第2章粉体粒度分析及测量PPT课件

1、2021/7/241第2章 粉体粒度分析及测量2021/7/242目录n单个颗粒尺寸的表示方法n颗粒的形状n粉体的粒度分布n颗粒粒度的测量2021/7/2432.1颗粒大小和形状表征颗粒大小和形状表征 材料的机械、物理和化学性质描述了组成材料的物质组态的基本特性，当物质被“分割”成为粉体之后，上述三类性质则不能全面描述材料的性质，必须对粉体材料的组成单元颗粒，进行详细描述。颗粒的大小和形状是粉体材料最重要的物性特性表征量。2021/7/244颗粒颗粒粉体粉体2021/7/2452.1.1单个颗粒尺寸的表示方法单个颗粒尺寸的表示方法 颗粒的大小是粉体诸多物性中最主要的特性值，用其在空间范围所占据

2、的线性尺寸来表示。颗粒的大小通常用“粒径粒径”和“粒度粒度”来表示。 粒径粒径颗粒的尺寸，习惯上表示颗粒大小时用粒径。 粒度粒度颗粒的大小，表示颗粒大小的分布时用粒度。2021/7/246直径D直径D、高度H ？2021/7/247n三轴径三轴径n统计平均径统计平均径n当量径当量径人为规定了粒径的三种表示方法人为规定了粒径的三种表示方法2021/7/248n设一个颗粒以最大稳定度（重心最低）置于一个水平上，设一个颗粒以最大稳定度（重心最低）置于一个水平上，其正视和俯视投影图如图其正视和俯视投影图如图2-1所示。这样在两个投影图中，所示。这样在两个投影图中，就能定义一组描述颗粒大小的几何量：长、

3、宽、高，定义就能定义一组描述颗粒大小的几何量：长、宽、高，定义规则如下：规则如下：1 1、三轴径、三轴径高度高度h：颗粒最低势能态时垂直投：颗粒最低势能态时垂直投 影像的高度影像的高度宽度宽度b：颗粒俯视投影图中，最小：颗粒俯视投影图中，最小 平行线间的夹距平行线间的夹距长度长度l：颗粒俯视投影图中，与宽度：颗粒俯视投影图中，与宽度 方向垂直的平行线的夹距方向垂直的平行线的夹距hbl图图 2-1 颗粒投影图颗粒投影图2021/7/249表表2-1三轴径的平均值计算公式三轴径的平均值计算公式序号序号计算式计算式名称名称意义意义1二轴平均二轴平均径径显微镜下出现的颗粒基本大小的投影2三轴平均三轴平

4、均径径三维图形的算术平均3三轴调和三轴调和平均径平均径与外接长方体比表面积相同的球体直径或立方体的边长4二轴几何二轴几何平均径平均径接近于颗粒投影面积的度量5三轴几何三轴几何平均平均与外接长方体体积相等的立方体的边长6三轴等表三轴等表面积平均面积平均径径与外接长方体表面积相同的立方体的边长2bl3hblhbl1113 lb6)(2bhlhlb 3lbh2021/7/2410n 设颗粒投影像的周长和面积分别用L和a表示，颗粒的表面积和体积分别用S和V表示。可以用这些几何量来表示颗粒的各种粒度或当量经。三轴径三轴径2021/7/2411n三轴调和平均径的推导：三轴调和平均径的推导：nV=lbh S

5、=2lb+2lh+2bhvbh222=SlblhbhSVl n正方体的比表面积 Sv=6/a，球的比表面积 Sv=6/d311166222lbhlblhbhadl b had 三轴径三轴径2021/7/24122、统计平均径、统计平均径n统计平均径统计平均径是平行于一定方向（用显微镜）测得的颗粒投影像的线度，又称定向经定向经。2021/7/2413S1S2定向最大径定向最大径Martin径径Feret径径 对于一个不规则的颗粒，定向经与颗粒的取向有关，可取其所有方向的平均值；对取向随机的颗粒群，可沿一个方向测定。统计平均径统计平均径图图 2-2 定向径定向径2021/7/2414统计平均径统计

