激光粒度分析技術(shù)基礎(chǔ)

關(guān)于激光粒度分析技術(shù)基礎(chǔ)第1頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)容簡介粒度及粒度的表征各種粒度分析方法的比較激光衍射法的原理及技術(shù)特點(diǎn)納米粒度測量技術(shù)粒度分析實(shí)際操作分析結(jié)果評估第2頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月關(guān)于顆粒的基本概念晶粒：指單晶顆粒，即顆粒內(nèi)為單相，無晶界。一次顆粒：指含有低孔隙率的一種獨(dú)立的粒子。它能被電子顯微鏡觀察到。團(tuán)聚體：是由一次顆粒為降低表面勢能而通過范德華力或固定的橋鍵作用形成的更大顆粒。團(tuán)聚體內(nèi)含有相互連接的孔隙網(wǎng)絡(luò)，它能被電子顯微鏡觀察到。二次顆粒：指人為制造的粉料團(tuán)聚粒子。目前，所謂“納米材料”的功能絕大多數(shù)體現(xiàn)為團(tuán)聚體的功能，其粒度能被激光粒度儀精確測出。若能將團(tuán)聚體分散成一次顆粒，則將表現(xiàn)出納米顆粒更多的特性。第3頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月粒度的定義Feret直徑-平行切面之間的距離.Martin直徑-等分線直徑最長直徑最短直徑等效周長直徑-同等周長的圓圈直徑等效投影面積直徑-與投影面積相同的圓面直徑等效表面積直徑等效體積直徑第4頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月顆粒形狀針狀，角狀，樹枝狀，纖維狀，片狀，粒狀，不規(guī)則狀，瘤狀，球狀等形狀系數(shù)：被測顆粒大小與其體積或面積之間的關(guān)系形狀因數(shù)：與顆粒等體積的圓球的表面積與顆粒的表面積之比應(yīng)用：顆粒形狀千差萬別。在實(shí)際測量中，根據(jù)某種測量特性，可利用顆粒的形狀系數(shù)/因數(shù)恢復(fù)為原來特定的顆粒形狀，增加結(jié)果的可靠性第5頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月等效體積直徑等效表面積直徑等效重量直徑最短直徑最長直徑等效沉降速率直徑篩分直徑第6頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月粒子大小的定義用一元數(shù)值來表示粒子大小時(shí)，這個(gè)值就叫做粒子的代表粒徑。對于有不同大小粒子分布的粉末體，使用平均粒徑統(tǒng)一分析實(shí)驗(yàn)值?！傲Ｗ哟笮　倍x方法有許多種，根據(jù)定義方法，大小關(guān)系有時(shí)能夠逆轉(zhuǎn)。實(shí)際測量中僅選擇粒子的某一物理量、幾何量來表征。XDpV=Dp3π/6同樣大小體積V同樣大小投影面積SDPXS=Dp2π/4(a)

幾何學(xué)的特性終點(diǎn)下落速度相同DpXUtUtUt=Dp2?g(ρp-ρ)/18μXΞDpXΞDp(ｂ)動力學(xué)的特性XΞDp激光激光相同圖案(c)光學(xué)的特性XDp第7頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月等效直徑不規(guī)則形狀的顆粒，顆粒大小取決于測定方法每種測定方法僅表征某種特定的物理參數(shù)（長度，面積，體積，沉降速度等）將該被測物理參數(shù)與球形顆粒等效，即為等效直徑等效直徑有多種：篩分直徑，Stokes直徑，投影直徑，體積直徑，面積直徑，F(xiàn)eret直徑等有相同直徑的顆粒，形狀可能完全不同粒度分布測量需要足夠多的顆粒統(tǒng)計(jì)分析第8頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月大體上同體積但是形狀不同的粒子在比較大小的時(shí)候，根據(jù)比較的基準(zhǔn)，大小關(guān)系也不同。能夠通過的圓孔直徑（μｍ） 100 ＜ 113能夠通過的篩子眼（μｍ） 100 ＞ 80投影面積（×10-9ｍ2） 7.85 ＞ 6.4表面積（×10-8ｍ2） 3.14 ＜ 3.84體積（×10-11ｍ3） 5.23 ＞ 5.1280μｍ立方體所謂的粒子大小100μｍ球80μｍ80μｍ第9頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月平均直徑簡單數(shù)量平均值D〔1,0〕，D〔2,0〕，D〔3,0〕1克大小均為1微米的二氧化硅（密度2.5）樣品大約有760×109個(gè)顆粒D〔3,2〕表面積力矩平均值，依賴于d3D〔4,3〕體積或質(zhì)量力矩平均值，依賴于d4不同的測量方法給出不同的平均直徑所有的平均直徑都是正確的第10頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月各種方法對球體粒徑平均值的不同表征

－－－對于三個(gè)直徑分別為1、2、3單位的球體，表征它們的平均值電子顯微鏡法：取長度平均值——D[1，0]

平均直徑=（1+2+3）/3=2.00=∑d/n

圖像分析儀：取面積平均值——D[2，0]平均直徑=Sq.rt.{(12+22+32)/3}=2.16=Sq.rt.(∑d2/n)

電場感應(yīng)法：取顆粒的體積平均值——D[3，0]平均直徑=Cubert.{(13+23+33)/3}=2.20=Cubert.(∑d3/n)激光衍射法：取平均當(dāng)量體積值——D[4，3]，因?yàn)樗恍枰w粒數(shù) 如果顆粒的密度不變，這個(gè)值與平均當(dāng)量重量值是一致的

