1、ICS 19.120 日16G自中华人民共和回国家标准GB/T 19077.1一2003粒度分析激光衍射法Particle size analysis-Laser diffraction method CISO 13320-1: 1999 ,Partcle size analyss Laser diffraction methods-Part 1: General principles，沁lOD)2003-09-01实施中细人民典和网发布国家质量监督检验检班总局GB/T 19077.1-2003 前言本部分修改采用ISO13320-1，1999(粒度分析激光衍射法第1部分=总则。本部分与ISO
2、13320-1，1999的主要差异是作了编辑性修改。本部分的附录A至附录D是资料性附录。本部分由中国有色金属工业协会提出。本部分由全国有色金属标准化技术委员会归口。本部分起草单位=中南大学粉末冶金研究所。本部分主要起草人:廖寄乔、王华、陈亮、张宪铭。GBjT 19077.1-2003 。前窗阂际标准化组织(lsm是各国家标准化团体(lSO成员团体)的一个世界范围的联盟。国际标准的制定工作滋常是涵泊IS的技术委H1是激行的，对挨个已成宽了技术委员会的专业领域感兴烛的成1T.t团体都有仪参加该委员会。与IS有联络的官方和非官方的国际组织也参与这项工作。尬。在有关咆工技术标被化jjllf与自1际电仁
3、委员会(lEC)紧攒合作。本国际标准是根据ISO/IEC导则第3部分所作的规定起草的。委员会所采纳的国际标准榕袋需分发给各成凤团体投票表决，作为目前际标戒发布时曾要求至少75%的成筑fl体投主要批准。国际你准IS13320-1是技术委员会ISO/TC24/ SC 4 (筛子，筛分和其他粒度测试方法)制定的。斗s:阔际你f住所在萨及的方法为非筛分iti;，SO 13320在总惊题救度分析一一激光衍射法下包括以下部分g1部分:基本脱脱-一一第2部分:转换过程的有效性附录A泼D为资料做附2景。GB/T 19077. 1-2003 引冒生EF司现在，利用激光衍射技术的粒度测量方法在许多不同领域得到广泛
4、所用。这项技术的成功基于这样的事实:它能应用于各种颗粒系统中且速度快、能自动化操作，可使用许多商用设备。但是，设备的正确使用、结果的正确分析都需小心谨慎。因而，有必要针对运用激光衍射技术分析颗粒粒度制定一个标准，其目的是为粒度分析在质量控制方面提供方法。是初，激光衍射技术开始于小角散射，因此，这一技术还有如下名称:一-夫琅和费(Fraunhofer)衍射法;一一(近似的)正向光线散射法;一一小角度激光散射法(LALLS)。但是，这一技术范围己扩大，包括更大角度范围内的光散射，除了采用近似理论如夫琅和费衍射和不规则衍射外，还应用米氏(Mie)理论。激光衍射技术基于以下现象:粒子在各个方向产生散射
5、光而形成的光强度图取决于粒子大小。现有设备假定粒子的形状是球形的。图1显示了单个粒子散射谐的特征z高低强度交替变化，进而显示小颗粒散射角度比大颗粒的宽。a) ) LD 回1两种球形粒子的散射图(a颗粒粒径为b颗粒的2倍)在一定限度内.系列粒子的散射图形等同于各个粒子散射图形的叠加。通过运用数学费合法程序使用光学模型计算单位体积颗位在所选粒度区间的散射图，就可计算出颗粒的体积位度分布。这一散射图形最接近于所测出的图形(也可参见附录A)。典型的激光衍射装置包括:光源(通常为激光、颗粒分散装置、测量散射谱的探测器和一台用于控制设备和计算颗粒粒度分布的汁算机。需要注意的是，激光衍射技术不能分辨单颗粒和