6、平均径图2-32021/7/24153. 当量直径当量直径n当量直径当量直径是利用测量某些与颗粒大小有关的性质推导而来的，并使之与线性量纲有关。用得最多的是球当量径。等体积球当量径等体积球当量径d dV V：与颗粒同体积球的直径336=6VvvdVd等表面积球当量径等表面积球当量径dS S：与颗粒等表面积球的直径ssd 2021/7/2416等体积比表面积球当量径等体积比表面积球当量径dSVSV 或面积体积直径，与颗粒具有相同的表面积对体积之比，即具有相同的体积比表面积的球的直径2332/66SVSVvsvsdSdVVSddd等投影面积直径等投影面积直径da a 与颗粒投影面积相等的圆的直径4

7、aad 等周长圆当量径等周长圆当量径dL L与颗粒投影外形周长相等的圆的直径LLd 当量直径当量直径2021/7/2417序号名称定义dv体积直径与颗粒具有相同体积的圆球的直径dv=(6v/)1/3ds面积直径与颗粒具有相同表面积的圆球直径ds=(s/)1/2dsv面积体积直径与颗粒具有相同外表面积和体积比的圆球直径dsv=dv3/ds2dstStokes直径直径与颗粒具有相同密度且在同样介质中具有相同沉降速度的直径da投影面积直径 与置于稳定颗粒的投影面积相同的圆的直径da=(4A/)1/2dL周长直径与颗粒的投影外形周长相等的圆的直径dL=L/dA筛分直径筛分直径颗粒通过的最小方筛孔的宽度

8、表表2-2 颗粒当量直径的定义颗粒当量直径的定义2021/7/2418n 颗粒的形状与物性之间存在着密切的联系，它对颗粒群的许多性质产生影响，如，粉体的比表面积、流动性、填充性、表面现象、化学活性、涂料的覆盖能力、流体通过粉体层的透过阻力，以及颗粒在流体中的运动阻力等。n 在工程中根据不同的使用目的，对颗粒形状有着不同的要求，例如，用作砂轮的研磨料用作砂轮的研磨料：有好的填充结构，故选有棱角；铸造用砂铸造用砂：强度高、孔隙率大以便排气，故以球形颗粒为宜；混凝土集料混凝土集料：强度高、紧密的填充结构，故碎石以正多面体为理想形状。2.1.2颗粒的形状颗粒的形状2021/7/2419 1. 颗粒的形

9、状系数,2S jjSdS,j球： 人们常常用某些量的数值来表示颗粒的形状，这些量可统称为形状因子形状因子。这些形状因子反应着颗粒的体积、表面积乃至在一定方向上的投影面积与某种规定的粒径dj j的相应次方的关系，这些次方的比例关系又常称为形状系数形状系数。s（1）表面积形状系数表面积形状系数：与某种粒径dj j相联系的表面积形状系数s,js,j与的差别表示颗粒形状对于球形的偏离, s j6S,j立方体：2021/7/2420s（2）体积形状系数体积形状系数：与某种粒径dj j相联系的体 积形状系数 ,16V jV j球:立方体:与 的差别表示颗粒形状对于球形的偏离。,V j6,3V jjVd颗粒

10、的形状系数颗粒的形状系数,V j2021/7/2421（3）比表面积形状系数比表面积形状系数n设 Sv为单位体积颗粒的表面积，则,j,23jS jjSVVjjVjSSdSSVdd，v,j，v,j式中 sv,j 称为比表面积形状系数，sv,j与6的差别表征颗粒形状对于球形的偏离。 对于球sv,j=6，如以比表面当量径dsv代入，得6VSsvd颗粒的形状系数颗粒的形状系数2021/7/2422表表2-3 一些规则几何体的形状因子一些规则几何体的形状因子SVSV颗粒的形状系数颗粒的形状系数2021/7/24231、球形度（或卡门形状系数）、球形度（或卡门形状系数）n定义：一个与待测颗粒体积相等的球形

11、颗粒的表面积与该颗粒的表面积之比。22vv23222v22dddcsssscssvVddddddddvsvsvsvd或者， d =dd颗粒的形状系数颗粒的形状系数 2.2.2 颗粒的形状指数s 形状指数与形状系数不同，它与具体物理现象无关，用各种数学式来表达颗粒外形本身。2021/7/2424可以看出： 1. ； 2. 颗粒为球形时， =1，达最大值。1c颗粒的形状系数颗粒的形状系数c表表2- 4 一些规则形状体的球形度一些规则形状体的球形度cccccc2021/7/2425 对于形状不规则的颗粒，当测定其表面积困难时，可采用实用球形度c与颗粒投影面积相等的圆的直径（ 1）颗粒投影的最小外接圆