D[4,3]=(14+24+34)/(13+23+33)=2.72=∑d4/∑d3

D[3,2]=(13+23+33)/(12+22+32)=2.57=∑d3/∑d2

第11頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月哪種表征或結(jié)果是“正確”的？都正確，都反映了顆粒的某種特性即使是球體，不同的方法也給出不同的平均值在描述粒徑大小時(shí)，必須同時(shí)指明測定方法才有意義不同粒度測定方法之間的比較沒有意義不同方法之間的比較必須轉(zhuǎn)化成同一粒徑的定義直徑粒度(直徑)x第12頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月平均值、中間值和最頻值平均值：粒度分布的某種算術(shù)平均值，如D〔1,0〕，D〔2,0〕，D〔3,0〕，D〔3,2〕，D〔4,3〕等中間值：把整個(gè)分布恰好平分的顆粒大小數(shù)值，一般表述為D〔X,0.5〕，D50最頻值：頻率分布中最常出現(xiàn)的數(shù)值，即曲線的最高點(diǎn)對于高斯分布，三者恰好會出現(xiàn)在相同位置；但若是多峰分布，則其差別較大第13頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月代表性粒徑的含義表示粒徑分布X的時(shí)候，作為他的代表值，最大值

Xmax

,最小值

Xmin被常常采用；50%中值粒徑和模徑（峰值粒徑）也被經(jīng)常使用。X50

:50%徑(直徑中值)Xmode :模徑(最頻粒子徑,峰值)但是，

X50和

Xmode等的值根據(jù)測量粒子量

y的基準(zhǔn)(個(gè)數(shù)，體積等)發(fā)生變化，因此，有必要采用不同的標(biāo)記來區(qū)別個(gè)數(shù)模徑和體積50%徑等。直徑中值50%

模徑累計(jì)（積分）分布頻率分布Q%第14頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)量、長度和體積/質(zhì)量平均值每一次的測量結(jié)果須注明測量手段和表達(dá)形式不同的表達(dá)形式之間的轉(zhuǎn)換差異巨大使用電子顯微鏡測量時(shí)，指定以體積/質(zhì)量表達(dá)測量結(jié)果，若忽視或丟失1個(gè)10微米的顆粒，則與忽視或丟失1000個(gè)1微米的顆粒結(jié)果相同實(shí)測的和導(dǎo)出的結(jié)果，后者可用于批量樣品測量的相對比較根據(jù)實(shí)際工藝流程選擇相對應(yīng)的測量手段/測量特性第15頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月不同的粒徑表達(dá)基準(zhǔn)數(shù)量基準(zhǔn)

＝N體積基準(zhǔn)

＝4/3π（D/2）3＝（D3/6）πΣnN=221μm:10個(gè)2μm:8個(gè)3μm:3個(gè)4μm:1個(gè)10/22→45％8/22→36％3/22→14％1/22→5％面積基準(zhǔn)

＝(D/2)2π＝（D2/4）π

Σn(D2/4)π=85/4π12/4π×10個(gè)22/4π×8個(gè)＝10/4π＝32/4π＝27/4π＝16/4π32/4π×3個(gè)42/4π×1個(gè)→12％（10/4）π（85/4）π→38％（32/4）π（85/4）π→32％（27/4）π（85/4）π→19％（16/4）π（85/4）π1μm×10個(gè)2μm×8個(gè)3μm×3個(gè)4μm×1個(gè)總計(jì)=22個(gè)Σn(D3/6)π=219/6π13/6π×10個(gè)23/6π×8個(gè)＝10/6π＝64/6π＝81/6π＝64/6π3３/6π×3個(gè)43/6π×1個(gè)→5％（10/6）π（219/6）π→29％（64/6）π（219/6）π→37％（81/6）π（219/6）π→29％（64/6）π（219/6）π第16頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月銀河系中天體個(gè)數(shù)與體積的對比轉(zhuǎn)換直徑天體數(shù)量數(shù)量體積(Km)（個(gè)）百分比百分比10-100070000.299.961-10175000.50.030.1-1350000099.30.01總數(shù)3524500100.0100.0第17頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月激光粒度測試中的典型分布

－－－相同比例的5nm和50nm球形顆粒NUMBERVOLUME=pr343INTENSITY=d6Diameter(nm)Relative%inclass5101005011Diameter(nm)Relative%inclass51010050110001Diameter(nm)Relative%inclass5101005011,000,000第18頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月

