)都采用了圓筒形測量池；(3)都是測量散射光的分布。但從效能和思路看，兩種方案有著顯著差異：該專利聲稱只測量小角散射光，所以我們可以判斷，它只利用了圓筒的液體承載功能和透明特性。如果把這個圓筒換成矩形、半圓形等其他形狀的透明容器，也能實現(xiàn)該專利所稱的相同效果。實際上從光學的專業(yè)角度看，測量池用兩塊平行成間隔設置的平板玻璃方案更加合適。

綜上所述，現(xiàn)有的激光粒度儀存在著散射光探測范圍小、或者數(shù)據(jù)反演困難、或者結構復雜等諸多不足。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種帶環(huán)形測量池的激光粒度分析儀，其能夠實現(xiàn)單光束照明的條件下，0°到180°散射光的連續(xù)探測，并實現(xiàn)足夠精度的聚焦，克服了現(xiàn)有技術的諸多不足。其測量上限可以保持現(xiàn)有技術的水平，而測量下限則可以順利達到20nm，即0.02μm(峰值位置)。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案為一種帶環(huán)形測量池的激光粒度分析儀，包括激光器、透鏡、針孔(帶微孔的金屬薄片)、柱面鏡、環(huán)形測量池、探測器組件、機架；

所述探測器組件包括中心探測器、主探測器、若干個大角探測器；

所述激光器、透鏡、針孔、柱面鏡、環(huán)形測量池和主探測器在同一光軸上并依次設于機架之上；

所述大角探測器以環(huán)形測量池為中心成環(huán)形布設，中心探測器設于主探測器之后；

所述環(huán)形測量池為圓柱體結構的玻璃環(huán)柱，其中部設有圓柱形內腔，用于盛放液體，由柱面鏡、環(huán)形測量池的玻璃壁和其內腔所盛的液體組成了一個透鏡組，從針孔發(fā)出的光線經該透鏡組能夠聚焦于主探測器的中心；

所述針孔為帶微孔的金屬薄片。

所述柱面鏡為平凸柱面透鏡；

所述柱面鏡的光學參數(shù)和擺放位置、環(huán)形測量池的內外徑和玻璃的折射率，應選擇合適的數(shù)值，使得從所述針孔中心發(fā)出的光線經過所述柱面鏡、環(huán)形測量池的前后池壁和池內腔所盛放的液體后，能夠聚焦在主探測器的中心孔上。

優(yōu)選的，所述環(huán)形測量池內腔頂部通過導管連通樣品池，所述樣品池包括攪拌器、超聲換能器；

所述環(huán)形測量池內腔底部通過導管連接有吸水泵、循環(huán)泵、電池閥；

在典型情況下針孔到測量池的中心的距離與主探測器的中心孔到測量池的中心的距離相等。

大角探測器所環(huán)布的圓環(huán)半徑與測量池中心到主探測器中心孔或針孔的距離相等。

其工作原理為：激光器發(fā)出一束激光，經透鏡聚焦，穿過位于透鏡焦面上的針孔，再經過柱面鏡，照射到環(huán)形測量池，穿過池壁再照射到池內的顆粒上。照明光的一部分被顆粒散射，一部分按原來的傳播方向繼續(xù)前行，再次穿過環(huán)形測量池的環(huán)形玻璃，被聚焦在主探測器的中心孔上，再穿過該中心孔，照射到中心探測器上。照明光束穿過針孔后所遇到的柱面鏡，環(huán)形測量池的透明池壁和池內的液體柱，組成了一個透鏡組。針孔中心和主探測器的中心對于該透鏡組互為物象。被顆粒散射的光將偏離原來的傳播方向，射向測量池的環(huán)形玻璃池壁，穿過池壁后，照射到主探測器陣列的各單元和大角探測的各單元上。典型情況下，大角探測器的各單元和主探測器的中心以及針孔的中心處在同一圓周上。照射到各探測單元上的散射光被轉換成電信號后，經過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)變成數(shù)字信號，再傳輸?shù)接嬎銠C。計算機根據(jù)散射光的分布，反演計算出顆粒的尺寸分布。

采用上述技術方案，由于環(huán)形測量池的設置，使得散射光穿過池壁進入空氣的過程中避免了全反射，解決了大角散射光和小角散射光的出射和接收問題。

由于環(huán)形測量池結構是利用它的池壁的圓環(huán)特點和池內懸浮介質的圓柱特點，同時解決大角散射光和小角散射光的出射和接收問題。其圓環(huán)特征，池內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，因此規(guī)避了全反射的問題。在小角方向，本方案利用池內液體及池壁玻璃的柱面鏡效應，以及在入射光路上增加的一個柱面透鏡，實現(xiàn)了入射光及小角散射光在主探測平面上的良好聚焦，同時也實現(xiàn)了大角散射光的出射和適當聚焦，簡化了儀器的結構。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種帶環(huán)形測量池的激光粒度分析儀的結構示意圖；