12、的直径2021/7/2426n2 2、扁平度和伸长度、扁平度和伸长度bmhlnb短径扁平度厚度长径伸长度短经n3 3、丘奇（、丘奇（ChurchChurch）形状因子）形状因子=FcMdd2021/7/2427n圆形度定义了颗粒的投影与圆的接近程度。=c与颗粒投影面积相等的圆的周长圆形度颗粒投影轮廓的长度n4 4、圆形度、圆形度n5 5、表面粗糙度、表面粗糙度=颗粒投影周长/相同面积椭圆的周长2021/7/24282.2 粉体的特性表征粉体的特性表征 粒度分布粒度分布 粉体的平均粒径粉体的平均粒径 粒度分布函数粒度分布函数2021/7/24291、粒度分布、粒度分布 颗粒群颗粒群：指含有许多颗

13、粒的粉体或分散体系中的分散相。 颗粒粒度都相等或近似相等，称为单粒度或单分散单粒度或单分散的体系的体系。 实际颗粒群所含颗粒的粒度大都有一个分布范围，常称为多粒度的、多谱的或多分散的体系多粒度的、多谱的或多分散的体系。 颗粒分布范围越窄越窄，其分布的分散程度就越小，集集中度也越高中度也越高。2021/7/2430粒度的频率分布粒度的频率分布 在粉体样品中，某一粒度大小(用Dp表示)或某一粒度大小范围内(用Dp)的颗粒(与之相对应的颗粒个数为np)在样品中出现的质量分数()，即为频率或频度，用f(Dp)或f(Dp)表示。样品中的颗粒总数用N表示，这样有如下关系： 这种频率与颗粒大小的关系，称为频

14、率或频度分布频率或频度分布。粒度分布粒度分布n()100%pPf DNn()100%pPfDN或者 2021/7/2431hDp/mnpDi/mf(Dp)/%11.02.051.51.6722.03.092.53.0033.04.0113.53.6744.05.0284.59.3355.06.0585.519.3366.07.0606.520.0077.08.0547.518.0088.09.0368.512.0099.010.0179.55.671010.011.01210.54.001111.012.0611.52.001212.013.0412.51.33总和300100表2-5 颗粒大

15、小的分布数据最小：最小：1.51.5 最大：最大：12.212.22021/7/2432n频率分布曲线与横坐标轴围成的面积为：maxmin()1dppdf D dD 2021/7/2433累积分布累积分布 把颗粒大小的频率分布按一定方式累积，便得到相应的累积分布。一般有两种累积方式，一是按粒径从小到大进行累积，称为筛下累积筛下累积(用“-”号表示)；另一种是从大到小进行累积，称为筛上累积筛上累积(用“+”号表示)。筛下累积分布常用D(DP)表示；筛上累积分布常用R(DP)表示。2021/7/2434累积分布累积分布2021/7/2435累积分布累积分布2021/7/2436n筛上分布与筛筛上分

16、布与筛下分布存在着下分布存在着如下的关系：如下的关系：累积分布累积分布5050()()D DR D2021/7/2437频率分布和累积分布的关系频率分布和累积分布的关系 频率分布称为颗粒粒度分布微分函数，而累积分布称为颗粒粒度分布积分函数。minmax()()()()()()()()()()PPDPPPDDPPPDPPPPPPD Df DdDR Df DdDdD Df Dd DdR Df Dd D 累积分布累积分布2021/7/2438n在粉体粒度的测定中，采用各式各样的平均粒径，来定量地表达颗粒群（多分散体）的粒度大小。设n颗粒群的粒径分别为d1、d2、d3、dn;n相对应的颗粒个数为n1、