常見粒度分析方法統(tǒng)計(jì)方法代表性強(qiáng),動態(tài)范圍寬分辨率低篩分方法：>38微米沉降方法

0.01-300微米光學(xué)方法

0.0008-2,800微米非統(tǒng)計(jì)方法分辨率高代表性差,動態(tài)范圍窄顯微鏡方法，重復(fù)性差 光學(xué)類：>1微米

電子類：>0.001微米電阻感應(yīng)法

0.5-1200微米統(tǒng)計(jì)方法代表性強(qiáng),動態(tài)范圍寬分辨率低篩分方法：>38微米

沉降方法

0.01-300微米光學(xué)方法

0.0008-2,800微米第19頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月篩分技術(shù)關(guān)鍵參數(shù)：篩孔大小，篩盤直徑，篩框深度Tyler系列：以目表示篩孔大小，200目為基準(zhǔn)，最小為400目（38微米）ISO標(biāo)準(zhǔn)篩：直接標(biāo)出篩孔直徑，最小篩孔尺寸為45微米設(shè)備包括試驗(yàn)套篩及振篩機(jī)，確保一定的圓周搖動和上下振動優(yōu)點(diǎn)：簡單，便宜，易于分級，樣品量大，結(jié)果表示為重量粒徑分布第20頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月篩分第21頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月篩分法使用數(shù)種不同網(wǎng)眼的篩子進(jìn)行篩選，計(jì)算個(gè)篩子上剩下的粒子的重量，根據(jù)比例來求分布的方法。第22頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月篩分技術(shù)的缺點(diǎn)小于38微米的干燥粉末難以測量，濕式篩分的重現(xiàn)性極差不適合粘性或成團(tuán)的材料分析測量時(shí)間越長，顆粒定向運(yùn)動機(jī)會越多，結(jié)果越小不能測量懸浮樣品或乳劑分辨率依賴與篩孔的選擇第23頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月顯微鏡技術(shù)直接查看顆粒的形狀，結(jié)構(gòu)（實(shí)心，空心，疏松或多孔等）以及表面形貌測量范圍：普通光學(xué)顯微鏡，1-200微米；透射電子顯微鏡（TEM)，0.001-10微米；掃描電子顯微鏡（SEM)，0.005-50微米最基本也是最實(shí)用的測量方法，結(jié)果表示為二維尺寸計(jì)數(shù)方法：點(diǎn)計(jì)法，線計(jì)法，帶計(jì)法，框計(jì)法一般要求被測顆粒不少于600個(gè)發(fā)展趨勢：半自動和全自動測量裝置，輔以圖像分析和處理軟件，應(yīng)用廣泛第24頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月顯微鏡第25頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月忽略了一個(gè)10μ的顆粒相當(dāng)于漏檢了1000個(gè)1μ的小球10μ1μ第26頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月顯微鏡技術(shù)的缺點(diǎn)取樣量極其有限（0.01-0.1克），不具備代表性樣品制備麻煩，有時(shí)需要納米級固定薄膜，測量成本高測量過程人為因素影響過大，時(shí)間長，易疲勞僅能用于質(zhì)量或生產(chǎn)控制的簡單判斷，或用作其他測量方法的輔助工具（分散狀態(tài)，絮凝與否）第27頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月空氣透過技術(shù)（費(fèi)氏法）原理：粉末樣品的氣體透過能力與粉末的比表面有關(guān)，籍此求出樣品的比表面積并由此得到顆粒的平均粒度樣品要求：均勻干燥，形狀等軸性好，施壓時(shí)不易變形，破碎或聚結(jié)取樣量應(yīng)為試樣真密度的兩倍以上，且真密度已知常用于質(zhì)量或生產(chǎn)控制的基本判斷，設(shè)備簡單，操作方便缺點(diǎn)：分辨率低，重現(xiàn)性差，人為因素影響較大第28頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月圖像解析法開始取樣粒子像攝影圖像處理抽取特征處理計(jì)算統(tǒng)計(jì)粒子徑分布結(jié)束平滑化、去除微粒子（噪聲）、分離、圓形分離、細(xì)線化、強(qiáng)調(diào)、邊界檢出等等面積(等效徑)、周長、最大長、形狀參數(shù)等等

第29頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月電阻感應(yīng)技術(shù)原理：在電解質(zhì)溶液中，利用外加在小孔管內(nèi)外的電極，在小孔管周圍形成恒電流設(shè)計(jì)的電阻感應(yīng)區(qū)。在負(fù)壓的作用下，通過小孔的每個(gè)顆粒取代相同體積的電解液，產(chǎn)生電位脈沖，脈沖信號的強(qiáng)弱與通過小孔管的顆粒大小成正比測量方法：體積定量、時(shí)間定量、再計(jì)數(shù)定量、通道峰值數(shù)目定量等測量精度高，有很好的準(zhǔn)確性和重復(fù)性優(yōu)點(diǎn)：既能給出數(shù)量統(tǒng)計(jì)又能給出體積分布，特別適合于臨床血細(xì)胞的分析第30頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月電阻感應(yīng)法優(yōu)點(diǎn)：能測量絕對顆粒數(shù)在工業(yè)上應(yīng)用存在許多缺點(diǎn)：難于測量乳液，也不能測量噴霧。干粉需要懸浮在介質(zhì)中測量。必須在電解質(zhì)中測量，也難于測量有機(jī)物料。該法需要校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，費(fèi)用高，并且其粒度在蒸餾水和電解質(zhì)中會發(fā)生變化。對于粒度分布范圍較寬的物料，該法測量速度慢。并且不易測量小于2微米的顆粒。測量帶孔的顆粒會產(chǎn)生較大的誤差，因?yàn)闇y定的是其殼層。密實(shí)的物料或大顆粒難以測量，因?yàn)樵诖酥斑@些顆粒已經(jīng)沉降了。

第31頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月電解質(zhì)溶液細(xì)孔吸引-+電阻感應(yīng)法第32頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月電阻感應(yīng)技術(shù)的缺點(diǎn)測量范圍有限，一般下限為0.4微米，而且每個(gè)小孔管的動態(tài)范圍僅為：2%-60%操作較為復(fù)雜，粒度分布范圍較寬的樣品容易堵塞小孔管很難保證顆粒通過小孔瞬間的狀態(tài)，易造成峰形拖尾或重疊，引起計(jì)數(shù)誤差必須在電解液中測量，不適合乳劑或有機(jī)材料，也不適合密度較大或者多孔性樣品該方法需要經(jīng)常校準(zhǔn)，測試成本高第33頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月沉降分析技術(shù)基于如下假設(shè)：顆粒為球形剛體，沉降時(shí)互不干擾且僅作層流流動，沉降容器足夠大且無溫度梯度Stokes公式是所有沉降儀采用的基本工作原理，必須知道顆粒和液體的密度及粘度，且顆粒沉降的雷諾系數(shù)應(yīng)遠(yuǎn)小于1測量方法：重力沉降，2-50微米；離心沉降，2-10微米；光透沉降（可見光，X射線）等局限性：小于2微米的顆粒布朗運(yùn)動占主導(dǎo)地位，大于50微米的顆粒沉降是湍流狀態(tài)應(yīng)用領(lǐng)域：油漆，陶瓷，顏料，造紙等第34頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月沉降法應(yīng)用斯托克斯方程,通過測量粒子沉降速度來決定粒度分布,分為:

