激光粒度儀作為一種新型的粒度測試儀器，已經在其它粉體加工與應用領域得到廣泛的應用。它的特點是測試速度快、重復性好、性好、操作簡便。對提高產品質量、降低能源消耗有著重要的意義。 

一、激光粒度儀的原理 

激光粒度儀是根據顆粒能使激光產生散射這一物理現象測試粒度分布的。由于激光具有很好的單色性和*的方向性，所以在沒有阻礙的無限空間中激光將會照射到無窮遠的地方，并且在傳播過程中很少有發散的現象。如圖1所示。

圖1激光束在*狀態下的傳播示意圖

米氏散射理論表明，當光束遇到顆粒阻擋時，一部分光將發生散射現象，散射光的傳播方向將與主光束的傳播方向形成一個夾角θ，θ角的大小與顆粒的大小有關，顆粒越大，產生的散射光的θ角就越小；顆粒越小，產生的散射光的θ角就越大。即小角度(θ)的散射光是有大顆粒引起的；大角度(θ1)的散射光是由小顆粒引起的，如圖2所示。進一步研究表明，散射光的強度代表該粒徑顆粒的數量。這樣，測量不同角度上的散射光的強度，就可以得到樣品的粒度分布了。

圖2不同粒徑的顆粒產生不同角度的散射光

為了測量不同角度上的散射光的光強，需要運用光學手段對散射光進行處理。我們在光束中的適當的位置上放置一個富氏透鏡，在該富氏透鏡的后焦平面上放置一組多元光電探測器，不同角度的散射光通過富氏透鏡照射到多元光電探測器上時，光信號將被轉換成電信號并傳輸到電腦中，通過軟件對這些信號進行處理，就會地得到粒度分布了，如圖3所示。

圖3激光粒度儀原理示意圖

二、水煤漿及其粒度分布特點 

水煤漿作為一種具有流動性的潔凈代油燃料，具有濃度高、粒度細、流動性好，燃燒效率高、環保節能、存儲安全等優點。已經廣泛應用于工業鍋爐、電站鍋爐和工業爐窯。除電站、鋼廠、煉化等企業的大型燃燒設備外，愈來愈多的中小型鍋爐（20噸以下）也開始燃用水煤漿。考慮到我國的能源結構和現實國情，政府正大力鼓勵水煤漿產業的發展，國家計委《中國潔凈煤技術"九五"計劃和2010年發展綱要》、國家經貿委《節約和替代燃料油"十五"規劃》和國家環境保護總局《國家環境保護"十五"計劃》中均將水煤漿技術的應用和推廣列為重點，在產業政策方面予以傾斜。因此水煤漿的產銷前景非常廣闊。 

就水煤漿的粒度測試而言，有以下三個方面的特殊問題必須解決： 

1、濃度大。在水煤漿中，煤所占的比例為65％－70％，水的比例為35％－30％，另外還有少量的添加劑。 

由于煤所占的比例較大，又是粘稠狀態，而激光粒度儀又要求在低濃度（小于0.5%）狀態下進行粒度測試，因此要求激光粒度儀的循環系統具有較大的容積和方便的進水和排放功能，才能將測試樣品的濃度控制在合理的范圍內，使測試得以順利進行。 

2、粒度分布寬。目前水煤漿的平均粒度一般在50um左右，小粒徑1um，大粒徑達到600um。也就是說，水煤漿的粒度范圍在1-600um。在這樣一個很寬粒度范圍內，要得到的粒度分布結果，*要求激光粒度儀的量程要大于水煤漿的粒度范圍；第二光電探測器要具有很高的靈敏度和穩定 性。只有這樣才能粒度測試的重復性和性。 

3、顆粒對光的吸收特性強。水煤漿的顆粒是黑色的，顆粒形狀也很復雜，對激光具有很強的吸收特性，而作為有效信號的散射光則相對較弱，因此需要配備大功率、高亮度的激光器，以增加有效信號，提高信噪比。 

4、需要精密自動調整系統和長壽命的激光器。激光粒度儀是一種精密的光學儀器。由于水煤漿在生產和使用過程中是連續進行的，粒度測試作為質量控制手段也需要隨生產過程一道連續進行，因此必須提高儀器的自動化程度，提高儀器的使用率，減少人工維護和調整時間，降低儀器的故障率。 

三、水煤漿激光粒度儀的研制 

根據水煤漿粒度測試的特殊情況，結合多年的激光粒度儀器的制造經驗，國家水煤漿工程技術中心與丹東百特儀器有限公司合作，經過一年多的刻苦攻關和成百上千次的實驗，終于在2002年下半年研制成功國內*臺水煤漿的激光粒度儀。該儀器的研制成功，結束了水煤漿粒度測試依賴進口的歷史。從此國內水煤漿用戶可以用上性能優良，價格低廉、服務及時、零配件供應充足的激光粒度儀，其綜合性能指標達到了國外同類儀器的水平。 