17、n2、n3nn；n相应的颗粒质量为w1、w2、w3.wn。2、平均粒径、平均粒径2021/7/2439n平均粒径定义平均粒径定义：n设颗粒群是由粒径d1 1、d2 2、d3 3组合而成的集合体，其物理特性f(d)可由各粒径函数的加成表示：n式中： f(d)称为定义函数n若将粒径不同的颗粒群想象成由直径 D 组成的均一球形颗粒，那么其物理特性可表示为)()()()()(321ndfdfdfdfdf( )()f df D 上式为平均粒径的基本式，D表示平均粒径平均粒径平均粒径2021/7/2440 粉末是由粒径d1 1、d2 2、d3 3、dn n ，相对应的颗粒个数为n1 1、n2 2、n3 3

18、nn n，试由上述性质推导平均粒，试由上述性质推导平均粒径。径。若将粒径不同的颗粒群想象成由直径 D 组成的均一球形颗粒，则112233( )()nnf dn dn dn dn dnd ( )()f df DnDDnndDnndDn 2021/7/2441n以个数为基准的平均径可归纳如下：n以质量（体积）为基准的平均径表达如下：11dfdfndndDnn113333wwwdf dDwdf d 平均粒径平均粒径2021/7/2442n在实际应用中，常用两个系列的平均径，以个数为基准加以说明： （一）1,0nLndDn 11222,0nSnndDndDnd 3130, 3nndDnV Dnl个数长

19、度平均径，简称平均径； Dns个数表面积平均径，简称表面积平均径； Dnv个数体积平均径，简称体积平均径。平均粒径平均粒径2021/7/2443 以上平均径的共同特征共同特征：以颗粒群的个数去均分粒度之和、总表面或总体积所得的平均径。 Dnv Dns Dnl，当所有颗粒粒度相等时，等式成，当所有颗粒粒度相等时，等式成立。立。2021/7/2444n（二）nndDDnL0, 10, 1ndndDDLS21 , 21, 233,2213,2SVndDDndDndnd 343 , 43, 4ndndDDVM平均粒径平均粒径Dnl个数长度平均径；Dls长度表面积平均径； Dsv 表面积体积平均径，又称

20、Sauter平均径；DvM体积四次矩平均径。2021/7/2445 以上四个平均径的共同特征是 ，它们分别是以各粒级中颗粒个数、粒度之和、表面积和体积为权，对d d进行平均得到的，因此分别是个数分布、长度分布、表面积分布和体积（质量）分布的平均径。1444,333= nVMwnf dndDDf dndf d体积（质量）平均径体积（质量）平均径2021/7/24462021/7/24472021/7/2448表征粒度分布的特征参数表征粒度分布的特征参数中位粒径中位粒径D D5050：把样品的个数（或质量）分成相等两部分的颗粒粒径。 5050()()50%D DR D2021/7/2449最频粒径

21、最频粒径(Dm0) ：在颗粒群中个数或质量出现概率最大的颗 粒粒径。标准偏差：标准偏差：表示粒度频率分布离散程度的参数，其值越小， 说明分布越集中，曲线越瘦（越窄）。 为标准偏差， g为几何标准偏差。g()(lglg)iinLiign dDNndDN 2021/7/2450正态分布正态分布：正态分布的分布函数f(Dp)可用下述数学式表示：3、粒度分布函数、粒度分布函数5022nn50=()()PPPPPDDDDDDDiii=1i=1平均粒径，；分布的标准偏差，ff2021/7/2451正态分布的频率分布曲线为：图2-72021/7/2452 符合累积正态分布的粉体在正态概率纸上呈一直线。先按与

22、粒度Dp成正比的值对坐标均匀刻度，再用上式积分所得的正态概率累积百分数表示。84.13505015.87=-=-DDDD 图2-82021/7/2453 对数正态分布对数正态分布: 2021/7/24542021/7/2455 对数正态分布的对数正态分布的频率分布曲线频率分布曲线为为：84.135084.13505015.87lglglgggDDDDDD2021/7/2456平均粒径的计算平均粒径的计算n 用对数正态分布，可求平均粒径的计算式。以个数长度平均径个数长度平均径为例计算如下：nl2505050ln(/)2ln()( )() (ln)1exp (l=exp2ln)n2lnln)lln