沉降管5-200微米

X光吸收沉降0.1-300微米離心沉降0.01-200微米第35頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月液相沉降法在密度(ρ0),粘度系數(shù)(η0)的溶劑中的存在的直徑(D)、密度(ρ)的粒子。由于重力的影響，它按著Stokes沉降方式以一定的速度下沉。在實(shí)際的樣品中，存在大量的粒子，根據(jù)大小，其沉降速度也不同。即從大粒子開始依次沉降下去。另外，在自然重力下沉降的同時(shí)，還存在著分子熱運(yùn)動（布朗運(yùn)動），小的粒子很難沉降，測量就要花很多時(shí)間。測量面t=0t=t1t=t2t=t3第36頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月沉降分析技術(shù)的缺點(diǎn)測量速度慢：1顆1微米的SiO2（密度2.5)顆粒在20℃的水中在重力作用下沉降1cm需要1小時(shí)被測材料的密度不能太大也不能太小，且能找到與被測試樣適用的沉降介質(zhì)和分散劑必須嚴(yán)格控制測量溫度不能測量不同密度材料的混合樣品試驗(yàn)條件苛刻，所需其他設(shè)備較多，如分析天平，恒溫水浴，顯微鏡，粘度計(jì)，比重計(jì)，超聲波分散器等第37頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月激光衍射技術(shù)準(zhǔn)確地描述：小角激光光散射（LALLS，LittleAngelLaserLightScattering)，符合ISO13320標(biāo)準(zhǔn)，適用范圍，0.1-3000微米原理：顆粒的最大光強(qiáng)衍射角與其粒徑成反比組成部分：激光發(fā)生器，光學(xué)組件，檢測元件，樣品分散單元，數(shù)據(jù)處理軟件等優(yōu)點(diǎn)：范圍寬，速度快，自動化程度高，重現(xiàn)性好，結(jié)果一般表示為體積百分比分布D〔4,3〕缺點(diǎn)：被測材料的光學(xué)參數(shù)，典型的統(tǒng)計(jì)測量方法（光強(qiáng)Intensity對直徑d6數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換），特殊樣品的分散條件第38頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月測量理論激光和顆粒的相互作用：顆粒截面的衍射，內(nèi)外表面的反射，介質(zhì)與顆粒的折射，顆粒對光的吸收夫朗和費(fèi)（Fraunhofer)理論假設(shè)：1.所有顆粒都是球形的；2.所有顆粒都遠(yuǎn)大于入射光波長；3.僅考慮正向小角度的衍射；4.所有顆粒都是完全不透明的；5.顆粒與分散介質(zhì)間的折射率接近。米氏理論（MieTheory）：充分考慮激光與顆粒之間的相互作用，能更精確地預(yù)測多角度散射圖與球形顆粒粒度之間的關(guān)系，但必須知道測量系統(tǒng)的光學(xué)特性I（θ）=Ia（θ）+Ib（θ），其中Ia（θ）和Ib（θ）分別表示垂直偏振光和水平偏振光的散射光強(qiáng)第39頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月ThePrinciple

SmallparticlesscatterlightatwideanglesLaserParticlesDetectorFourierLensBeamLargeparticlesscatterlightatnarrowangles第40頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月激光與顆粒之間的相互作用

光入射到球形顆粒的時(shí)候可以產(chǎn)生出如圖所示的四種光。①在粒子表面的反射光②通過粒子內(nèi)部，經(jīng)粒子內(nèi)表面的反射光③通過粒子內(nèi)部而折射出的光④在表面的衍射光入射光入射光反射光衍射光折射光內(nèi)部反射光內(nèi)部反射光內(nèi)部反射光穿透光第41頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月激光衍射/散射方法大粒子時(shí)小粒子時(shí)（直徑約１０μm）衍射光譜（直徑約0．１μm）激光側(cè)翼和后方探測器56785678012345678012345678相對強(qiáng)度接收器相對強(qiáng)度接收器前方環(huán)狀探測器側(cè)翼和后方探測器前方環(huán)狀探測器激光24312431第42頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月logdiameterloganglelogintensitylogdiameterloganglelogintensityMieTheory與FraunhoferTheory-MieTheory真實(shí)粒子可能是任何形狀入射到顆粒的光的出路包括散射,透射,反射,折射,與顆粒的光學(xué)特性有關(guān).較早的激光衍射系統(tǒng)因光學(xué)構(gòu)造和計(jì)算機(jī)的限制而不能利用完全的米氏理論,只能用米氏理論的近似或子集,如:Fraunhofer理論.-FraunhoferTheory

粒子是完全不透明的扁平狀(類似硬幣);

所有到達(dá)顆粒的光均被散射,散射光與粒子表面光學(xué)性質(zhì)無關(guān)第43頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月MieTheory