6、由单颗粒聚集成的团粒这两者产生的散射。通常，团校的最终颗粒挝度与堆集尺寸有关，但有时颗粒粒度分布也能反映出单个颗粒的粒度，由于大多数颗粒样品中含有团粒或凝聚，而人们通常感兴趣的是原始颗粒的粒度分布。因此常在测量前将试样分散成原始颗粒.以前，设备只能用于角度小于14。的散射，这就不能应用于测量尺寸约为lm的小颗粒。受到这样限制的原因是:颗粒越小，在大角度的散射越明显(从附录A也可看出这一点)。现在许多设备能在更大的散射角进行测量，有的可达到1500，这主要是通过应用如更短波长光源、更多更大的透镜和使用两束激光或更大面积及适当数量的探测器。肉此，测量下限可到O.1m，有些设备测量下限可到0.02m
7、。四GB/T 19077.1-2003 粒度分析激光衍射法1 范围本部分通过分布斤颗梭的角度光徽射隙，对测量tf变革主双栩系的颗粒粒度分布援供指导手，这些是汉栩il括2粉末体、水雾、烟雾剂、悬浮液、乳状液以及液体中的气泡等。本标准不针对特定产品的粒度大小测;欧挂在副委主体要求，可用子测爆粒!i范院却在巨O.1 f.lm-3 mm的颗轨。对于非球形颗粒，由于这一技术假定其光学模塑中的赖粒为球形，因此可以获得等效球形粒度分布。这一较度分布全自果I可能与慕予其他物燎原凛的测徽方法所得结果有所不同蚓沉降t金、筛分泌)。2 规范性引用文件下列文件巾的条款通过本部分引用而成为本部分的条款。凡f圣E生日期的
8、哥Iffl文件，其自自般所有的修改单(不包括勘误的内容)成修订版均不适用于本部分，然而，鼓励根据本部分达成协议的各方研究是否可使用这些势文件的数新版本。凡烧不注日期的号|闲文牛，其量是新版本巡ffl于本部分。JSO 9276-1: 1990 粒度分析结果的表示第1部分=图示法3 ，主义和符粤以下的定义和符号音适用于本标狱。3. 1 定义3.1.1 峨收absorption 光束在媒介中传攒时，由于能量转换而导致的光束强度消减份3.1.2 变异系鼓coefficient of variation 松对测主意中青!iH目的总和是栩阀的。2主1章:仅仅在有限的光散射角度范周内的散射光被透镜收集到，同
9、样，这些主光才可被探测器探测到a靠在测吉普遭竟然火壁的光咆二二极管组成，些仪苦苦使用个光咆二极管勾移动狄盘盘栩泼络。光电二极管将空间的光强分布(r)转变成一系列光电流.随后电子元件将光电流转化成一系列强度或能儿，并使之数字化.Jl;就代袋徽射隙，中央iG1牛用来视!:!鼓林肯宽射光的强度。i愚:.1计算，激行光学浓度的测量。一些仪器提供一种特殊几何形状的中央元件，以便通过移动探测器或透镜来进行探测捞中心&.和两骤然。必须罔窥探测糠的&.裁以防止来自予表阔的反射光乎等进入光学系统。汁算机用来控制测量及储存和控制探测信号，储存和/或tI算适当形式的光学模型(通常为一个矩阵模壤，它包含盖在佼极度的旅
10、佼体织的光徽射矢簸，与探测然的几何形状和主在敏度且是比例!)&计算颗教粒度分布(见附运t.l).问时计算机也叫以用来自动控制仪器。由于仪器的处产厂家不间或者同一个公词的理型号不同，这就使仪器硬件和软件上布在着一蜘意大的差别具体的仪吉普都应该有足够lE确阪别这也兹别的信息，在E附没B的介绍中，就烧供了激光衍射仪的详细说明。1 探测器$2一一前沿透镜$3 粒子团s4一工作距离;5一一焦距。1 光束1，2 光束2，3 反傅立叶透镜p4 试样池65 探测器阵列1，6 探测器阵列2，7 探测器阵列3，a)傅立叶光路z颗粒在透镜之前并在其工作距离之内的平行光束里8 背散射探测器阵列。6 操作步骤6.1 准