23、n=2/2lnpPPpgpPppgpgggndDf d dDf D dDnDDDDDZDdDdZDdDZ 令，则有（2021/7/2457502250250501222222222nlnl=exp -ln=expln-)ln=expexpln,lnexp -y )lnln-2ly)nexpggggggggDDZdZDdZdydZDDddZDZZyZ 2 22 22 2故故，（）（- -Z Z= =（再再令令（Z Z2021/7/2458250nl250225052nl550020lnexp -y ) exp2lnexpexp -y )2lnlnexpexp22exp0.5ln=exp(0.5l

24、n)ggggggDDdyDdyDDDDD 22（2021/7/24592021/7/2460比表面积计算比表面积计算n质量比表面积质量比表面积：比表面积可用比表面积体积平均径Dsvsv计算n单位质量颗粒个数单位质量颗粒个数n个数与质量两种基准分布的相互交换关系为：当粒径分布为对数正态分布时，下式成立31pVnVnD 25050exp(3ln)gggDD2233SVsSVsSVp VSVWppSVVVSNDDSWNDSDD 2021/7/2461n平均颗粒的表面积2snsDn平均颗粒的体积3VnVD2021/7/2462n【例题2-1】 表2-9是根据马铃薯淀粉的光学显微镜照片测定的Feret径

25、的汇总表，试用这些数据在对数概率纸上作图，并求D D5050和g g的值，计算出表2-8中的平均粒径和每千克样品中含有的颗粒个数n和比表面积SW、(设颗粒为球形，已知马铃薯淀粉的密度为1400kg/m3）。2021/7/2463n 解:如图2-11所示作图，从图中可查出D50和D15.87，即可计算出g 和lng 。由D50可计算出D50，将以个数为基准的直线平移到D50处，即得以质量为基准的累计分布直线。同时还可计算出上述的9个平均粒径和每千克样品中含有的颗粒个数n和比表面积SW。2021/7/24642-115084.1384.13502250505020.734.034.01.6420.

26、7ln0.245exp(3ln)43.2gggDmDmDDDDDm2021/7/246510335 3235=66115.05 101.4 10(3 10 )667.69(/)1.4 103.82 10VSVpVnVSVWpSVnDSmkgD 对于球形颗粒：，平均粒径平均粒径50DsvDnSDnVDnlDVMD50DlsD表2-102021/7/2466()100exp () pnpeDR DD罗辛罗辛拉姆勒（拉姆勒（Rosin-RammlerRosin-Rammler）分布）分布累积筛上分布函数表达式为：其频率分布为：1()()100exp () pnnnPpeppedR DDf DnD D

27、dDD()pR DeD 累计筛余百分数； 特征粒径，表示累积筛余为36.8%时的粒径；n 均匀性系数，表示粒度分布范围的宽窄程度， n值越小，粒度分布范围越宽。2021/7/2467n当n=1，Dp=De时，则nDe为R(Dp)36.8%时的粒径。1()100e36.8%peR DD2021/7/2468将式 的倒数取两次对数得 以lgDlgDp p为横坐标，以 为纵坐标作图呈一直线，此图为Rosin-Rammler图。在此图上作某一粉体的累积分布时，如果数据点呈一直线，则说明这一粉体符合R-R分布，该直线的斜率即为n n值，由R(Dp)36.8%可求得De，将这一直线平移过P极，可在图上查出

28、n n与S SV VD De e的值。lg()lglglglg100lg lg(lggllg)pepeppDneDnDDnRenDDc100lg lg()pR D()exp () 100ppneR DDD2021/7/2469SVDe图图2-12 Rosin-Rammler图图2021/7/2470例题例题2-22-2：用冲击磨粉碎啤酒瓶，试料全部通过3.36mm的标准筛，用标准筛测定粒度的结果见表2-11，用这些数值在R-R图上作图，并求De e、n值，写出R-R分布式。如果取啤酒瓶的密度=2600kg/m3，计算其质量比表面积S Sw w。解：取mm为粒径单位，由表2-11中的数据在R-R

29、图上作图，如图2-13所示，由图中查得De=1.9mm，n=1.1，SVDe=28.17。表2-112021/7/2471图图2-13 例题例题2-2的的R-R线图的图解线图的图解SVDe=28.17De=1.9mmn=1.1SVDe=28.172021/7/2472质量比表面积为：1.1()100exp () 100exp () 1.9ppnpeDDR DD由此得到分布式为：2328.175.7(/)1.9 102600SVvvewpSVppeSS DSmkgDD 2021/7/2473 1筛分析法 筛分筛分是让粉体通过一系列不同筛孔的标准筛，将其分离成若干个粒级，再分别测量，求得以质量分数

