激光粒度仪操作技术指南.doc

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1、CJSWCJSW长江委水文局水文监测技术规定 CJSW-CSWCY-06-A激光粒度分布仪长江泥沙颗粒分析技术指南Technical guide for particle size analysis in Yangtze River with laser grain-size analysis meter（征求意见稿）2006 - - 发布 2006 - - 试行长江水利委员会水文局 发布长江委水文局水文监测技术规定激光粒度分布仪长江泥沙颗粒分析技术指南Technical guide for particle size analysis in Yangtze River with laser

2、grain-size analysis meterCJSW-CSWCY-06-A主编单位: 长江委水文局水文技术管理处批准部门: 长江水利委员会水文局试行日期: 2006 年 月 日长长江水利委江水利委员员会水文局会水文局2006 武汉长江水利委员会水文局关于发布激光粒度分布仪长江泥沙颗粒分析技术指南的通知水文技2006 号我局组织编写的激光粒度分布仪长江泥沙颗粒分析技术指南，已通过有关部门审查。现批准激光粒度分布仪长江泥沙颗粒分析技术指南CJSW-CSWCY-06-A 为我局水文监测技术规定，并予以发布。本指南自 2006 年 月 日起试行。本指南由技术管理处负责解释。在试行过程中，各单位应

3、注意总结经验，如有问题请函告技术管理处。长江水利委员会水文局二六年 月 日核准核准: :审核审核: :审查审查: :校核校核: :主要编写人员：主要编写人员： 前 言为了推广应用激光粒度分布仪长江泥沙颗粒分析,保证激光粒度分布仪在河流泥沙颗粒分析中操作规范化及资料处理精度，为今后补充修改相关行业标准作好技术准备，我局特组织编制激光粒度分布仪长江泥沙颗粒分析技术指南(简称指南)，供各单位在使用激光粒度分布仪泥沙颗粒分析时遵循和执行。本指南是在认真总结我局激光粒度分布仪长江泥沙颗粒分析工作的实践经验，参考国内外有关使用经验和技术资料，针对需要解决的实际问题开展大量室内外比测试验与研究工作，并广泛征

4、求我局有关单位和专家意见的基础上编制而成。鉴于本指南系初次编制，希望各单位结合激光粒度分布仪长江泥沙颗粒分析实践和科学研究，注意积累资料，如发现需要修改和补充之处，请将意见和建议反馈技术管理处或水文技术研究所，以便今后改进、完善。本指南解释单位：技术管理处本指南主编单位：技术管理处本指南参编单位：长江水文技术研究所荆江水文水资源勘测局长江下游水文水资源勘测局长江口水文水资源勘测局长江水利委员会水文局二 OO 六年 月目目 次次1 1 总总 则则.12 2 仪器设备技术选型仪器设备技术选型.23 3 仪器基础参数设置仪器基础参数设置.43.13.1 仪器安装调试及检测要求仪器安装调试及检测要求

5、.43.23.2 基础参数的设置基础参数的设置 .44 4 分析过程质量控制与资料整理分析过程质量控制与资料整理.74.14.1 激光粒度仪操作步骤及技术规定激光粒度仪操作步骤及技术规定 .74.24.2 结果数据的合理性检查结果数据的合理性检查 .94.34.3 结果输出结果输出 .95 5 标准样本库的建立与管理标准样本库的建立与管理.115.15.1 标准样本库定义标准样本库定义 .115.25.2 建立标准样本库要求建立标准样本库要求 .115.35.3 标准样本库的制作方法标准样本库的制作方法 .125.45.4 标准样本库的扩充标准样本库的扩充 .135.55.5 标准样本库的维护

6、与应用标准样本库的维护与应用 .136 6 分析成果质量控制分析成果质量控制.166.16.1 质量控制质量控制 .166.26.2 报批制度报批制度 .167 7 操作人员培训操作人员培训.18附录附录 A A 激光粒度分布仪测量基本原理激光粒度分布仪测量基本原理.19附录附录 B B 激光粒度分布仪相关名词解释激光粒度分布仪相关名词解释.27条文说明条文说明.3511 总 则1.0.11.0.1 为规范我局激光粒度分布仪长江泥沙颗粒分析的使用，确保分析资料成果质量，为今后补充修改相关行业标准作好技术准备，特编制本指南。1.0.21.0.2 本指南规定了我局使用激光粒度分布仪作为基本资料测量