11、备工作6.1.1 仪器安装b)反傅立叶光胳颗粒位于透镜与探测器之间的会聚光束里圈3激光衍射装置示例GB/T 19077.1-2003 仪器应该放在一个干净的环境中，并且此环境避免过多电干扰和机械振动，以及温度变动和直接光照。操作区应是通风的，仪器应有一个刚性光学平台，或者应放在一个固定的桌子或凳子上，以避免光学系统频繁的对光调整。警告=仪器发射系统配备一个低电压激光源，它能导致眼睛永远的伤害，不要去看激光束的直射光或者它的反射光。避免用反射面切断激光束。必须了解当地激光发射器的安全指南。6. 1. 2 分散液体任何一种已知折射率的光学透明液体都可以使用。这样，许多液体都可作为粉末的液体分散剂。
12、附录C介绍了对分散液的要求。如果一种有机液体用作分散剂，那么要遵守当地健康和安全规章。当使用高蒸气压的液体时应使用槽盏，以防止在超声波浴上方形成危险的蒸气聚集和/或在流体中由于蒸发产生低温区而导致折射率的波动。6. 1. 3 分散气体GB(T 19077.1-2003 对于千分散剂和电贯主辛辛辛苦督，有时使用压缩气体.1:必须不含汹、水利徽章宜。为此，应使闲个带过滤器的干煤器，任何真Q单元都应与测最区隔离开.以便输tf:l的热5景气不会影响到棚最底。l.iI防风，以免于扰赖轮流的稳定6. 2 试样检查、准备、分散和试样浓度6.2. 1 式样检蜜用日视或借助显微镜检王军要分析的试样，首先估计试样
13、的粮度范围和颗粒形状，然后，检查颗粒是哥哥已充分分散。如巢所分析的试样对于材料某一批具有代表性并已被充分分散，则其所测得的粒度分布结果仅对所代表的那一批i式样有效。6.2.2 试样准备对于干粉末，通过激分样技术(例如旋转分样技术).来创备一个具有代表傲的利体积合i璋的试样以备视11重如柴需要非常少璋的试样议者在海粉求情况下，可从1昆合得非常好的试样?毒剂中取得部分试栋。膏剂可避免取佯出错。膏剂放在混合时用一个平勺j军淌向试样中滴加分散剂l形成的创只要耳混合物形成块状物，就应一淌商增加分敝剿，并且加入吉普淌f首都要善生能续说合。苦苦剂的黄童声f祥式就像蜂蜜或牙膏。如果由于出错而使混合料变稀，那么
14、它就不能使用，须重新制作。如果簸大粒胶责自i立了测锺泡闷，那么变到预先除*且在料中太粗的颗粒。例如:i:l:9市分，在E这种悄况下须确定并记录除去的数量或百分比。fx才JJff一个给绥的果自救救成分布，毅然食法的步骤然迹?于激身:tg目的反!均计算。够实上，测量:数据费总含有些随机的和系统的误差，可导致错误的粒度分布结果。不阔的仪器采用不尽相同的数学处理程序，它们包含了衍射阔的实测戚与计算侦j阔的仪偏要在(例如，查查小平方)、一些是约束条件(例如，赖收费u鼓必须是正的)和/或粒度分布曲线平滑化。某些程序用观察到的探测信号的变化来进行这些数据的适当加权利计算颗校收成分布的可依皮底|可6.3.2
