基于光電響應特性的激光粒度儀標定法
基于光電響應特性的激光粒度儀標定法
王少清 任中京 張勇 張希明 何芳
（山東建筑材料工業(yè)學院激光應用研究室 濟南 250022)
提要:用實驗的方法研究了激光粒度儀的光電響應特性，在此基礎上提出了一種新的標定方法。并用實驗驗證了該方法的正確性。
關鍵詞:激光拉度儀顆粒大小分析光電響應
Abstract: A new method has been developed to calibrate laser particle sizer based on the exeperimental study of its photo-electric response characteristics. Measurements which have been made demonstrate the effectiveness of this method.
Keywords: laser particle sizer, particle size analysis, photo-electric response
激光粒度儀在粉末顆粒大小分析中越來越受到人們的重視。其心臟部分是光電轉換系統(tǒng)。測量原理如圖1所示。
激光經擴束一準直系統(tǒng)C以平行光照射載有待測顆粒的樣品窗S上，顆粒群的散射光由富立葉透鏡L接收，在L的后焦面上用環(huán)形列陣光電探測器D接收顆粒群的散射譜，轉換為光電流后再經電子學系統(tǒng)E作I/V轉換放大和A/D轉換，送入計算機進行分析處理，從而得到被測樣品的顆粒分布。
可見，保證激光粒度儀測量準確性的一個關鍵是其光電轉換系統(tǒng)的正確響應。光電轉換系統(tǒng)正確響應的判據(jù)應包括下面兩條：
1）每一單元的響應均為線性；
2）各單元的響應是一致的。
對激光粒度儀進行標定就是對其光電響應特性進行線性和均勻性校正。目前，已有多種標定方法[1,2]，但都有不足之處，可概括為：一是物理意義不清楚，二是操作較復雜，三是適用范圍有限。本文作者根據(jù)實驗測得的激光粒度儀的響應特性，提出了一種新的標定方法。該方法物理意義明確，操作簡便，并適于各種多單元光電轉換系統(tǒng)的標定。
激光粒度儀光電轉換系統(tǒng)的響應特性
實驗測量激光粒度儀的光電響應特性的方法如下：用一均勻穩(wěn)定的光源照射激光粒度儀的環(huán)形陣列光電探測器，同時用一標準光功率計監(jiān)測光源的功率。在各種不同的光強1o下記錄光電轉換系統(tǒng)各單元的光強輸出I，作各I一Io曲線，即得到了各探測單元的響應特性。
實驗發(fā)現(xiàn)激光粒度儀光電轉換系統(tǒng)的響應有三個特點：
1．在均勻光照射下，各單元的光能響應相差很大。實驗用12位A/D轉換器，當外幾路的輸出已達到A/D的飽和值4095時，最內幾路還沒有明顯的響應。這是由于環(huán)形陣列光電探測器內外環(huán)的接收面積相差很大所致。表1給出了該探測器31個探測環(huán)中，部分探測環(huán)的接收面積，其最大與最小環(huán)的面積相差近兩千倍。
激光粒度儀光電響應特性的校正方法
根據(jù)測得的響應特性和正確響應的兩條判據(jù)，校正分兩步進行。
1．對各單元響應特性的非線性校正即將每個單元的響應曲線均校正為直線，以保證其對入射光的線性響應。此時，可視不同的使用要求而采取不同的校正方法。如果在使用中，各探測單元的響應可能從最小到最大全程變化，則需在整個測量范圍內保證線性響應，即要把整個響應曲線校正為一條直線．若探測單元僅工作在一個較小的動態(tài)范圍內，則只需將與該范圍對應的一段響應曲線校正為直線即可，這比全程校正簡單且精度高。在激光粒度分析中，由于顆粒群的散射光較弱，光電探測器接收到的光能量較小，故光電轉換系統(tǒng)各單元的響應均較�。謴膶崪y響應曲線圖2可知，當光強響應I小于某一值，各探測單元均為較好的線性響應．因而可用有限范圍的擬合直線來代表各單元的響應特性．圖3為輸入光強I。＜4000時第10、20和30三個單元的光強響應，
