一种带斜置梯形窗口的激光粒度仪的制作方法

本实用新型涉及仪器仪表领域，特别涉及一种带斜置梯形窗口的激光粒度仪。

背景技术：

利用散射光的角度分布与散射颗粒的大小有关的原理，即米氏散射理论或其近似解夫琅和费衍射理论，通过测量颗粒散射光场的角度分布，计算颗粒大小及其分布的仪器，称为“激光粒度分析仪”或“激光粒度仪”。它已成为当前用途最为广泛的粒度测量仪器，在工业生产和科学研究中具有重要价值。激光粒度仪能测量的最小颗粒尺寸，称为“测量下限”，是仪器性能的重要指标。而根据颗粒的光散射规律，颗粒越小，散射角越大。因此要想测量较小的颗粒，首先要让大角度的散射光到达光电探测器(光电探测器包含大角探测器和主探测器)；同时，由于粒径远小于照明光的波长时，散射光极其微弱(单位体积的颗粒群产生的散射光强与颗粒尺寸的四次方成正比)，因此还要有效阻挡周围杂散光的干扰，才能较准确地测量大角度的散射光。

激光粒度仪的原理如图1所示。它主要由激光光源(激光光源内含扩束器)、会聚透镜、测量池、大角探测器阵列、主探测器阵列等部分组成，测量池主要由两块相互平行的平板玻璃后玻璃和前玻璃以及支撑它们的机械结构组成，玻璃垂直于系统的光轴。待测颗粒置于测量池内。在大多数情况下，待测颗粒需要液体介质(称为“分散介质”或“悬浮介质”)分散并悬浮。主探测器阵列和大角探测器阵列则放置在空气中，因此散射光需从液体穿过玻璃进入空气，才能被探测到。如图2所示，当散射角比较小时，散射光能够从测量池的前玻璃出射；但是当散射光的角度增大后，散射光对测量池后玻璃的入射角也随之增大，当散射角大于临界角(对水介质来说，临界角为48.75°)时，散射光将在玻璃/空气界面上发生全反射，即散射光不能进入空气，也就不能被光电探测器探测到，此时的散射角称为“超大散射角”。现有的激光粒度仪将照明光对窗口正入射，则散射光的散射角等于散射光对前玻璃的入射角，此时全反射的制约使得激光粒度仪的测量下限只能达到0.3μm左右。

为了扩展激光粒度仪的测量下限，必须设法突破全反射限制。目前最常用的方法是用两束甚至三束照明光分时照射颗粒。图3是一种两束照明光的激光粒度仪的原理示意图。其中一束照明光正面垂直入射到测量池，称为“主光束”，其作用与传统激光粒度仪的照明光相同，另一束从后玻璃倾斜入射到测量池内，称为“辅光束”。用这种方法可以有效扩大散射光的接收角度范围。然而，这种方法的缺点是需要两套照明系统，结构复杂。更大的问题是，主光束产生的散射光数据与辅光束产生的散射光数据的衔接，往往不太理想。当待测颗粒的散射光分布主峰处在接缝附近时，其粒径及分布往往测得不好。

有人提出了解决全反射限制的另一种方案，即梯形窗口方案，如图4所示。其构思是把前玻璃适当加厚，并做成梯形。这样较小角度的散射光跟传统光路一样，从前玻璃的平行面出射到空气，而超大角散射光则可以从前玻璃的斜面出射到空气。然而迄今为止，这种方法并未在商品化激光粒度仪上使用。究其原因，为了增加测量的采样代表性，入射光束都有一定的截面宽度(直径典型值为10mm)，从平行面出射、散射角较大但又小于超大散射角、方向朝上的散射光，进入空气后会射向斜面测量区，从而干扰超大角散射光的测量，如图5所示；而从斜面出射、散射角较小的散射光也会串扰到平面测量区，干扰较小角度的散射光的测量。为解决上述相互串扰的问题，可以在平行面和斜面交接的棱上加一挡光板，但由于仪器在使用过程中测量窗口需要经常插拔，所以加挡光板的方案实施起来并不容易。

此外，超大角散射光携带的信息主要来自亚微米颗粒的散射。当粒径远小于光波长时，散射光极其微弱。探测时除了要防止来自平行面的较小角度的散射光的干扰以外，还要防止其他杂散光的干扰。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种带斜置梯形窗口的激光粒度仪，既能解决全反射限制，让超大角散射光被光电探测器探测到，实现超大散射角的接收，又能有效防止平行面出射的散射光与斜面出射的散射光之间的相互串扰，同时能够有效阻挡杂散光的干扰。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种带斜置梯形窗口的激光粒度仪，包括激光光源，会聚透镜设置于所述激光光源的前方，包含平行设置的后玻璃和前玻璃的测量池设置于所述会聚透镜的前方，主探测器阵列设置于所述前玻璃的前方，大角探测器阵列设置于所述前玻璃的右下方，内置若干超大角探测器的超大角接收装置设置于所述前玻璃的右上方，所述超大角探测器用隔板隔开，外围设置有围板，所述前玻璃的截面为梯形，所述后玻璃和前玻璃均倾斜放置。