15、注意事项8 夜开始测壤前和测景中的任何时候，都成激守说明书上绘出的相关说明。下段时的事琐!革引起草主视za) 在jrf仪吉普电源前可爱明确所有系统的元件都已正确发浆。所有颗粒分散装置量和传输辈辈釜(诸直Dj辍芮波浴、卡分散苦苦、真空人口和2烹)都成接地，以防止由于静电反$l引起有机碍于剂或灰尘;爆炸。b) 打开电源后，应给予充足时间使仪器稳定。气体激光(诸如He-Ne激光)通常都要半个多小时以上的预热时问c) 检查仪器状况。如果需要的话，确定需要的测最范围和透镜。通过观察探测器的强度，确定探视曹e，x才rp并饺子是挂号童的然在可徐景景。没有颗幸!la才氧tE仪苦苦的某一安连在方式和分敞开在竣f
16、的苦学景讯号应该在特定范围之下。如果不是这种情况，必要害的话要检查和清洗光学元件以确保仪gI正常添转。d) 确定颗粒通过激光w:a才是在透镜的特定工作距离之内，以使所有颗粒的相关散射光线能射到透鳞，再聚去起到#在测器k成像(这样激免了渐晕效$l)0 的F自己知草草皮分布的你准试样在规定的时l询问隔内对仪器进行校礁，使仪器的精确性和准确性都符合要求(参见6.4和6.5.2)。们如日占住您曾董必分散，则要套价王辈分肯立静I;I巳空气泡。!iiZ避免留闷泡沫tJU最剂。g) 如果为干式分散，通过视觉或随后浓度值的检薇，分散器剂量装置应产生稳定的物质流。h) 对于烟雾和水雾，决不允许有日光l鼓楼她就室
17、主自堪副校徽射击投入探测撼，并且颗校或液淌的流动应是均匀的。il 如果可能的t点检资光学模费X才罪团粒粒度分布的影响(相对衍身才感).尤其X才有大部分粒子3辈份小子10m的试样来说更应如此。GB/T 19077.1-2003 注=折射率产生轻微的不同会导致系统错误(见附录A和附录胁。6.4 重现性对于粒度分布变异系数等于或小于约50%(或者颗粒最大直径与最小直径之比为10:1)的试样和对于那些来自同一批原料的五个不同试样在仪器的适当范围进行了五次测量的情况，特征颗粒的粒度重现性应如下g对于任意粒度分布的中位径值(X50)，它的变异系数应小于3%.位于粒度分布两边的值，例如:X10和X90应有一
18、个不超过5%的变异系数;对于10m以下的颗粒，其最大变异系数值应加倍。6.5 准确性6.5.1 校准考虑到颗粒的理想性能，激光衍射系统是建立在激光衍射法的基本原理上的(见附录A).因而不需要进行严格校准，但仍必须通过有效的程序证实仪器的正确操作(见6.5.2)。6.5.2 确认6.5.2.1 通过任何有证的或标准参考物质完成主要的标定，这也是最终用户所能接受的。要检查整个测量程序，包括取样、试样分散、通过测量区的试样输送、测量和重叠合法程序。有必要对整个操作程序进行充分详细的描述。需要已知粒度分布的有证或标准参考物质，其球形颗粒拥有超过10个以上的粒度区间。这些标准物质应通过绝对的方法证实其各
19、粒度区间的质量分数，如果可能的话，还应有一个认同的详细操作程序与之相匹配。如果米氏理论应用在数据分析上，则复合折射率的实部和虚部对某一指定材料而言应是精确的。如果来自至少3次独立测量数据的品。的平均值或其标准偏差偏离小于有证标准参考物质的平均值或其标准偏差值的3%.则认为激光衍射仪的响应曲线与这些标准是相符的。对于罚。和X90平均值，其偏离标准值范围应小于5%。虽然使用球形的参考材料是理想的，但也可使用那些非球形材料。不过这些值应该经过了确认并有经认同的详细的激光衍射法操作程序。因此，如果此参考值来自于激光衍射法以外的其他方法，则可能产生一个大的偏差。产生这些偏差的原因是由于不同的原理所用不同
