激光粒度仪工作原理

激光粒度仪的工作原理基于‌光散射理论‌，通过分析颗粒对激光的散射信号反推其粒径分布，核心步骤涵盖光的散射、信号采集与数学建模，具体流程如下：

一、光与颗粒的相互作用

‌散射现象‌

激光照射颗粒时，发生‌散射‌（主）、‌衍射‌（大颗粒）和‌折射‌（透明颗粒），散射光强度与颗粒大小直接相关。

米氏散射理论‌（Mie Theory）：适用于任意粒径（尤其0.1-1000μm），需已知颗粒和分散介质的折射率。

夫琅禾费衍射理论‌（Fraunhofer）：简化模型，仅考虑衍射光，适用于>10μm的不透明颗粒。

散射角与粒径关系‌

小颗粒散射光角度大且强度弱，大颗粒反之（散射角与粒径成反比）。多级探测器（环形阵列）捕获不同角度的散射信号。

二、信号采集与数据处理

动态光散射（DLS）原理‌

布朗运动‌：悬浮液中纳米颗粒（1nm-3μm）的无规则运动导致散射光强波动。

自相关函数分析‌：通过光子相关光谱（PCS）计算光强波动频率，推导扩散系数，利用斯托克斯-爱因斯坦方程计算流体力学直径。

静态光散射（SLS）/激光衍射法原理‌

散射光分布建模‌：测量不同角度的散射光强分布，结合米氏或夫琅禾费理论反演颗粒群的整体粒径分布（0.1-3000μm）。

矩阵反演算法‌：通过非负最小二乘法（NNLS）等数学优化，将光强数据转换为体积/数量加权分布。

三、仪器结构与工作流程

硬件组成‌

激光源‌：单色性好的He-Ne或半导体激光器（波长632.8nm或532nm）。

光学系统‌：傅里叶透镜组、多级光电探测器（前向、侧向、后向）。

分散系统‌：湿法（超声波分散池）或干法（气动分散器）。

典型测量流程‌

样品分散‌：湿法需添加分散剂，干法通过气流分散，确保颗粒单层分布。

信号采集‌：探测器记录散射光角度与强度，生成原始光强分布图。

软件分析‌：基于预设模型（如Rosin-Rammler、Log-normal分布）输出D10/D50/D90、Span值等参数。

四、关键影响因素

折射率设定‌：颗粒与介质的折射率误差会导致米氏模型的计算偏差。

分散均匀性‌：团聚或过高的浓度会引起多重散射，需稀释或延长超声时间。

模型选择‌：纳米颗粒优先用DLS，大颗粒用SLS，宽分布样品需多模型联合反演。

通过上述原理，激光粒度仪可在数秒至数分钟内完成从纳米到毫米级颗粒的快速、无损检测，广泛应用于质量控制与科研领域。