激光泥沙颗粒分析仪的比测试验分析

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1、激光泥沙颗粒分析仪的比测试验分析王真祥 朱巧云(长江水利委员会长江口水文水资源勘测局)摘要：介绍了激光泥沙颗粒分析仪的基本原理及操作流程，通过对实测泥沙样品的对比分析，论证了使用激光颗分仪进行河流泥沙颗粒分析的适用性，并得出了一些有益的结论。关键词：激光技术；颗粒分析；平行试验1仪器原理简介　　激光技术应用于颗粒分析的基本原理是Furanhofer衍射和MIE散射理论，该理论表明[1]。照射微粒的平行激光束在以一特定角度发生衍射和散射时，将散射掉大部分能量，对于较小的颗粒，这种角度较大；而对于较大的颗粒，这种角度较小。通过录不同角度时的散射情况，采用特定的方法来对散射加以计算，就可以获得

2、颗料的面积和体积，而由面积和体积即可得到颗粒的直径大小。图1为激光颗粒分析仪的光学布局的示意图解[1]。　　　　　　　　　图1激光颗粒分析仪的工作原理示意图　　　　　　　　Fig.1Sketchmapofprinciplesandoperationalflowof　　　　　　　　　　　　　　laser-beaminstrument　　　　　　　图2散射原理的几何定义及散射检测的光学图解Fig.2Sketchmapofgeometricdefinitionoflaser-beamdispersionprincipleandlaser-beamdispersionexamining 　　图1

3、所示，激光颗粒分析仪的测量过程为：由激光源产生的激光通过光路形成平行的激光束后照射到颗粒上，由于颗粒的遮挡，激光便改变传播方向（即发生衍射和散射现象），颗粒的衍射及散射由一聚焦的接收透镜来检测，在此聚焦面上放置有特别构造的由32个圆环组成的检测器（中心有一让未被散射的直线光束通过的小孔），每一圆环都能对应地测量出其特定小角度范围内的散射。为便于用数学的手段来解决颗粒级配的分布问题，圆环的半径被分布成按对数级增大以便使每一半径都是最大半径的恒定倍数。圆环检测器后面的光电二极管用来测量激光束的传播时间t，t被用来校正光学背景散射（即给出激光束变细小的测量值）。　　散射原理的几何定义、散射函数

4、的数学表达式及激光散射检测的几何光学图解［1］可示意图2。　　散射函数F（Ψ）表达式中，Φs（Ψ）为散射激光强度，Φi为入射激光强度，△r为未散射激光通过的直结距离，Ψ为散射角，△Ω为衍射面积。　　激光颗粒分析仪原始记录的是由圆环检测器测出的散射能量分布，信号扫描可以0.2秒或更长的时间间隔来记录（视所测粒径范围而定）。所有记录的数据通过仪器附带的计算机软件处理，用数学手段将能量分布转换成粒径分布。　　计算机计算处理的数学表达式为　　Ei=∑KIJNA（αj）或以矢量形式表达为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　V（αj）=NAi×αj　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

5、　　　　　　n（αj）=NAi/α2i　　式中Ei为实测能量值，KIJ为颗粒I在环J的检测值，NA为面积分布，a为颗粒大小，V(αj)为体积分布，n(αj)为粒径分布。2泥沙样品情况介绍　　试验分析采用的泥沙样品，均为长江下游入海口河段的徐六泾水文站附近所取的悬移质水样，取样的断面宽为6km，垂线水深为3～60m，测点相对水深分别为0.0H、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H、1.0H（H为垂线水深）［2］；取样时间包含涨潮、落潮时段，采样器为专用横式采样器；所取试样体积为2000ml，沙样的浓度为0.10～3.00kg/m3，粒径变幅为0.003～0.3mm，水样含盐度均小于0.0

6、5‰。3比测方法与内容　　将外业所取的悬移质水样，在同等环境条件下，在规范［2］规定的分析时限内，分别用激光颗粒分析仪和移液管（吸管）同步进行对比分析试验，具体步骤如下：　　①　水样的预处理　沙样送达分析室后，首先去除试样中的杂草浮物等非沙物质，然后进行洗盐及有机质处理。预处理后的沙样全部过0.1mm的洗筛，筛下部分即为比测试验用的样品。　　②　移液管（吸管）分析　将处理制备好的沙样严格按移液管法所要求的操作流程进行分析，开始分析前，各点沙样均进行了反凝处理，所用反凝剂为六偏磷酸钠。　　③　激光颗粒分析仪分析试验仪器为辽宁丹东仪表研究所制造的GSL-101B激光粒度分析仪，对进行移液管分

7、析的沙样逐点同步用该激光仪进行对比分析，分析时的试样浓度、分析所用的时间要求等严格按仪器使用手册执行。　　④　级配计算　激光颗粒分析仪由于有电脑直接控制，其输出值即为样品的级配结果；移液管分析的沙样，经烘干、称重并进行反凝值改正后，求出各点试样的级配值[2]。　　⑤　最大粒径及沙样浓度的推求　将备样时各测点筛上大于0.1mm的沙样部分，用粒径计求出其最大粒径；各测点筛上、筛下干沙重的总和可推求出其浓度值［2］。4比测结果4.1精密度