7、手段的颗粒分析方法。从事其它水文泥沙颗粒分析可参照执行。1.0.31.0.3 使用激光粒度分布仪进行泥沙颗粒分析，除参照本指南外，尚应执行现行国家行业标准和规范。1.0.41.0.4 指南中有关河流泥沙颗粒分析的基本要求、术语、符号和含义均遵循国家现行有关标准。1.0.51.0.5 本指南的内容及要求适应于激光粒度分布仪河流泥沙颗粒分析。22 仪器设备技术选型2.0.12.0.1 激光粒度分布仪选型要求应根据测验河段水沙运动特性、泥沙组成特征，并结合长江含沙量变幅大，且低含沙量时段较长、泥沙颗粒级配分布较宽等特点，进行仪器设备的购置和技术选型。2.0.22.0.2 主要工作参数选型时参考的主要

8、工作参数见表 2.0.2。表 2.0.2 各型激光粒度分布仪的工作参数仪器型号测试粒径范 围()m粒径 间隔平均使用 寿命h波长 nm功率 mwMS-20000.0220009630000632.8（红光） 466（蓝光）10BT-20020.689517620000635（白光）10BT-9300H0.103407620000635（白光）10说 明1.MS-2000 为英国马尔文仪器公司产品； 2.BT-2002，BT-9300H 为丹东市百特仪器有限公司产品；2.0.32.0.3 应注意以下技术事项：1 1 工作参数中测试粒径范围应根据测验河段泥沙级配组成变化范围、颗粒分析资料需求选择。

9、对每一个样品的颗粒级配应能一次分析完成，避免两种或两种以上的组合方法分析。2 2 激光粒度分布仪通道表示粒径级间隔。通道越多，仪器分辨率越高。3 3 激光粒度分布仪除根据粒度分析的需要选择外，还应根据3性价比、分析精度以及自动化程度等因素综合考虑。宜首选自动化程度高、分析精度满足水文行业标准要求的激光粒度分布仪，再综合考虑仪器性价比等其它条件。2.0.42.0.4 推荐及技术参数性能不同厂家生产的仪器，即使是同类激光衍射测量原理的产品，由于设计方法、加工精度、数据处理、技术参数、性能等方面的不同，同一样品所得到的结果也往往存在差异。因此，在购置仪器选型时，长江水文宜选择同一型号的激光主机，再根

10、据不同河段的泥沙组成特征，选择 12 个适合的进样器（或称分散器），以减少和避免因仪器结构不同而引起的测量分析结果差异。如英国马尔文公司生产的 Hydro 2000MU 型进样器测量粒径范围为 0.022000um，进样器容积在 600ml 左右，可用于粒度分布宽和样品较多的颗粒测量；Hydro 2000S 型分散器测量范围为0.02600um，液体容积为 50120ml，适合少沙量样品测量。2.0.52.0.5 激光粒度分布仪测量原理、仪器结构及主要性能指标见附录 A。43 仪器基础参数设置3.13.1 仪器安装调试及检测要求仪器安装调试及检测要求3.1.13.1.1 应严格按照激光粒度仪使

11、用手册进行仪器安装与调试。3.1.23.1.2 当仪器安装调试完毕后，须参照激光粒度仪使用手册的规定进行检测，各项性能指标经严格检测通过后，方可正式启用。3.23.2 基础参数的设置基础参数的设置3.2.13.2.1 基础参数包括：分散时间、超声强度、泵（搅拌器）速、测量时间（快照次数）、遮光度、吸收率、折射率等。各参数的参考设置值见表 3.2.1。表 3.2.1 基础参数设置参考指标参数 名称遮光 度泵速 (转/分)测量 时间 (秒)分散 时间 (分)超声 波强 度水的 折射 率颗粒 吸收 率颗粒 折射 率参数 设置5 182300 3200638141.331.51.6注：以 MS2000