強(qiáng)度

I0波長λ的光被半徑為

a的粒子所散射，距離粒子中心R、與入射光方向成θ的散射光的散射光強(qiáng)度

Iθ用下式表示。

I0λ28π2R2Iθ=(i1+i2)入射光粒子観察面θ散射光i2=Σ∞n=12n+1n(n+1){bnπn+anτn}2i1=Σ∞n=12n+1n(n+1){anπn+bnτn}2其中Sn’(β)Φn(α)-mΦn’(α)Sn(β)Sn’(β)Φn(α)-Φn’(α)Sn(β)另外Sn’(β)Sn(α)-mSn’(α)Sn(β)Sn’(β)Sn(α)-Sn’(α)Sn(β)an=bn=1πn=sinθPn(1)(cosθ)τn=δθPn(1)(cosθ)δΦn(α)=

Sn(α)+iCn(α)√Cn(α)=(-1)nπα2J-(n+1/2)(α)Sn(α)=√πα2J-(n+1/2)(α)μ1:介質(zhì)中的光的折射率率μ2:粒子中光的折射率λ0:空氣中光的波長λ:介質(zhì)中光的波長λ=λ0/μ1i1:垂直于觀側(cè)面的偏振光成分i2:平行于觀側(cè)面的偏振光成分m:相對折射率

m=μ2/μ1α:粒徑參數(shù)

α=2πa/λβ:β=mαPn(1):連帶Legendre函數(shù)Jn:Bessel函數(shù)偏光面第44頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月Fraunhofer的假設(shè)顆粒是不透明的(主要指大顆粒，金屬粉末，顏料等)顆粒形狀基于片狀或條狀顆粒的直徑應(yīng)遠(yuǎn)大于入射光波長(D>>40l，ISO13320-25mm)散射角度較小（僅考慮前向散射，小于45°）所有大小顆粒的散射系數(shù)均為2.00一般地，da1/q;Iad2

，所以*，q~35/d，測量1um的顆粒散射角度為35°*AerosolScienceEd.CNDaviesAcademicPress(1966)page343第45頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月ISO13320AnnexA:

Theoreticalbackgroundoflaser

diffractionHistoricallytheFraunhoferApproximationwasthebasisofthefirstopticalmodelemployedforparticlesizemeasurement.-Thiswasbecauseofthelimitedangularinformation,andthelimitedprocessingpowerofearlycomputers:“Inpracticetheapproximationisvalidforlargeparticles(diameteratleast40timesthewavelengthofthelight).”Equivalentto>>25MicronsIftheparticlesizeisgreaterthanabout

50μm,thentheFraunhoferapproximationgivesgoodresults.-Itnaturallyfollowsthatitisunsuitableformaterialslessthan50μmand,infact,furtheron,wecomeacrossthefollowing:“Forparticlessmallerthanabout50μm,theMietheoryoffersthebestgeneralsolution.”第46頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月折射率的影響B(tài)imodalseparation(caesin/fat)Normallyexpectsymmetrical(log-normal)plotforemulsionsFraunhofer-falsegenerationoflargematerialtoexplainscatteringRIdata:(HannahResearchInstitute):DDMuiretal(1991),Characterizationofdairyemulsionsbyforwardlobelaserlightscattering-applicationtocreamliqueursMilchwissenschaft,46(11),691-694Caesinsize-260nmc.f.P.Walstra(1990),J.DairySci.,73,1965-1979第47頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月Mie與Fraunhofer的區(qū)別n=m=2.05-0i=Fraunhofer=m=1.12-0i=m=1.20-0i-35.00%-30.00%-25.00%-20.00%-15.00%-10.00%-5.00%0.00%5.00%10.00%0.11101001000Fraunhofer(vs.Mie).839mm,1.11mm,2mm,15mm,30mm,40mm,and167mmlatexspheresn=m=2.05-0i=Fraunhofer=m=1.12-0i=m=1.20-0i.839mm,1.11mm,2mm,15mm,30mm,40mm,and167mmlatexspheres第48頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月測量裝置激光光源：提供單色，相干，平行的光束，要求穩(wěn)定性高，壽命長，信噪比低光學(xué)器件：激光束處理單元，準(zhǔn)直系統(tǒng)，樣品通道位置，接受透鏡角度，必須保證顆粒測量的光信號能實(shí)時(shí)全面的傳送到檢測器單元檢測器：由光敏硅片按儀器的檢測角度和幾何形狀離散組成，其數(shù)量與排列方式直接影響儀器的分辨率樣品遞送系統(tǒng)：使樣品通過激光束的不同方式，一般為懸浮液/乳液循環(huán)系統(tǒng)，也可通過壓縮機(jī)/真空系統(tǒng)直接測量干粉樣品測量軟件：利用不同的數(shù)學(xué)模型解析散射圖譜得到樣品的粒度分布結(jié)果第49頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月原子核電子能級處于正常能級的電子接受能量被激發(fā)到較高能級的電子能級躍遷，釋放光能釋放光能能量轉(zhuǎn)換連續(xù)的受激躍遷過程激光的產(chǎn)生過程第50頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月電磁波的頻率與波長第51頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月光源選擇的前提

超長的使用壽命，7年以上

卓越的使用性能，相位，強(qiáng)度一致性好

能及時(shí)啟動，穩(wěn)定時(shí)間短，無需warm-up

激光強(qiáng)度可以調(diào)整

體積小巧，抗振性強(qiáng)第52頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月激光器的波長1000nm100nmIRUVNearIRNearUVVisible400nm700nmHORIBALASER650nmWhenallcolorsarepresent,produceswhitelightLASERAcronym:LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiationProducescoherentbeam,allowslasertobeintense,highlydirectional,andverypureincolor(wavelength).TypesofLasers:Semiconductor,Gas,Liquid,FreeElectronHORIBALASER405nm第53頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月兩類常用激光器的差異固體二極管激光器：光源穩(wěn)定性好，壽命長(約20萬小時(shí)）啟動電壓低(約5伏)，穩(wěn)定時(shí)間短（約2ms）體積小巧，相位一致閑置時(shí)呈關(guān)閉狀態(tài)，無衰減氣體激光器（如He-Ne等)：啟動電壓高(約2000伏)，穩(wěn)定時(shí)間長（約0.5-3hrs）光源穩(wěn)定性差，壽命短（約5萬小時(shí)）體積龐大，需要支架固定，抗震性差閑置時(shí)，光強(qiáng)易衰減