圖2為散射光的出射和接收示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步說明。在此需要說明的是，對于這些實施方式的說明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構成對本發(fā)明的限定。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

如圖1所示，一種帶環(huán)形測量池的激光粒度分析儀，包括激光器1、透鏡2、針孔3、柱面鏡4、環(huán)形測量池5、探測器組件、機架；激光器1、透鏡2、針孔3(帶微孔的金屬薄片)、柱面鏡4、環(huán)形測量池5在同一光軸上并依次設于機架之上；探測器組件包括中心探測器61、主探測器62(包含33個獨立的探測單元)、若干個大角探測器63，大角探測器63以環(huán)形測量池5為中心成環(huán)形布設，中心探測器61設于主探測器62之后；

所述針孔3為帶微孔的金屬薄片；

所述環(huán)形測量池5為圓柱體結構的玻璃環(huán)柱，其中部設有圓柱形內腔，內腔導通兩端面，腔內可盛放液體和被測顆粒組成的混合液；

所述針孔3、環(huán)形測量池5、主探測器62設置于同一光軸上；

所述柱面鏡4為平凸柱面透鏡；

優(yōu)選的，所述環(huán)形測量池5內腔頂部通過導管連通樣品池，所述樣品池包括攪拌器、超聲換能器；

所述環(huán)形測量池5內腔底部通過導管連接有吸水泵、循環(huán)泵、電池閥；

在典型情況下針孔3到環(huán)形測量池5的中心的距離與主探測器62的中心孔到環(huán)形測量池5的中心的距離相等。

如圖所示，從激光器1發(fā)出一束激光，經透鏡2聚焦，穿過位于透鏡2焦面上的針孔3，再經過柱面鏡4(其剖面圖如41)，照射到環(huán)形測量池5，穿過池壁再照射到池內的顆粒7上。照明光的一部分被顆粒7散射，一部分按原來的傳播方向繼續(xù)前行，再次穿過環(huán)形測量池5的環(huán)形玻璃，被聚焦在主探測器62的中心孔上，再穿過該中心孔，照射到中心探測器61上。照明光束穿過針孔3后所遇到的柱面鏡4，環(huán)形測量池5的透明池壁和池內的液體柱，組成了一個透鏡組。針孔3的針孔中心和主探測器62的中心對于該透鏡組互為物象。被顆粒散射的光將偏離原來的傳播方向，射向測量池5的環(huán)形玻璃池壁，穿過池壁后，照射到主探測器62的各單元和大角探測63的各單元上。典型情況下，大角探測器63的各單元和主探測器62的中心以及針孔的中心處在同一圓周上。照射到各探測單元上的散射光被轉換成電信號后，經過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)變成數(shù)字信號，再傳輸?shù)接嬎銠C。計算機根據(jù)散射光的分布，反演計算出顆粒的尺寸分布。

如圖2所示，帶環(huán)形測量池的激光粒度分析儀使得從環(huán)形測量池5的中心(即圓柱的中心)發(fā)出的任意方向(例如散射角為θ)的散射光，入射到池壁玻璃的表面時，入射角均為0，因而能夠順利出射到空氣中。其他位置發(fā)出的相同角度的散射光，通過液體柱和池壁組成的等效柱面鏡的折射作用，也能出射到空氣中，并且與中心散射光在相應探測單元(例如，大角探測器63)上聚焦。當散射角很小，散射光將在主探測器62中心孔的附近實現(xiàn)理想聚焦。對大角散射光，例如散射角θ為60°，雖然不同位置發(fā)出的散射光聚焦不夠理想，但聚焦的誤差(像差)造成的角度測量誤差相對于散射角而言可以忽略。所以本專利能夠實現(xiàn)單光束照明的條件下，0°到180°散射光的連續(xù)探測，并實現(xiàn)足夠精度的聚焦，克服了現(xiàn)有技術的諸多不足。采用上述技術后，激光粒度儀的測量上限可以保持現(xiàn)有技術的水平，而測量下限則可以順利達到20nm，即0.02μm(峰值位置)。

以上結合附圖對本發(fā)明的實施方式作了詳細說明，但本發(fā)明不限于所描述的實施方式。對于本領域的技術人員而言，在不脫離本發(fā)明原理和精神的情況下，對這些實施方式進行多種變化、修改、替換和變型，仍落入本發(fā)明的保護范圍內。