12、 Hydro 2000MU 型为例3.2.23.2.2 分散颗粒较细的粘性泥沙在水中受电化学的作用，容易形成絮状的团粒，传统的处理方法是加反凝剂使其分散。激光粒度仪提供了超声波分散功能，试验表明，超声分散停止后细小泥沙颗粒团聚能力5较分散前会更强，可能导致测量结果偏粗，超声强度过大有可能分裂易碎的晶体颗粒，因而宜谨慎使用超声波分散。1 1 马尔文系列仪器可使用超声波分散，但应选用合适的超声波强度；也可使用反凝剂分散。2 2 百特系列仪器宜采用加反凝剂（即活性物质）分散的方法。3.2.33.2.3 泵（搅拌器）速泵(搅拌器)的作用是保持样品杯里的悬浮颗粒均匀分散，然后将颗粒输送到流动样品池内测量

13、。适宜的速度应该是在不使大颗粒沉淀下来的同时，让大颗粒以与较小颗粒近似相同的速度穿过流动样品池，以使速度偏移量的作用不会影响最终结果。泵(搅拌器)速过小不能使较粗颗粒均匀分散和流动，太大容易产生过多气泡和细化泥沙颗粒，并都会对测量结果产生影响。选用泵（搅拌器）速大小应遵循颗粒大则泵速大，颗粒细则泵速小的原则。泵速一般采用30004000(转/分钟)为宜，以 3200 最佳。3.2.43.2.4 遮光度与最低沙量遮光度是反映测量时每次激光束中有多少样品的指标，其大小与颗粒多少成正比且与颗粒的组成有关。实验结果表明，遮光度如果太高可能发生多重衍散，太低会显示信号不足、并且影响其测量精度。遮光度范围

14、可选择在 520 之间，以 814 为佳。为满足遮光度大于 5 的要求，当分析沙量较小时，宜使用 Hydro 2000S 型进样器，如使用 Hydro 2000MU 型进样器，则要求分析沙重应在 0.1 克以上。63.2.53.2.5 测量时间（快照次数）测量时间与快照次数是相互关联的，即每秒为 1000 次测量快照，以此类推。最佳的测量时间由样品颗粒大小形状及分布范围决定，如果物质是单模的，其基本粒度特征可用较少的快照捕获到，而较宽粒度分布的物质需要较长的测量时间。河流泥沙颗粒的测量时间在 312 秒之间时其测量结果都很稳定。据分析，3000 次快照能满足捕获级配特征要求，最佳值 6000

15、次测量快照适合各种粒径样品。3.2.63.2.6 吸收率和折射率由于不同的物质都有其特定的折射率和吸收率，有的很大也有的为零，采用激光粒度仪进行测量时，必须知道分散介质的折射率和被测物质的折射率和吸收率。折射率和吸收率有系数匹配、折光仪和平均值等确定方法。一般取主要物质的平均值。分析时，分散介质水的折射率可采用 1.33 为确定值，被测物质泥沙颗粒的吸收率及折射率，会随着其组成的差异而稍有变化，一般分别为 1.5 和 1.6。74 分析过程质量控制与资料整理4.14.1 激光粒度仪操作步骤及技术规定激光粒度仪操作步骤及技术规定4.1.14.1.1 分析用水和样品备制激光粒度仪分析时需用较多的洁

16、净水来稀释样品浓度和清洗样品池等，一般将自来水存放 24 小时，把过多的气体释放后即可作为分析用水。样品备制内容包括过筛（去杂质）、反凝剂分散（同吸管法）、取代表样等。4.1.24.1.2 开机、关机及预热开机顺序：附件（如 Hydro 2000MU 等）仪器主机。关机顺序：仪器主机附件。仪器开机后一般要求预热不少于 20 分钟。4.1.34.1.3 测量1 1 启动测量程序和建立测量文件双击 Mastersizer 2000 图标启动测量程序，在 Measurement Data 目录下建立存放原始测量数据的文件（其后缀为.mea）。2 2 新建 SOP（标准操作程序）测量有手动和 SOP