第54頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月光電轉(zhuǎn)換檢測器固態(tài)二極管檢測器(Solidstatediodedetectors)當(dāng)光子撞擊時(shí)，產(chǎn)生了電子空穴對二極管之間的高壓加速了電子運(yùn)動被加速的電子獲的足夠的能量進(jìn)一步導(dǎo)致電離度的增加，如同雪崩一樣。最初的光子能雪崩式產(chǎn)生大量的(約106)電子，這個(gè)數(shù)量級遠(yuǎn)大于普通的光電備增器(photomultiplierdetector)因此有了新一代的雪崩式光子－電子計(jì)數(shù)器檢測器第55頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月檢測器排列方式有效檢測區(qū)域檢測盲區(qū)非均勻交叉扇形檢測器設(shè)計(jì)第56頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月十字交叉星形離散排列方式3937353836UPREARDOWNFRONT3228242016128410015913172125293337111519232731343026221814106210114RINGOFFIRSTMINIMUMFROMRETICULE35373941363840第57頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月激光粒度分析儀光路圖BeamLaserFourierLensParticleSampleChamberDetectorArraySampleParticlesLightScatteredfromParticlesMeasuredScatteredLightIntensityProfile第58頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月經(jīng)典激光儀器分析光路第59頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月PIDS技術(shù)（偏振光強(qiáng)度差）PIDSPatternsforSubmicronPSL(FINGERPRINTS)第60頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月循環(huán)泵排水管側(cè)翼探測器后方探測器濾光器鎢燈光束擴(kuò)大器試樣粒子He-Ne激光散射光圖像馬達(dá)聚光鏡頭環(huán)狀探測器超聲波探針加試料槽并用He-Ne激光和適用于測定小粒子徑段波長的鎢燈實(shí)現(xiàn)超寬范圍測定。經(jīng)典激光儀器分析光路第61頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月光路復(fù)雜，對樣品池要求特殊樣品池難于拆卸、清洗，并易損壞光路鎢燈熱效率導(dǎo)致光暈鎢燈濾光片光純度與光效率的矛盾雙光路的背景不一致，光學(xué)理論不一致局限性第62頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月He-Ne激光器普通藍(lán)光光源經(jīng)典激光儀器分析光路第63頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月反傅立葉變換光路樣品池扇形主檢測器背散射檢測器光強(qiáng)監(jiān)測器大角度檢測器第64頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月納米粒度測量技術(shù)經(jīng)典動態(tài)光散射技術(shù)（DynamicLightScattering)，也稱光子相關(guān)光譜法（PCS，PhotonCorrelationSpectroscopy)，是最早應(yīng)用于納米測量的基本方法原理：懸浮在介質(zhì)中的納米顆粒由于受到布朗運(yùn)動的作用，當(dāng)激光照射時(shí)，其散射光信號的時(shí)間變化譜圖與被測顆粒粒徑大小有關(guān)，應(yīng)用相關(guān)技術(shù)解析譜圖的起伏漲落求得平移擴(kuò)散系數(shù)從而獲得粒徑尺寸一般地，納米顆粒的散射信號極其微弱，通常需要光電倍增管和信號相關(guān)器，為避免多重散射效應(yīng)，樣品的濃度應(yīng)控制在ppm級結(jié)果一般表示為平均水力直徑，它既不同于通常所用的質(zhì)量平均徑，也不同于激光衍射方法得到的體積平均粒徑第65頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月納米測量技術(shù)新進(jìn)展經(jīng)典方法的局限性：1.被測物料必須是同質(zhì)球形的，且顆粒間不存在相互作用；2.顆粒在光路中僅發(fā)生單一散射現(xiàn)象，且無多重散射行為；3.被測體系的濃度范圍必須嚴(yán)格限定背散射技術(shù)：改變傳統(tǒng)90°的檢測角度，降低多重散射影響，提高被測樣品濃度至百分之幾十光纖通道：簡化樣品制備程序，讓樣品直接暴露在光纖通道，減少環(huán)境因素對測量的干擾（樣品皿，稀釋劑等）異相頻率干涉：與傳統(tǒng)時(shí)間自相關(guān)光譜比較，該方法得到的信號強(qiáng)度增加了幾個(gè)數(shù)量級，提高了儀器的分辨率數(shù)學(xué)處理模型：計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)Stokes-Einstein方程能夠更加精確更加迅速的得到更加接近實(shí)際的結(jié)果第66頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月粒度分析操作儀器檢查：環(huán)境潔凈，溫度恒定，應(yīng)避免過多電干擾，機(jī)械振動和光線照射檢查所有系統(tǒng)元件都已正確連接，諸如樣品分散裝置和傳輸裝置打開電源后，應(yīng)給予儀器足夠的穩(wěn)定時(shí)間，如He-Ne激光器至少需要半個(gè)小時(shí)以上的預(yù)熱過程設(shè)定儀器工作狀態(tài)，如光強(qiáng)檢查，測量范圍，光學(xué)參數(shù)，創(chuàng)建模型等儀器自檢與背景測量：中心定位，對焦調(diào)節(jié)，空白試驗(yàn)，實(shí)時(shí)顯示儀器狀態(tài)第67頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月分散技術(shù)試樣檢查：憑視覺或借助顯微鏡檢查試樣的分散狀態(tài)代表性取樣：采用特定的分樣技術(shù)，準(zhǔn)備足夠量的代表性試樣。