20、的方法可导致对颗粒性能不同的灵敏度，从而可能使同样的非球形颗粒得出不同的等效球直径。除了上面提到的有证标准物质，对于在指定范围内具有典型成分和特定粒度分布的其他产品，如果它们的粒度分布被证明在时间上是稳定的，也可以用来校准仪器。这些结果应符合以前用有证标准物质所测得的精度和偏差。在体积比上有着相同特性的两个或更多的标样的混合物，能用于检测己知成分数量的试样准确度、粒度分辨率以及对细粉或粗粉的灵敏度。因为分样的数量可非常小，因此从不同原料中正确地取得具有代表性的试样比在正常情况下取祥显得更为重要。6.5.2.2 对于个激光衍射仪的进一步验证，可使用一个参考十字线。这样仅仅检查光学镜头和软件的质量
21、，忽略试样分散和操作过程的影响。对于焦距长度在300mm以上的仪器，由于斑纹效应，仪器的十字线是不可靠的。当然光学十字线的正确使用含有一定要求，即照射光束直径要保证能测量附着点的整个圆形面积。注意:某些反傅立叶光学仪器(它们的光学十字线必须装置在探测器附近)可能正好落在限制范围之内。如果来自至少3次测量值的码。的平均值的偏离量小于2%.并且x，o和x的平均值偏离引用值的量小于3%.那么可认为激光衍射仪的响应曲线与该标准的要求是相符合的。6.6 误差来源与诊断6.6.1 系统的测量误差(偏差).可来自于不正确的试样制备、偏离颗粒的理论假设和/或是由于对仪器不适当的操作和运行而造成的。6.6.2
22、试样制备往往是引起误差的主要因素，经常来自于如下方面.不适当的取祥技术，在测量区检测的是非代表性的试样。如果大量自由流动的原料有一个宽的粒度分布，那么在使用了不适当的取样方法时，这种误差尤其突出。但是误差也可能是由GB/T 19077.1-2003 子仪器内的传输装置引起的。例如，仪器的巢速太低可能导致大赖粒在管道转弯处沉积;由于分散方式不究静(液体，分散剂，锁商波J.导放闭糕的不充分分散p在分做过程中由于机械外力(例如越肖波)而使赖粒粉碎:夜测最前或夜测f革期间，颗敝(液滴的长大、两阴聚、游解以及蒸发;自J牟俊ffl泡沫分首虫剂和/过u智力搅拌而使试丰革中含有气泡;m于分散液的蒸发或燃烧而发
23、放温度波动.从而导致分散液或分散气体中产生不同的折射且札6.6.3 另外一个主要的误差来源是由于实际材料与理论假定的偏离。同样，这些误差来自不同的1i阁。首先，现实情况中的许多颗粒不可能完全服从球形假设，非球形颗粒在不问方向具有不同的槟截面积。而罪团粉放在E所有百丁自位的方佼上测簸，这就导致颗粒草草皮分布拟比于是事效体乎只分布时衔接力日流并且.中位径和平均径会向较大粒度偏移。第二，颗校表丽可能是非旺糙的，而非光滑翩。这就会号|恋;传播光在E边界散射，这最主常类似于颗粒的光吸收的影响。钢三，赖带走在光学t克是常是不均匀的。诸如多于L颗粒的罪盘子，这就可能导致大殿非常细小颗牵挂的明搬出现，削实际I
24、这楼颗校缝不存在:的。最后点，但并不是最不重要的，可能选用有错误的光学模珊或参数。例如，如果试样含有大雪景细小简澄明的颗松，问俊肝炎液和日赞近似理论，可能会计算tLl在火数缕的缩小颗粒见附必AJ。般来说，一个错误模型的选择也可能导致通过仪器计算的颗粒浓度与实际浓度有很大兹别。6.6.4 衍生辑作过平提:(f仪苦苦的i举行叶出现的谈盖章，列举如下s出现粒径超过测量范围的颗校由在这种情况下.调整测量范围(改变透镜)或(和)重新去掉过糊的原料.例如通过诩先过筛;在透镜工作距离外，试样通过激光束p滚饶或测量意窃口不T吵，Iif.清洗g测最仪在过高背簸信号下工作;光学系统没有被iE确调辈革g颗粒浓度过两