17、两种方法。河流泥沙一般使用 SOP 进行测量。新建 SOP 过程如下：点击图标“配置”“新建 SOP”“下一步”“Hydro 2000MU”“下一步”在该处有 3 个项目需要设置：81）模型一般选择“通用”；2）分散剂名称选择“water”；3）点击“物质”“添加”把名称后的“新样品物质”换成“悬沙或床沙等”，填折射率参数，填吸收率参数，按“确定”后返回“下一步”填写样品名称、来源、类型等“下一步”选择“输出模板”“下一步”填写测量时间（背景时间相同）、测量快照（背景快照相同），也可设置遮光度、洁净度超常报警限制“下一步”泵（搅拌器）速、超声强度设置“下一步”每个样循环测量 3 次并创建平均结

18、果，延迟 35 秒点击“完成”保存后缀为.SOP 的文件即完成新建 SOP 过程。3 3 编辑或另存 SOP 文件当新建一个后缀为.SOP 文件以后，下次测量同一测站同类样品的不同测次沙样时，仅需对样品标记进行改动即可，其操作步骤如下：点击图标“配置”“现有 SOP”选择要修改的 SOP 文件名打开“标记”对“样品名称”中的测次和相对水深等内容进行修改完成后按“确定”保存。如果不同测站或样品种类不同，操作步骤与前面相同，只是保存时另存文件名即可。4 4 使用 SOP 测量完成 SOP 设置后，点击图标“测量”启动 SOP：系统自动对光、测量背景、加入试样至合理的遮光度范围、测量样品、显示测量结

19、果、点击“关闭”等，根据信息提示逐步进行即完成一个样品的测量并自动保存结果。9完成一个样品的测量后，必须用干净水清洗循环系统，清洗不少于三次。5 5 手动测量手动一般用于一次性测量，也可在正式测量前感觉一下样品，在图标“测量”目录下启动“手动”，其它操作步骤与 SOP 测量基本相同。4.24.2 结果数据的合理性检查结果数据的合理性检查4.2.14.2.1 当一个样品的测量完成后，应对其测量结果进行合理性检查，主要内容有结果图形、拟合与残差、重现性等。理想的结果图形应该是圆滑单峰图形。残差值一般宜小于 2%。一个样品一般重复测量 3 次，取平均值作为测量结果，如重现性差则要剔除不正常的结果或重

20、新取样测量。4.34.3 结果输出结果输出4.3.14.3.1 设置用户粒度分级（粒径级划分）粒径级设置：点击编辑菜单用户粒度分级添加或删除生成粒度分级保存。4.3.24.3.2 创建平均结果创建平均结果有 2 种方式，一种在 SOP 中事先设置好，测量完成后自动创建平均结果；另一种在测量完成后选择相关的测量记录，单击右键创建平均结果输入新名保存即可。4.3.34.3.3 结果输出10结果数据的合理性检查完成后，可用模板的方式输出测量参数和数据等内容。115 标准样本库的建立与管理5.15.1 标准样本库定义标准样本库定义5.1.15.1.1 标准样本库是指按照一定的规范格式，存储传统法与激光

21、法标准级配样本资料的数据文件，其文件扩展名为 DDG。5.1.25.1.2 标准级配样本：同一泥沙样品，分别用激光法与常规粒吸结合法，按规范分析操作所得出一组对应级配数据，即单次（激光法分析 3 次平均值）激光粒度仪悬沙颗粒级配（粒径体积百分数）按 4.1.2 条执行；常规粒吸结合法（粒径小于某粒经沙重百分数）颗粒级配按应严格按照行业标准河流泥沙颗粒分析规程（SL42-92）执行。5.1.35.1.3 标准样本应具有代表不同水沙级、不同泥沙颗粒组成，包括物质比值、形状、密度、体积等不同类型的泥沙样品。5.1.45.1.4 标准样板库中 n 个标准样本代表种不同沙型相关形式，存在 n 个相关转换

