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顆粒折射率對(duì)激光粒度測量性的影響
  • 發(fā)布日期:2021-02-05      瀏覽次數(shù):2991
    • 張晨雨1,2,呂且妮1,2 ,張福根3,* 

      1.天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院,天津 300072;

       2.光電信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072;

      3.珠海真理光學(xué)儀器有限公司,廣東 珠海 519100

      摘要正文:在基于靜態(tài)光散射原理的粒度測量中,反演計(jì)算所用的顆粒折射率數(shù)值的性直接影響測量結(jié)果的性[1,2]。本文定量研究顆粒折射率的誤差對(duì)粒度測量性的影響。采用的研究方法是:以計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬為手段,設(shè)置多組不同折射率及粒度分布的樣品,計(jì)算相應(yīng)的散射光能分布,然后用有誤差的折射率數(shù)值,對(duì)散射光能分布數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計(jì)算,得出粒度分布,再考察反演得到的粒度分布(稱為“測量值”)與原始粒度分布(稱為“實(shí)際值”)之間的誤差。本文假設(shè)粒度分布測量值與實(shí)際D10、D50D90的相對(duì)誤差分別不超過2%1%2%是可以接受的,通過數(shù)值模擬得出各種實(shí)際折射率下可接受的顆粒折射率取值的容忍區(qū)間(Refractive Index Tolerance Interval,RITI)。此處,RITI是指一個(gè)包含了顆粒折射率實(shí)部實(shí)際值的連續(xù)區(qū)間[ma, mb],在該區(qū)間內(nèi),相對(duì)折射率實(shí)部mr取任意值,粒度分布的測量值相對(duì)實(shí)際值的誤差都在上述可接收的范圍內(nèi)。

      研究中,假設(shè)散射光的偏振方向垂直于散射面,散射角接收范圍為0.1°~173°代表粒徑范圍為0.01~140μm。設(shè)定顆粒的相對(duì)折射率實(shí)部范圍為1.01-2.90。若以水1.333為分散介質(zhì),此處設(shè)定的折射率實(shí)部的絕.對(duì)值為1.3473.866,可覆蓋絕大部分固體物質(zhì)[3]。參考實(shí)際的粒度測量操作,折射率虛部取0、0.010.1或者1[4]。設(shè)置RR分布模型中分布參數(shù)k=20的不同D50的樣品,進(jìn)行折射率容忍區(qū)間分析,得到以下結(jié)論

      • 對(duì)于無吸收的顆粒,隨著顆粒徑的增大和相對(duì)折射率實(shí)部的增大,相對(duì)折射率實(shí)部的忍區(qū)間變寬D5050μm為例,相對(duì)折射率真實(shí)值為1.011.1、1.21.4時(shí),容忍區(qū)間分別為[1.01,1.02][1.08,1.12]、[1.06,1.51][1.06,2.69],這一現(xiàn)象可由相對(duì)折射率對(duì)無強(qiáng)吸收的顆粒的前向散射光能分布的影響規(guī)律[1]解釋。當(dāng)D50大于61μm,相對(duì)折射率實(shí)部實(shí)際值mr1.01、1.02時(shí),容忍區(qū)間分別約為[1.01,1.02][1.01,1.04];1.03<mr<1.07, 容忍區(qū)間約為[mr , 2.88];若2.88<mr<2.9, 容忍區(qū)間約為[1.07, mr];其他情況下,容忍區(qū)間約為[1.07,2.88]。
      • 對(duì)有吸收的顆粒,折射率實(shí)部的小容忍區(qū)間約為[mr0-0.02, mr0+0.02]。隨著顆粒徑的增大和吸收的增強(qiáng),折射率實(shí)部的忍區(qū)間變寬。在mi=0.01、0.1、1時(shí),若樣品D50分別大于59、347μm,相對(duì)折射率實(shí)部大于等于1.01、小于等于2.9時(shí),容忍區(qū)間可達(dá)到[1.01,2.9],即粒度測量中折射率實(shí)部輸入任意值,都可得到性可接受的粒度測量結(jié)果。

      在實(shí)際粒度測量中,若折射率未知,但估計(jì)吸收系數(shù)[5]和粒徑范圍滿足上述條件,就可取一個(gè)較大的折射率實(shí)部值(例如2),仍然可得到性可接受的粒度測量結(jié)果;如果吸收系數(shù)和粒徑未達(dá)到上述條件,就有必要先設(shè)法獲得顆粒折射率的數(shù)值,其值在容忍區(qū)間內(nèi)時(shí),可得到性可接受的粒度測量結(jié)果。

      關(guān)鍵詞粒度測量;Mie散射理論;顆粒折射率

      參考文獻(xiàn)

      [1] Xueshan Han, Jianqi Shen, Pengteng Yin, Shiyu Hu, Duo Bi. Influences of refractive index on forward light scattering[J]. Optics Communications,2014,316.

      [2] 郭露芳,沈建琪.相對(duì)折射率對(duì)前向散射粒度測試的影響[J].中國激光,2016,43(03): 190-197.

      [3] 蔡小舒,蘇明旭,沈建琪.顆粒粒度測量技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010:326-342.

      [4] 沈建琪,劉蕾. 經(jīng)典Mie散射的數(shù)值計(jì)算方法改進(jìn)[J].中國粉體技術(shù), 2005(04):1-5.

      [5] 耿淑華,丁偉中,郭曙強(qiáng).激光粒度分析中顆粒折射率的確定方法[J].上海金屬,2014,36(02):1-4.

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