1、大容量的、大流量的循環分散系統。循環分散系統是激光粒度儀系統中的一個重要的裝置，它包括蠕動循環泵、超聲波分散器、攪拌器、測試窗組件、水池與排放裝置等。蠕動循環泵是一種通過對彈性的硅橡膠管的交替快速擠壓、恢復來使樣品流動的。由于循環過程中外力不直接與顆粒接觸，所以不會對顆粒造成任何影 響。它的流量達到2000ml/分鐘，大的水煤漿顆粒也不會沉淀在管路中。超聲波分散器直接固定在容積為800ml的水池底部，配以功率50W、頻率40KHZ的驅動電路,僅三分鐘就會使水煤漿顆粒處于良好的分散狀態。 

由直流電機和特制的葉片組成的攪拌器，將使水池中的樣品時時刻刻處于均勻懸浮狀態，輸送到儀器中的樣品均勻一致。測試窗是由石英玻璃制成，具有良好的光學特性，耐磨擦耐腐蝕，拆卸和安裝極為方便。排放裝置是由特殊設計的控制閥和相應的管路組成，操作方便、安全可靠、絕不漏水。 

2、拓寬儀器的測試范圍。常見的激光粒度儀的測試范圍一般在300um以下，隨著粉體超細化趨勢的增長，激光粒度儀的測試范圍也在向超細方向發展。而水煤漿激光粒度儀在測試范圍上的主要矛盾則恰恰相反，就是要對粗端顆粒進行有效測量，測試上限必須大于700um。通過反復試驗和計算，我們設計了大口徑長焦距的富氏透鏡和回折式光學系統，使測試范圍達到0.68-951um，在此范圍內的散射信號都能夠被有效接收，這樣的粒度范圍滿足水煤漿的粒度測試需要。 

3、大功率的激光器與高靈敏度的光電探測器陣列。由于水煤漿顆粒對光的吸收特性強，散射信號弱，要使散射信號達到一定的強度并有效接收，必須提高入射光的強度，提高光電探測器的靈敏度。為此我們選用了大功率半導體激光器，該激光器的功率是一般激光粒度儀所用激光器的5倍。 

同時研制成功了具有76個光電探測器的高靈敏度的光電探測器陣列。該器件采用大規模集成電路的制造工藝，在同一個硅片上通過多次光刻而成，這樣不僅了光電探測器的靈敏度，而且在線性范圍內每個光電探測器的線性度一致。不僅如此，由于采用多達76個光電接收器陣列，是儀器的分辨率大大提高。 

4、精密三維自動對焦系統和長壽命的激光器。激光粒度儀是一種精密的光學儀器。光電探測器的中心點直徑只有150um。光電探測器就分布在該中心點外不同半徑的同心圓上。因此對焦系統稍有偏移，*的匯聚光束就將照射在靠近圓心的光電探測器上，光電探測器將處于飽和狀態，無法接收有效的散射信號。在此狀態下進行測試，將產生錯誤的測試結果。為此我們研制了精密三維自動對焦系統。該系統包括步進電機、執行機構、控制軟件等組成。步進電機的控制精度小于10um，可以在電腦控制下隨時矯正焦點的偏差，使系統始終處于*狀態。 

激光器是激光粒度儀的關鍵部件。該器件的質量、性能、壽命對整個系統有著至關重要的影響。本系統所采用的激光器為半導體激光器，它的壽命是一般氦-氖激光器的4倍，并且不需要預熱，功耗低，可連續長時間工作，因此大大降低了儀器的故障率。 

5、軟件系統。激光粒度儀的關鍵在于如何將散射信號還原成粒度信息。這個還原過程就是軟件的運行過程。本儀器的軟件全程采用米氏散射理論，充分考慮顆粒的吸收特性，儀器背景、樣品濃度等因素，得到的分析數據具有很好的真實性。此外，通過該軟件可以實時監測測量過程，可直觀察測量過程中樣品濃度、粒度、分散狀態的變化情況。還具有結果存儲、查詢、比較、合并、編輯、刪除、幫助等功能功能。打印報告單具有中、英文六種不同的格式，內容包括區間粒度分布數據與直方圖、累計粒度分布數據與曲線、典型粒徑值(如D3、D10、D25、D50、D75、D84、D90、D97、D98)等等。報告單的格式、版面、顏色、字體可以根據需要任意編輯。系統采用串行信號通訊方式，儀器可以與任何型號的與IBM兼容的電腦相連。