線性較好．圖4是對它們作直線擬合的結果。這些直線即為經校正得到的各單元的線性響應特性。擬合直線的斜率稱為各單元的響應度�？梢姽怆娹D換系統(tǒng)各單元的響應度是不均勻的。
2．對各單元響應度的非均勻性校正
得到各單元的線性擬合直線后，作非均勻性校正就很簡單了。只要把各條斜率不同的直線全部校正到某一條直線上即可。具體做法為：設Ki表示第i個單元的擬合直線的斜率，K。為所取的基準直線的斜率，則第i個單元的響應度校正因子定義為
為檢驗校正的效果，做了兩種驗證實驗。
一是用不同強度的均勻光再照射環(huán)形陣列光電探測器，仍取第10、20和30三個單元，將其光強響應按（2）式修正后，做出響應曲線，結果見圖5．可見校正達到了預期的目的。
二是對同一粉末樣品的測量結果進行比較。首先，對光電轉換系統(tǒng)的輸出信號不做校正處理，直接進行粒度分析，所得到的結果見圖6。出現(xiàn)了不應有的“雙峰”分布和“翹尾”現(xiàn)象。再將該組信號用（2）式校正后進行粒度分析，結果見圖7,“雙峰”和“翅尾”均消失了．說明校正方法與校正結果的正確性。
聚焦強脈沖激光可以在金屬表面微區(qū)產生局部高溫，并使蒸發(fā)出的氣體離子化．氫離子及其它元素離子在1.3×10-4Pa真空中在強電場引導下快速離開零電位的金屬靶表面到達具有高壓的鋁過濾膜。這些到達過濾膜的入射離子在非晶鋁膜內與原子碰撞，據(jù)LSS理論存在著兩種能量損失方式：
1）入射離子與固體中的原子核碰撞，稱為核阻止，其阻止本領以Sn表示。其值與入射離子能量E無關。
2）入射離子與固體中的電子碰撞。稱為電子阻止，其阻止本領以Se(E）表示．
經文獻（5)(6）計算出鋼靶（零電位）中所含各類元素離化后在過濾鋁膜上電壓為負104伏時，氫離子在鋁膜中射程為200nm而碳離子射程為100nm，而其它原子序數(shù)更大的元素在非晶鋁膜中射程均為1～10nm遠小于H+在鋁中的射程。由此可見只有高于104eV能量的氫離子才可穿透200nm的鋁膜在膜背側幾nm處產生二次電子，只有這些二次電子在強電場引導下達零電位鍍鋁的閃爍品體中，而后經光電倍增管放大記錄，從而獲得鋼靶表面測點處氫離子濃度的信息。
我們應用基于純物理過程的等離子計量方法的激光過濾式質譜，曾測出焊縫剖面熔接區(qū)及過渡區(qū)各點氫離子的計數(shù)與非熔區(qū)本底氫離子計數(shù)，其比值稱為相對氫指數(shù)D．現(xiàn)已有用真空加熱驅出鋼中氣體用色相色譜法測出鋼試樣中平均單位質量平均濃度的測試儀．由此，則可計算出微區(qū)氫含量。用此方法我們在文獻[7]中報告了對A3碳鋼及ICr18Ni9Ti不銹鋼制成的U型預應力彎頭的氫分布的測定，也曾報告了對這兩類鋼在接區(qū)剖面上各點相對氫指數(shù)的分布值[8]，為氫脆斷裂力學研究提供了數(shù)值依據(jù)。
我們將這種基于聚焦強脈沖激光產生等離子體而后再分析其物理、化學過程的分析計量方法命名為等離子計量分析術，激光等離子計量分析術有著廣闊的應用領域，它是應用激光的新的分析方法．在理論與實踐上有待進一步完善與發(fā)展。
參考文獻
[1]Lee G.. Dodge，APPLED OPTICS，1984，,23
[2]王少清，王教方，應用激光，1981,11.172