30、表示的粒度分布。粒度测量方法粒度测量方法套筛图图2-142021/7/2474粒度测量方法粒度测量方法 国际标准筛制：国际标准筛制：Tyler(Tyler(泰勒泰勒) )标准标准 目数目数m m：为筛网上：为筛网上1 1英（英（25.4mm25.4mm）寸长度内的网孔数）寸长度内的网孔数25.4mad (a，d单位mm)25.4ad 如：200目的筛，网丝直径为0.053mm，筛孔尺寸为0.074mm。图图2-15 筛网尺寸筛网尺寸2021/7/2475标准筛系列：32 42 48 60 65 80 100 115 150 170 200 270 325 400 其中最细的是其中最细的是400

31、目，孔径是目，孔径是38m。（40m 100mm），微孔筛（可至5m，甚至更小）2021/7/2476筛分的优缺点筛分的优缺点优点优点n统计量大, 代表性强n便宜n原理简单、直观，操作方便，易于实现缺点缺点n下限38微米；n人为因素影响大；n重复性差；n筛分过程振动强烈，某些颗粒极易破损，影响粒度分布；n速度慢。粒度测量方法粒度测量方法2021/7/2477 基本工作原理基本工作原理：将显微镜放大后的颗粒图像通过CCD摄像头和图形采集卡传输到计算机中，由计算机对这些图像进行边缘识别等处理，计算出每个颗粒的投影的各种粒径，再统计出所设定的粒径区间的颗粒的数量，就可以得到粒度分布了。2 2显微镜法

32、显微镜法粒度测量方法粒度测量方法2021/7/2478光学显微镜光学显微镜 ：分辨率：0.2m， 用于0.2200m 颗粒的测量。透射电子显微镜透射电子显微镜： 分辨率可达0.30.5nm， 测量范围：0.0015m扫描电子显微镜扫描电子显微镜 ： 分辨率可达3.0nm， 测量范围： 0.00550m。 显微镜测量的样品量极少，取样和制样时，保证样品有充分的代表性和良好的分散性。光学显微镜的分辨能力，可以从下式判断：0.61DA 式中，D可看成能分辨的最小颗粒尺寸。粒度测量方法粒度测量方法2021/7/2479A 样品制备样品制备 四分法四分法取样取样： 将将0.50.5克左右的颗粒物质放在玻

33、璃板上，用小勺充分克左右的颗粒物质放在玻璃板上，用小勺充分混合，分割成四块，取其中两块混合，再分割为四块，混合，分割成四块，取其中两块混合，再分割为四块，再取出两块，以此做下去，直到剩余颗粒的重量约再取出两块，以此做下去，直到剩余颗粒的重量约0.010.01克为止。克为止。制样：制样： 取分割好的样品置于玻璃片上，滴加分散介质，取分割好的样品置于玻璃片上，滴加分散介质，用用玻璃片搓动，当分散介质完全挥发后，即可观测。玻璃片搓动，当分散介质完全挥发后，即可观测。 粒度测量方法粒度测量方法2021/7/2480B B 粒度测量粒度测量 显微镜法测量的是颗粒的表观粒度，即颗粒的投影显微镜法测量的是颗

34、粒的表观粒度，即颗粒的投影尺寸。尺寸。 对称性好的球状颗粒（如雾化粉）或立方体颗粒可直接按长度计量； 对于非球状的不规则颗粒，这种直接计量是不可能的，颗粒的“尺寸”必须考虑到颗粒形状，有不同的表示方法。图2-16是显微镜法常用的2种颗粒“尺寸”的表示方法。显微镜法显微镜法2021/7/2481显微镜法显微镜法垂直投影法垂直投影法线形切割法线形切割法图图2-16 显微镜下常用的粒度尺寸表示方法显微镜下常用的粒度尺寸表示方法2021/7/2482 目镜中插入目镜测微尺，其上刻有一定标尺或不同大小直径圆的刻度片。采用定向径方法测量采用定向径方法测量图图2-172021/7/2483粒度测量方法粒度测