25、引起多元徽射;将光强值转换为粒度分布的数学程F字不i革3!j(与仪器制造厂家联系)0 6.6.5 除上所述，汤河能导致随机谈绞。随机设疑问自自由以下以因引起g测量时间不充分或记录了单个探测器的输出最;tE太低的浓度下工作9仪器有缺陷。例如激光强度不稳定，或探测器元件有噪音。6.6.6 测露过糠的谈亲在自J睡过以下操作进行校iE10 一趴在空白实验过程中至少用寸-小时来测量激光束的光强，使它稳定在仪器操作手册所提供的限J.E油5目前内。在一个空白的实验期间，观察米自各个探测器的信号背簸f富等应显示出.lH骨的特征，仅显示微小的iE威或为零。负数或超载(超过l%J结果边是明探测捞出现错误，其原因为
26、电子5f牛出错、斧版或擦伤了窗口玻璃或逃锐。名EJ.Et虫的饭除四l吉普j(;件上出现大的光强，是由子泼镜光学表面破坏而产生的反射，以及透明小容器或别的部件被激光束照射。从3教委主的试中丰测量童中观察古草棚H窗辛苦，计算侮个51牛的平均由慧和它们的标樵偏浆。并且中随俗先前测最的结果将所有探测元件的测量信号进行比较。这时，对这些信号的精确性和准确性得出的一个印象就怨:大的系统兹别统零售革(对的E牵来说J.通常袋明探测然光牛有辈革谈，咆子元件损坏，或奔脏了窗口或透镜，或对光不准，或在制样和分散过程中出现空气泡或别的问题。GBjT 19077.1-2003 而且，这些数据在转换成光强值后，能将来自于
27、不同仪器的光散射图进行比较，在某程度上不考虑这些仪器中多元探测器的几何形状(如果几何形状己知的话)。当使用同一光学模型作为重叠合法的颗粒粒度分数的消光系数计算时，应比较试样实际浓度与通过试样质量与分散介质体积之比得到的计算浓度之间的差别g差别过大显示光学模型不合适或试样处理不恰当。对于所有探测器元件，比较测量信号与计算信号之间的差别(其结果应与粒度分布吻合)，大的系统差别表明元件有错或光学模型不正确。6. 7 分辨率和灵敏度粒度分布的分辨率(即不同颗粒粒度间的区别能力)以及对极少量某一粒径范围内的颗粒的灵敏度通常由下列因素所决定:探测元件的数量、位置和几何形状;探测器元件的信噪比;在所测量散射
28、图中的微细结构;粒度区间之间的散射图差异，一一颗粒材料的实际粒度范围g光学模型的适合性;在重叠合法中曲线平滑处理的应用。这些因素阻碍激光衍射技术变成一个高性能的分辨技术，每个粒度等级上的最小粒度宽度通常约为1.1 2(粒度等级的上限与下限的比值。用于质量控制的实际分辨率和/或灵敏度应通过使用已知组成的混合物而确定。7 结果记录试验结果应该符合ISO9276-)或相关标准的要求，而且为便于在不同的实验室通过不同的操作者使某一测量值能重现，应记录以下的信息。对某些材料，其中的某些条款是可选的za) 取样b) 分散完整的试样描述。例如:化学类型、批数和/或取样地点，取样日期和时间等等p取样过程。例如
29、3取样方法和试样分样过程;试样的预先处理(可选)。例如z预先筛分、类型和条件;分析日期。一一分散的类型。干式或湿式。对于干式分散z分散装置的具体描述。例如，注射装置直径，初始压力g喂料装置的类型;喂料速率。对于湿式分散:分散液。标识、体积，必要时应注明温度，分散剂。类型和数量;试样浓度，超声处理。装置类型、频率(能量)及开始测量前持续与停顿的时间，一一泵速。c) 激光衍射测暨一一仪器类型和编号;11 GB/T 19077.1-2003 12 一一所用软件的版本;使用透饿的焦E在*1l!:;测量的实际粒皮范围;一一最近一次对光日期;一簸i丘役准仪糕的问剿g一测景的日期和时间;t式样光学浓度;一一