22、式。传统转换手段是采取综合概化相关式、单一级配特征值进行归类、判别的方法，难免以一概全；而标准样本库可使相关转换式多样化，采取多特征值层层筛选、判别，转换过程与方式更为细致、合理，准确。5.1.55.1.5 转换方法与技术处理见附录 B。5.25.2 建立标准样本库要求建立标准样本库要求5.2.15.2.1 建立标准级配样本库应满足下列要求：1 1 能为转换提供标准参照样本；122 2 能提供具有广泛代表性颗粒级配相关式；3 3 能便于转换级配各种特征值计算、图表绘制、成果输出；4 4 能保证级配转换成果精度和提高转换工作效率；5 5 能便于数据自动化处理。5.2.25.2.2 标准级配样本库

23、样本库原始数据以 DDG 类型的文件加以存储，样本特征值计算后将存放在后台数据库中。由于转换系统是利用标准样本作为转换条件和精度控制的。因此，样本的质量是系统转换成果准确性关键。 5.2.35.2.3 按 5.1.2 条规定分析的激光法与传统法相关系数应R20.9，经合理分析后，方可作为标准样本。5.35.3 标准样本库标准样本库的制作方法的制作方法5.3.15.3.1 标准样本数据文件应将样本资料按泥沙特性分片（区）组织。每个片（区）样本资料组成一个数据段。标准样本数据文件由若干个数据段组成。5.3.25.3.2 标准样本数据文件格式1 1 一个数据段以样本标识符+空格+片（区）+空格+“=

24、”开始。样本标识符表示样本的基本特征。标识符“悬沙 MS2000”表示样本是利用 MS2000 型激光粒度仪对悬沙测定的，标识符“悬沙BT2002”表示样本是利用 BT2002 型激光粒度仪对悬沙测定的。在同一个样本数据文件中，不同数据段的样本标识符要一致。“=”表示一个片（区）样本资料的开始。2 2 第二行为粒径使用的单位，可选粒径单位有毫米、微米。3 3 第三行为粒径分布情况，应按粒径的大小从大到小输入。134 4 第四行数据为对应于各个粒径级的激光法百分数，第五行数据为传统法百分数，以此类推。每两行资料组成一对级配对比资料。5 5 当样本资料输入完毕以后，换行输入“”表示一个片（区）样本

25、资料输入完毕。6 6 一个数据段内部不能出现空行，各数据段之间可任意空行。7 7 在 DDG 文件的结尾应换行输入“/end”，表示样本数据结束。8 8 在“/end”标志后，可以加注样本资料注释信息，注释信息必须以“/*”开始，以“*/”结束。5.3.35.3.3 标准样本库格式见附件C。5.45.4 标准样本库的扩充标准样本库的扩充5.4.15.4.1 标准样本库中标准样本数量不限，可任意扩充。扩充的方式有两种：一种是在原有数据段中添加标准样本数据；另一种是增加新数据段。1 1 对于粒径分布不变的情况，宜采用第一种方法扩充样本；2 2 对于粒径分布变化的情况，宜采用第二种方法扩充样本。5.

26、4.25.4.2 标准样本库的扩充时机、要求和方法须参照附录D执行。5.55.5 标准样本库的维护与应用标准样本库的维护与应用5.5.15.5.1 应专人负责标准样本库的扩充与管理。145.5.25.5.2 不允许未经校核和审查批准任意变更标准样本数据；严禁不满足质量要求的样本数据录入标准样本库。5.5.35.5.3 修改标准样本库时应进行备份，防止误操作对标准样本库的损害。5.5.45.5.4 标准样本库管理维护人员应对各个数据段资料进行注释说明，以明确各个数据段的代表意义。5.5.55.5.5 标准样本库的检验1. 应不定期利用不同水沙条件下的分析样本对标准样本库进行检验。检验方法如下：（

27、5.5.5-1） iiiPPP（5.5.5-2）nP Pniii （5.5.5-3）2/122 nP （5.5.5-4）2X式中： 激光法转换的传统级配为累计小于某一粒径沙重iP百分数（%）； 传统粒吸结合法分析的累计小于某一粒径沙重百分数 iP（%）；15为转换与传统粒吸结合法分析的某一粒径沙重iP级配百分数差值；为转换与传统粒吸结合法分析的某一粒径沙重iP级配百分数的系统偏差绝对值；为标准差；为随机不确定度（置信水平为 95）X为某一粒径级i为某一粒径系列样本总数n2 2 如转换成果得出的精度指标满足（SL42-92）2.1.2 条iP规定，则检验合格；否则，在分析原因的基础上，按 4.2