优选的，所述后玻璃和前玻璃共同相对于光轴倾斜8°～12°。

优选的，所述后玻璃和前玻璃共同相对于光轴倾斜10°。

优选的，在所述前玻璃的平行面和斜面相交的棱上固接有挡光板。

优选的，所述超大角接收装置呈格栅状。

优选的，在所述测量池的左下方设置有反射光兜。

采用上述技术方案，由于前玻璃的截面为梯形，而且后玻璃和前玻璃均倾斜放置，入射光束进入测量池后，有一部分光会被测量池内的待测颗粒散射，较小角度的散射光从前玻璃的平行面出射到空气中，并被主探测器阵列和大角探测器阵列探测到；超大角散射光从前玻璃的斜面出射到空气中，并被超大角探测器阵列探测到，即使散射角增大到90°，也能从斜面出射到空气中。在一套照明系统的前提下，既能解决全反射限制，让超大角散射光被超大角探测器探测到，实现超大散射角的接收，又能有效防止平行面出射的散射光与斜面出射的散射光之间的相互串扰。由于超大角探测器用隔板隔开，外围设置有围板，能够有效阻挡杂散光的干扰。本实用新型使得激光粒度仪的测量下限能够达到0.15μm以下。

附图说明

图1为现有技术中常规的激光粒度仪的原理示意图；

图2为入射光束进入测量池后的几种散射情况示意图；

图3为一种两束照明光的散射情况原理示意图；

图4为前玻璃采用梯形窗口方案的原理示意图；

图5为前玻璃采用梯形窗口方案时平行面出射的散射光和斜面出射的散射光相互串扰的示意图；

图6为本实用新型的原理示意图；

图7为本实用新型中测量池的结构示意图；

图8为本实用新型中超大角接收装置的结构示意图。

图中，1-激光光源，2-会聚透镜，3-测量池，301-后玻璃，302-前玻璃，3021-平行面，3022-斜面，4-大角探测器阵列，5-主探测器阵列，6-待测颗粒，7-入射光束，701-入射光束上边缘，702-入射光束下边缘，801-较小角度的散射光，802-临界散射光，803-超大角散射光，901-主光束，902-辅光束，10-超大角接收装置，101-超大角探测器，102-围板一，103-围板二，104-围板三，105-隔板一，106-隔板二，107-隔板三，108-隔板四，109-隔板五，11-挡光板，12-反射光兜，13-反射光束，14-光线一，15-光线二，16-杂散光一，17-杂散光二，18-杂散光三。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图6所示，本实用新型公开的一种带斜置梯形窗口的激光粒度仪，包括激光光源1、会聚透镜2、包含平行设置的后玻璃301和前玻璃302的测量池3、大角探测器阵列4、主探测器阵列5和超大角接收装置10，会聚透镜2设置于激光光源1的前方，在本实施例中，前方指的是右方，测量池3设置于会聚透镜2的前方，大角探测器阵列4设置于前玻璃302的右下方，超大角接收装置10设置于前玻璃302的右上方，主探测器阵列5设置于前玻璃302的前方，前玻璃302的截面为梯形，后玻璃301是常见的平板玻璃，后玻璃301和前玻璃302均倾斜放置，超大角接收装置10内置若干用隔板隔开的超大角探测器101。

图7示出了本实用新型中测量池的结构。本实用新型将后玻璃301和前玻璃302倾斜放置，这样，入射光束7进入测量池3后，一部分光被待测颗粒6散射，形成散射光，经过前玻璃302出射，较小角度的散射光801从前玻璃302的平行面3021出射到空气中，并被主探测器阵列5和大角探测器阵列4探测到；超大角散射光803从前玻璃302的斜面3022出射到空气中，并被超大角探测器101阵列探测到。即使散射角增大到90°，也能从斜面3022出射到空气中，并被探测到。将后玻璃301和前玻璃302倾斜放置，还能使反射光束13的行进路径与入射光束7的行进路径分离。后玻璃301和前玻璃302共同相对于光轴倾斜8°～12°，优选10°。

为避免出现相互串扰的问题，在前玻璃302的平行面3021和斜面3022相交的棱上固接有挡光板11，这样在平行面3021和斜面3022相交的棱附近，从斜面3022出射的散射光不能传到平行面3021那一侧，从平行面3021出射的散射光也不能传到斜面3022那一侧。由于激光粒度仪在使用过程中，测量池3需要经常插拔，因此挡光板11的宽度应恰当设置，在本实施例中，以2mm为宜。挡光板11的宽度太大，则不方便将挡光板11随同测量池3一同插拔；挡光板11的宽度太小，则有可能还会出现相互串扰的问题。

图8示出了超大角接收装置的结构。超大角接收装置10呈格栅状，内置若干超大角探测器101，各个超大角探测器101之间用隔板一105、隔板二106、隔板三107、隔板四108和隔板五109隔开，外围设置有围板一102、围板二103和围板三104。在不影响测量池3的插拔，不阻挡所需散射光进入对应的探测器的前提下，围板一102、围板三104和所有隔板都尽可能前伸。

在测量池3的左下方设置有反射光兜12，用于接住入射光束7进入测量池3后被后玻璃301和前玻璃302反射回来的反射光束13，并将其吸收，使反射光束13不会被二次反射，形成杂散光。

为了更好地说明本实用新型的结构，现举例说明超大角接收装置10的工作过程。例如，从平行面3021出射的光线一14，即使越过了挡光板11的顶端行进到斜面测量区，也将被隔板五109阻挡，从而不会照到超大角探测器101上；从斜面3022出射到平行面测量区的光线二15，将被挡光板11挡住，不能进入平行面测量区。这样，可以在不影响测量池3的插拔的前提下，有效防止了平行面3021出射的散射光与斜面3022出射的散射光之间的相互串扰。另外，隔板和围板也阻止了周围环境的杂散光的干扰。例如，杂散光一16将被围板一102挡住，杂散光二17将被隔板一105挡住，杂散光三18将被围板三104挡住。

以上结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但本实用新型不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本实用新型原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本实用新型的保护范围内。