35、量方法图图2-172021/7/2484显微镜方法的优缺点显微镜方法的优缺点n优点优点n可直接观察粒子形状n可直接观察粒子团聚n光学显微镜便宜缺点缺点n代表性差n重复性差n测量投影面积直径n速度慢显微镜法显微镜法2021/7/2485 当光线通过不均匀介质时，会发生偏离其直线传播方向的散射现象，散射光形式中包含有散射体大小、形状、结构以及成分、组成和浓度等信息。因此，利用光散射技术可以测量颗粒群的浓度分布与折射率大小，还可以测量颗粒群的尺寸分布。激光粒度仪的原理激光粒度仪的原理激光法激光法3. 激光法激光法 2021/7/2486 激光法粒度仪应用的理论： 夫琅霍夫夫琅霍夫(Fraunhofe

36、r)(Fraunhofer)衍射理论：衍射理论：颗粒直径远大于入射波长（即用于几个微米至几百微几个微米至几百微米），米），或对一些较小的不透明的或相对于悬浮介质有一个较高的折射率的颗粒的测量。 米氏米氏(Mie)(Mie)散射理论散射理论：几个微米几个微米以下的测量。2021/7/2487 光的衍射是光波在传播过程中遇到障碍物后，偏离其原来的传播方向弯入障碍物的几何影区内，并在障碍物后的观察屏上呈现光强分布的不均匀现象光强分布的不均匀现象（不存在颗粒不存在颗粒时，在衍射场中得到一集中光斑，存在时，衍射图样由时，在衍射场中得到一集中光斑，存在时，衍射图样由中心的亮斑和由中心向外一圈一圈越来越弱的

37、亮环组中心的亮斑和由中心向外一圈一圈越来越弱的亮环组成成）。光源和观察屏距离衍射物都相当于无限远时的衍射即Fraunhofer 衍射，其衍射场可在透镜的后焦面上观察到。 激光法激光法Fraunhofer 衍射衍射2021/7/2488 光束遇到颗粒阻挡发生散射现象，散射光的传播方向将与主光束的传播方向形成一个夹角，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。即小角度小角度()的散射光是有大颗粒引起的；大角度的散射光是有大颗粒引起的；大角度(1)的散射光是由的散射光是由小颗粒引起的小颗粒引起的，如图2所示。进一步研究表明，散射光散射光的强度代表该

38、粒径颗粒的数量的强度代表该粒径颗粒的数量。这样，测量不同角度上的散射光的强度，就可以得到样品的粒度分布了。 米氏散射理论米氏散射理论激光法激光法2021/7/2489激光法激光法不同粒径的颗粒产生不同角度的散射光 图图2-19 2021/7/24904 激光衍射 0.05500m0.05500m4 X光小角衍射 0.0020.1m0.0020.1m2021/7/2491激光法激光法激光粒度仪测试简图激光粒度仪测试简图 图图2-202021/7/2492性能特点性能特点n测量的动态范围大，测量的动态范围大，激光粒度可以超过1：1000；n测量速度快测量速度快（需1min）；n重复性好重复性好，重

39、复精度很高，达重复精度很高，达1%1%以内以内；n操作方便，操作方便，不受环境温度影响（相对于沉降仪），不存在堵孔问题（相对库尔特计数器）；n分辨率较低分辨率较低，不宜测粒度分布过窄的样品的宽度，如磨料微粉；n对于几微米的试样，误差较大对于几微米的试样，误差较大。激光法激光法2021/7/2493n消光法消光法：通过测量经颗粒群散射和吸收后，光强度在入射方向上的衰减来确定粒度。 如图2-21所示来自光源S，波长为，强度是I0的单色光，经聚光透镜L1、光阑B1和准直透镜L2 2成为一束平行光，穿过在气体或液体中分散的颗粒群，再经透镜L3和光阑B2最后被光电探测器接收。 4. 消光法消光法激光法激