28、.1 条执行后，将该次分析成果扩充为标准样本。166 分析成果质量控制6.16.1 质量控制质量控制6.1.16.1.1 采用激光粒度分布仪进行泥沙颗粒分析应按照本指南的第 3、4、5 章进行过程控制。6.1.26.1.2 处理激光粒度分布仪分析数据的自编软件必须通过勘测局的审查方可使用。6.26.2 报批制度报批制度6.2.16.2.1 激光粒度分布仪用于水文站泥沙颗粒基本资料分析时，其投产使用实行报批制度。6.2.26.2.2 在投产使用前，各水文站应收集本站激光粒度分布仪的颗粒分析资料，并与粒吸结合法资料进行对比分析，编制对比分析报告，经勘测局组织审查后报水文局技术管理部门审批。6.2.

29、36.2.3 分析报告应包含如下主要内容：1 1 测站基本概况（包括测验河段水文特性、测站特征以及含沙量、级配分布变化范围等）；2 2 试验目的、内容与对比分析方法；3 3 采样方法与样品备制（包括仪器型号、取样与处理方法）；4 4 仪器系统参数的确定或优化、选用依据与设置；5 5 激光粒度分布仪与粒吸结合法成果分析应包括下列内容：不同含沙量级条件下颗粒级配分布及其特征值；17不同含沙量级条件下颗粒级配精度分析，包括断面、月、年平均级配；对比分析方法与转换精度，包括断面、月、年平均级配；标准样本库备制与管理；分析成果和转换成果。6 6 存在问题与建议；7 7 主要结论与审报生产应用范围；8 8

30、 质量保证体系等。187 操作人员培训7.1.17.1.1 激光粒度分布仪操作及资料整理、校审人员，必须通过正规培训，经过考核合格，方可上岗。7.1.27.1.2 激光粒度分布仪河流泥沙颗粒分析原理、操作过程和维护的参考资料包括：激光粒度分布仪分析原理、软件手册和技术手册。7.1.37.1.3 激光粒度分布仪培训学习主要内容，包括：1 1 基本概念。激光粒度分布仪测量原理；衍射光强、光能量分布与计算；光电探测器半径分布与计算、颗粒直径区间选取、重量分布及其计算方法、粒度分布概念、数据通道和背景、分析偏差和拟合、光学模型、导出直径和分布统计、分布参数等。2 2 仪器结构、仪器系统的组成，包括主机

31、（光学元件）、附件（进样器）、测量软件；主要性能指标、样品制备系统、分析流程、标准操作规程 SOP（Standard Operation Programme）功能。3 3 粒度测试复杂原因、参数设置与优化、分析工作与步骤、输出成果与格式、分析样品备制要求、标准样本库建立、管理；转换思路与步骤、转换成果精度评价与入库要求。7.1.47.1.4 经过激光粒度分布仪培训学习人员，应达到既具有一定的理论知识、又能较熟练掌握实际应用、并能指导他人操作分析与数据处理等方面的素质和技术水平。19附录附录附录附录A A A A 激光粒度分布仪测量基本原理激光粒度分布仪测量基本原理激光粒度分布仪测量基本原理激光

32、粒度分布仪测量基本原理1.测量基本原理激光粒度仪是根据颗粒能使激光产生散射这一物理现象测试粒度分布的。由于激光具有很好的单色性和极强的方向性，所以一束平行的激光在没有阻碍的无限空间中将会照射到无限远的地方，并且在传播过程中很少有发散的现象。当光束遇到颗粒阻挡时，一部分光将发生散射现象，如图 1.1-1。散射光的传播方向将与主光束的传播方向形成一个夹角 。散射理论和实验结果证明，散射角 的大小与颗粒的大小有关，颗粒越大，产生的散射光的 角就越小；颗粒越小，产生的散射光的 角就越大。进一步研究表明，散射光的强度代表该粒径颗粒的数量。为了有效地测量不同角度上的散射光的光强，需要运用光学手段对散射光进