必要時(shí)，利用篩分技術(shù)去除超出量程的粗大顆粒并作好記錄液體分散：選擇合適的分散介質(zhì)，比要時(shí)添加相應(yīng)的分散劑輔助分散。涂抹，攪拌和超聲波等都是常用的分散手段干粉分散：保證足夠多的試樣，避免粗大顆粒的統(tǒng)計(jì)劣勢；根據(jù)樣品性質(zhì)，選擇合適的進(jìn)樣方式；壓縮空氣須除油，除水；調(diào)節(jié)空氣壓力和真空度，產(chǎn)生適當(dāng)?shù)募魬?yīng)力第68頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月取樣誤差與分散誤差第69頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月取樣誤差與分散誤差樣品中如果含有大于100微米的顆粒，那么取樣的代表性在很大程度上決定分析結(jié)果的可靠性如果樣品中的顆粒大多小于10微米，那么樣品的分散技術(shù)將極大影響分析結(jié)果的重復(fù)性第70頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月干法測量中的分散問題第71頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月濕法測量中分散的理論和實(shí)際曲線第72頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月球形顆粒的表征濃度與粒度分布樣品最佳測試濃度與顆粒粒度分布范圍有關(guān)樣品濃度與激光束寬度，測量區(qū)域路徑長度，顆粒的光學(xué)特性和檢測器單元的精度有關(guān)為確定最佳樣品濃度，需進(jìn)行多次測量比較典型顆粒激光衍射測量濃度的上限與下限第73頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月片狀顆粒測量的表征濃度與粒徑分布第74頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月濃度控制測量光路中應(yīng)有一定的顆粒濃度以保證儀器最低的信噪比，同時(shí)，為避免復(fù)雜散射，測定濃度也應(yīng)有上限一般說來，濃度范圍受到激光束寬度，測量區(qū)路徑長度，顆粒的光學(xué)特性和檢測器靈敏度的影響顆粒的分布寬度直接影響試樣的最佳測量濃度為確定顆粒的最佳濃度范圍，應(yīng)在不同顆粒濃度下進(jìn)行多次測量濕法分散時(shí)，避免空氣泡對濃度的影響；干法測量也應(yīng)保證穩(wěn)定的物質(zhì)流第75頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月誤差分析與判斷試樣制備：不正確的取樣技術(shù)和/或不合適的傳輸裝置，導(dǎo)致顆粒沒有完全通過光路不正確的分散方式（液體介質(zhì)，分散劑和超聲波），導(dǎo)致團(tuán)聚顆粒不充分分散，或使不該破碎的顆粒被粉碎測量前或期間，試樣中含有氣泡，顆粒長大，再團(tuán)聚，溶解或蒸發(fā)，或者溫度變化導(dǎo)致折射系數(shù)的改變理論上的偏離球形假設(shè)的偏離，導(dǎo)致粒徑分布加寬顆粒表面并非光滑，折射系數(shù)中虛部常依賴于光的波長而變得更加不確定第76頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月誤差分析與判斷顆粒對光的作用通常是不均勻的，如多孔性材料，會導(dǎo)致大量細(xì)小顆粒的明顯出現(xiàn)，但實(shí)際并不存在錯(cuò)誤的光學(xué)模型，如使用夫朗和費(fèi)模型計(jì)算亞微米級的試樣不正確的光學(xué)參數(shù)，導(dǎo)致散射譜圖的錯(cuò)誤解析對理論模型約束條件的正確選用，依賴于制造商的儀器設(shè)計(jì)，檢測器的排布，信噪比的處理和經(jīng)驗(yàn)積累第77頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月粉體顆粒粒度是產(chǎn)品的主要質(zhì)量指標(biāo)，它可用來預(yù)測產(chǎn)品穩(wěn)定性、紙張涂層特性、顏料覆蓋能力、水泥凝固時(shí)間、藥物活性，食品色澤及口感等等，也是選擇分離設(shè)備，預(yù)測濾餅層的滲透性或比阻等的依據(jù)。粉體顆粒粒度在各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)監(jiān)控是現(xiàn)代化生產(chǎn)的重要手段。為什么他們關(guān)心粒度分布？