40、光法图图2-212021/7/2494s根据Lalnbert一Beer定律或消光度(光密度)式中，I I为透光强度;I I。为空白透光强度;l l为光束通过样品的区域厚度；n n为颗粒个数;a a为颗粒的迎光面积；k k为颗粒的消光系数，它与颗粒相对于介质的折射率m和尺寸参数a有关. 对于粒度相等直径为D的球形颗粒，若浓度(单位体积中的颗粒总重)为C，则上式可写成0lnInkalI0lg(lg )IGe nkalI3(lg )2CKlGeD激光法激光法2021/7/2495n快速、通过光电转换实现测量容易；n数据处理自动化；n粒度测量范围很广，约为2 nm2 mm。s光散射法和消光法粒度测量的

41、优点：光散射法和消光法粒度测量的优点：激光法激光法2021/7/2496 由于为非接触测量，故特别适合于对气溶胶气溶胶作在线测量。如云雾水滴、燃料喷射中的液滴或煤粉、大气粉尘、洁净室中的尘粒。 也适用于液中分散系液中分散系，例如检测净化水、乳化燃料中的颗粒。 若测试对象为粉末，则需制备成分散良好的以液体或气体为介质的分散体系。应应 用用激光法激光法2021/7/24975. 电传感法电传感法n 电传感法原理电传感法原理：n 电传感法是将被测颗粒分散在导电的电解质溶液中。在该导电液中置一开有小孔的隔板，并将两个电极分别于小孔两侧插入导电液中。在压差作用下，颗粒随导电液逐个地通过小孔。每个颗粒通过

42、小孔时产生的电阻变化表现为电压脉冲，这个电压脉冲与颗粒体积或直径成正比，如图1.28所示。2021/7/2498电传感法电传感法图图2-222021/7/2499s 对于球形颗粒悬浮液的电阻变化R R可写成如下关系式 式中L为液体电阻率；A为小孔截面积，V为颗粒体积；K是与1相差不大的系数；f(d/D0)是一个收敛级数的展开式。当d/D0足够小即粒径与孔道直径足够小， f(d/D0)趋于1。因此，对于球形颗粒来说，可认为对于球形颗粒来说，可认为 与与颗粒体积即颗粒体积即d3成正比。成正比。20f()LVdRKADR电传感法电传感法2021/7/24100n 仪器对脉冲按其大小归档(颗粒体积或粒

43、度的间隔)，进行计数，因此可以给出颗粒体积或粒度(体积直径)的个数分布。同时，也可给出单位体积导电液中的总粒数和各档大小的粒数。电传感法电传感法2021/7/24101库伦特计数器特点库伦特计数器特点n通常测量范围约为通常测量范围约为0.51000m。n测量快速测量快速，每分钟可计数数万个颗粒，需样少，再现性较好。n应用于血球的计数、固体颗粒以及乳状液中液滴等粒度测量，电传感法电传感法2021/7/241026.6.沉降法沉降法 沉降法粒度测试技术是指通过颗粒在液体中沉降速度来测量粒度分布的仪器和方法。主要分重力沉降式和离心沉降式光透沉降粒度仪。 沉降原理沉降原理：在具有一定粘度的粉末悬浊液内

44、，液体中的颗粒在重力或离心力等的作用下开始沉降，颗粒的沉降速度与颗粒的大小有关，大颗粒的沉降速度快，小颗粒的沉降速度慢，根据颗粒的沉降速度不同来测量颗粒的大小和粒度分布。2021/7/24103沉降法沉降法颗粒的沉降速度不同来测量颗粒的大小和粒度分布颗粒的沉降速度不同来测量颗粒的大小和粒度分布图图2-232021/7/24104 固体颗粒在流体介质中，因重力作用而沉降，颗粒的沉降符合斯托克斯（Stokes）沉降原理。 球形颗粒沉降时的重力为：34()3sfGrg流体的黏滞阻力为：6FruStokes阻力公式沉降法沉降法重力沉降原理重力沉降原理2021/7/24105当G=F时，rugrfs6)(3439)(22grufs若以直径d表示（d=2r）： 2()18sfdguStokes沉降公式沉降公式 沉降法沉降法2021/7/24106 Stokes定律表达了在层流条件沉降速度与粒径 的 关 系 ， 适 用 于 雷 诺 数 很 小 的 流 动 状 态（Re2）。 同一物料在同一流体介质中沉降时，若颗粒大小不等，则其沉降速度也不相等。沉降法沉降法2021/7/24107离心沉降