33、行处理。在所示的光束中的适当的位置上放置一个富氏透镜，在该富氏透镜的后焦平面上放置一组多元光电探测器，这样不同角度的散射光通过富氏透镜就会照射到多元光电探测器上，将这些包含粒度分布信息的光信号转换成电信号并传输到电脑中，通过专用软件用 Mie（米氏）散射理论对这些信号进行处理，就会准确地得到所测试样品的粒度分布了。根据瑞利散射定律：I D6 / 4 （1.1-1）式中：I为散射光强；20D粒子直径 ；光源波长。粒子直径减少 10 倍，散射光强减弱一百万倍！图 1.1-1 激光粒度分布仪测量基本原理激光粒度分布仪的工作原理基于夫朗和费衍射和米氏散射理论相结合。物理光学推论，颗粒对于入射的散射服从

34、经典的米氏理论。低能源半导体激光器发出的波长为 0.6328 微米的单色光，经空间滤波和扩束透镜，滤去杂光形成直径最大 10mm 的平行单色光束。该光束照射测量区中的颗粒时，会产生光的衍射现象。衍射光的强度分布服从夫朗和费衍射理论。在测量区后的付立叶转换透镜是接收透镜（已知透镜的范围），在它的后聚平面上形成散射光的21远磁场衍射图形。在接收透镜后聚焦平面上放置一多环光电检测器，它接收衍射光的能量并转换成电信号输出。根据夫朗和费衍射原理，当测量区中有一直径为 d 的球形颗粒时，任意角度下它的衍射光强分布为：I()=I0 （1.1-2）2 1 2242)(216 XXJ fd 式中：f:是接收透镜

35、的焦距：是入射光的波长J1：是一阶贝塞乐函数：是散射角 X=/sind激光衍射光强分布落在光电探测器第 n 环（环半径从 Sn到 Sn+1,对应的散射角从 n到 n+1）上的光能量为：en= (n=1，2，3)（1.1-3）1 2)(SnSnSdSI将（4.1-1）式中的 I（）代入后可得：en=)()()()(412 112 02 12 002nnnnXJXJXJXJd（1.1-4）式中：J0：是零阶贝塞尔函数。如果测量中同时有 N 个直径为 d 的颗粒存在，则在 n 个光环上所接收到的光能将是一个颗粒时的 N 倍（Nen）。以此类推，22当颗粒群中直径为 di的颗粒共有 Ni个，则颗粒群总

36、的衍射光能将是所有各个颗粒衍射光能之和，即en= )()()()(412 112 12 12 020 ininininiiXJXJXJXJdNI（1.1-5）如果尺寸分布用重量 W 表示，W 和 N 之间的关系为：Ni= （1.1-6）36idW 式中为颗粒颗粒物质的密度，将上式代入式（1.1-6）可得en= )()()()(2312 112 122 00 inininiin iiXJXJXJXJdWI （1.1-7）式中（1.1-7）建立了光电探测器各环的衍射光信号与被测颗粒粒径及分布之间的对应关系。在实际计算中，由于不同的激光粒度分布仪使用的光电探测器设有不等有效环，如英国 MS2000

37、型共有 96 有效环、丹BT2002、9300-H 共有 76 个有效环（有效环越多，分辨率越高），也就是将测量颗粒直径范围分成 96 个（或 76 个）小区间。再进行比较复杂的转换才能得到泥沙颗粒大小的分布。2 仪器结构与主要性能指标2.1 MS2000 型激光粒度分布仪英国马尔文仪器公司激光粒度分析仪自 1984 年首先进入中国石油石化领域，并在材料科学、化工、制药、地质、涂料、颜料、陶瓷、磨料、造纸、电池、能源、航空、航天、军事等领域得到广23泛应用，目前在中国的同类仪器中市场占有率最大，仅中国大陆已有 700 余台。（1）仪器系统的组成主要包括三部分，详见图 2.2-1：1）主机（光学