第78頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月激光粒度分析儀的應(yīng)用051015202530AerospaceCementCeramicsChemicalsCosmeticsEnvironmentEnergyFood/DrinkMetalsMineralsPharmaceuticalUni/Govt051015202530AerospaceCementCeramicsChemicalsCosmeticsEnvironmentEnergyFood/DrinkMetalsMineralsPharmaceuticalUni/Govt第79頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)用領(lǐng)域大多數(shù)行業(yè)中高品質(zhì)的產(chǎn)品，在很大程度上，都取決于生產(chǎn)過程中的粒度控制，例如：水泥和爐窯等大多數(shù)的礦業(yè)領(lǐng)域，原材料都需要作粉體處理陶瓷工業(yè)中原料粒子的大小左右著燒結(jié)后的物理特性催化劑的粒徑大小直接影響化學(xué)反應(yīng)效率制藥行業(yè)中藥品顆粒的大小控制著溶解速度和效用食品的保質(zhì)期和口感與粒徑關(guān)系密切第80頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)用領(lǐng)域（一）1.電子元器件電容、壓電元件、濾光器、電阻元件等很多電子零部件都是由陶瓷制成的為了提高鈦酸鋇、氧化鋅、氧化鈦、碳酸鈣、鋁等主要原料的性能，需要添加各種金屬氧化物2.磁性材料氧化鐵，釹鐵硼等磁性材料通常作為精細(xì)加工的添加劑，例如，涂在磁帶上的氧化鐵，決定著VTR的顏色的好壞，盒式磁帶的音色的好壞。但是，一般情況下，濕法分散容易團(tuán)聚，通常使用空氣作為分散介質(zhì)的干法分散裝置測定其粒徑分布第81頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月3.磚瓦制造磚的用途非常廣泛。其原材料的粒徑分布在很大程度上決定了加工是否簡易，色澤是否優(yōu)美及使用的耐久性等諸多因素在建筑物和景觀中使用的各種各樣的瓦，其堅(jiān)固性，耐光性，耐水性，耐氣候性等優(yōu)點(diǎn)也取決于所使用的特定地域的粘土粒徑分布4.磨料磨具研磨劑的粒徑分布對于提高研磨特性非常重要，不僅僅是研磨劑制造方需要進(jìn)行生產(chǎn)控制，購買使用方也必須進(jìn)行粒徑監(jiān)測，如鋁研磨劑、鉆石研磨劑等。CMP，化學(xué)機(jī)械拋光，新興的半導(dǎo)體硅片生產(chǎn)方法，其漿料粒徑須嚴(yán)格控制應(yīng)用領(lǐng)域（二）第82頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)用領(lǐng)域（三）5.精細(xì)陶瓷瓷器彩繪時(shí)使用的染料、發(fā)色器具等均受到粒徑的影響陶瓷是在數(shù)百度到近2000℃的高溫下燒結(jié)而成的，燒結(jié)程度決定著產(chǎn)品的好壞，而能夠左右燒結(jié)程度的就是所含原材料的粒徑分布6.絕緣瓷瓶高壓變電器使用的瓷瓶也是一種精細(xì)陶瓷，耐更高電壓的瓷瓶研究正在研發(fā)之中7.陶瓷引擎普通使用的金屬制馬達(dá)不耐高溫，需用水冷卻，燃燒效率低陶瓷引擎耐高溫，無需冷卻，而且像CO2等廢氣排放也大大降低。目前，正成為以汽車制造商為首的各研究機(jī)構(gòu)的熱點(diǎn)第83頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)用領(lǐng)域（四）8.潤滑油的穩(wěn)定性和壽命潤滑油往往使用乳膠，其油滴的大小影響了其穩(wěn)定性和壽命。另外，壓延板材等的表面冷卻時(shí)使用的乳膠油滴的粒子徑分布也大大地左右著壓延潤滑性。乳膠的粒徑分布決定自身的穩(wěn)定性因而對壽命也有很大影響。9.輪胎和其他橡膠制品的質(zhì)量管理10.開采油田時(shí)的石油和混入物的檢查開采油田時(shí)常常檢查泥沙等非石油混入物。由混入量可推測使用儲量。在其他資源/能源等調(diào)查和開采過程中，粒子徑測定裝置也非常重要。第84頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)用領(lǐng)域（五）11.二次電池的開發(fā)和制造研制開發(fā)鎳-氫電池一直很熱門。制造該電池的原料要用到吸氫合金。原料吸氫合金的粒徑分布的不同將導(dǎo)致電池的使用壽命，充電、放電效率有很大差異，成為影響產(chǎn)品品質(zhì)的重要因素。12.塑料類的開發(fā)開發(fā)高性能樹脂，提高抗熱，抗壓等能力，符合加工簡單，透明度高等特征。需要在樹脂中混入各種粒子，粒徑跨越0.1μm至數(shù)10μm很寬的范圍。13.涂料、顏料的開發(fā)涂料和顏料的粒徑給印染時(shí)的顏色、光澤、退色等情況以很大的影響。從選擇材料到產(chǎn)品出廠，粒徑管理都發(fā)揮著重要的不可替代的作用。特別是從亞微粒子到微階粒子的控制成為需求頻度最大的范圍第85頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)用領(lǐng)域（六）14.開發(fā)催化劑以廢氣用催化劑為首，很多化學(xué)公司都開始開發(fā)各種各樣的催化劑。粒徑測定是不可或缺的重要實(shí)驗(yàn)之一。粒子徑從亞微粒子到數(shù)10μm的范圍內(nèi)都能自由控制，向著更細(xì)微化的道路前進(jìn)。粒子變小則表面積增大，催化效率就能提高。也常常同時(shí)使用比表面積計(jì)。15.開發(fā)新藥/質(zhì)量管理新藥研究和制造過程的粒徑控制非常重要。例如，胃藥在到達(dá)胃粘膜之前不能被融化掉，而到達(dá)后就發(fā)揮作用的醫(yī)藥的粒子徑管理。植物用藥也如此，控制粒徑使藥物達(dá)到某一目的地發(fā)揮藥效。在醫(yī)藥領(lǐng)域不但粒子徑，比表面積也是很大的檢查項(xiàng)目。另外，對于溶解于分散介質(zhì)的產(chǎn)品，如果想知道造粒粒子的實(shí)際粒子徑的時(shí)候，干式測定也很常用。16.水泥的生產(chǎn)和開發(fā)水泥質(zhì)量的好壞與其成分的粒子徑分布有很大關(guān)系第86頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)用領(lǐng)域（七）17.土壤的檢查農(nóng)