38、元件），标志为 MasterSizer2000；主机用来收集测量样品内粒度大小的原始数据。2）附件（进样器），标识为 Hydro2000G(普通湿法)；附件唯一的目的就是将样品分散混匀充分并传送到主机以便于测量。3）计算机和 Malvern 测量软件；Malvern 软件可定义、控制整个测量过程，并同时处理测量的粒度分布数据、显示结果并打印报告。（2）仪器主要性能指标：1）单量程检测范围 0.022000的颗粒直径，无需更换镜头。242）检测速度快，扫描速度 1000 次/s。任何粒度分布在此范围之内的固体、液体样品，都可以在 30 s 之内完成光路校正、背景扣除、取样（6000 次）、数据处

39、理、报告生成等全部操作。3)真正的激光衍射方法，完全符合 1997 年颁布的 ISO13320 激光衍射方法粒度分析国际标准。4）MS2000 具有 SOP（Standard Operation Programme）功能，即标准操作规程。在软件的指引下完成设置和自动操作，消除人为操作误差和外部环境影响误差。所以 SOP 特别适合跨地域的质量控制，为不同试验室的试验数据对比带来了方便。在水利行业，可保证各泥沙室的颗粒分析在相同控制参数下完成，使资料更具一致性。5）高度智能化，MS2000 采用最先进的模块化设计思想，干、湿进样器转换方便。当进样器与主机连接时，软件自动识别干法或湿法进样器。当操作

40、者遇到问题或对仪器操作不熟悉时，可以通过软件提示功能解决问题。6）结果报告形式多样，可提供粒度分布数据、图形、平均值、中数粒径、峰值等大量信息。根据用户要求，粒度可自由分级，自由修改报告界面，增加所需内容。所有操作无需重新编程。所得数据和图形可和 WINDOWS 应用软件（如 Microsoft Word，Excel）动态连接。7）MS2000 具有远程故障诊断功能。2.2 BT-2002 型激光粒度分布仪（1）仪器系统的组成：25BT-2002 型激光粒度分布仪是国内丹东市百特仪器有限公司研制的一种大范围的激光粒度分布仪，见图 2.2-1。系统包括光学测定装置（主机），主要包括：1）激光器、

41、空间滤波器、准直和扩束光路、傅氏透镜、多元光电接收器以及电路系统等；2）样品制备系统，主要有分散器、搅拌器、循环泵、样品池、样品输送管路等；3）计算机系统，主要有电脑、打印机、测试软件等。通过光学测定装置与样品制备系统获得颗粒粒径的光散射信号，将这些信号传输到计算机中进行处理就得到所测样品的粒度分布。图 2.2-1 BT2002 型激光粒度分布仪结构（2）基本性能指标与特点：1）测定范围：0.68-951m。262）重复性误差：3%（测标样时 D50的偏差）。3）测定时间：1-3 分钟/次。4）光电接收器数量：76 个。5）悬浮液浓度：0.01%-0.5%（受试样比重和粗细程度影响）。6）测试

42、结果：累积粒度分布（数据和曲线）；区间粒度分布（数据和直方图）；双对数曲线；单对数曲线；中值粒径（D50）；重量平均粒径。7）采用大口径富氏透镜、76 道多元光电接收器阵列，使测量范围扩展为 0.68-951。单次测量时间仅两分钟左右。8）输出项目除粒度分布数据和图形外，可给出多种统计数据、多种类型的曲线，多种可编辑的报告单格式等。9）软件具有数据存储、查询、删除、合并、比较、转换（Excel 格式）、编辑、打印等功能，还具有多样品数据统计、整理等功能。10）软件易于升级换代和功能扩展。测试软件是在 VC+环境下开发的，可以根据用户的需要进行扩展其它的数据处理功能。27附录附录附录附录B B B 激光粒度分布仪相关名词解释激光粒度分布仪相关名词解释激光粒度分布仪相关名词解释激光粒度分布仪相关名词解释 1.1. 颗粒颗粒颗粒是具有一定尺寸和形状的微小的物体，是组成粉体的基本单元。它宏观很小，但微观却包含大量的分子、原子。2.2. 粒度粒度颗粒的大小称为颗粒的粒度。3.3. 粒度分布粒度分布用一定方法反映