30、开始或停止情况下的信号范周(如果使用的访); 有效傲的联傻前B国(灿然使F目的滔); 使用的光散射模型;如泉*ffl米氏王理论的词，复合扬的感的实部和l!撞音;(可选的)来自重叠合法中的参数结果。d) 分析人员称识叫一一实验策的名称和地点p一一操作人员的名字和特征。GBjT 19077.1-2003 附录A(资料性附录)激光衍射法的理论背景光和颗粒间的四种作用类型g1) 在颗粒截面的衍射(夫琅和费衍射); 2) 在颗粒表面的反射，既包括内表面也包括外表面;3) 来自介质到颗粒和颗粒到介质的交界面上的折射64) 颗粒对光的吸收。这些相互作用导致了干涉现象，产生一个特征的散射图，它依赖于颗粒的粒度
31、、形状和光学特性。图A.l给出一个例子:30 0001 25000 强度20000 15 000 10 000 5000 20 15 10 。-5 角度jC)-10 -15 20 30 000 强度25 000 20000 15 000 10000 5000 。20 。5 10 角度jC)-15 -20 固A.1一个3m球形颗粒的散射光的角度光强圈(折射率(RIl:1. 60-0i.波长633nm) 图中清楚地表明了单个颗粒的散射图特征一一最高的强度，出现在正向位置，并且光强随着衍射角的增大逐渐减弱g在光强上有着很大差别，在不同衍射角出现特征最大值和最小值:球形颗粒的散射图呈环形对称。这些特征
32、是应用激光衍射技术测量颗粒粒度分布的基础。单个球形颗粒的光散射，能够延伸到颗粒整体，如果z1) 每个颗粒散射是独立的。例如，没有显著的多元散射，这意味着颗粒浓度较低$2) 不同颗粒的散射光之间没有干涉。如果所有颗粒之间能随机的移动，且互相无干扰，并且整个散射图是多次取样得到的，那么，这种情况就是满意的。对于颗粒粒度分布，激光衍射解释光谱的数据整理依赖于两个主要的操作程序。首先要求创立一个数学模型，解释单一颗粒是怎样散射光的。第二，包括由角散射图对粒度分布的重叠合法。一个单颗粒非偏振光散射可用下式表示g1(8) 斗斗5，(的J十52(8) J 2kaz 其中:l(的为总散射光强度，是角度。的函数
33、gI。为人射光的光强:h为波数2/事为空气中入射光1，的波长g13 GB/T 19077.1-2003 为散射体到探测器的距离:5 , (8)和52(8)是元量纲的，在整个散射理论中是一个综合函数，它描述了关于正方位上偏振光在各自垂直和平行方向的振幅变化与角度。的函数。为了计算这些函数，进而计算l(的，己发展了汁算机算法。由某一宽度的粒度区间内的单位体积颗粒在已知几何形状探测元件上形成的散射光强度由l(8)对粒度区间出现的颗粒数量和元件的几何形状积分得来的。对于一系列的粒度区间和探测器元件，就产生了模型矩阵。注1，对于有一定规则形状的非球形颗粒，可应用相似的方程。这些方程由于散射光强度没有环形
34、对称而更加复杂，但是它也依赖于方位角。迄今为止，商业仪器对非球形颗粒都没有一定的模型，因此，这在本标准中不予讨论。历史上，夫琅和费(Fraunhofer)近似已是用于颗粒粒度测量的第一光学模型的基础。在这种应用中，除了颗粒的球形性外，还有以下严格的假定a) 所有的颗粒都比波长大许多(仅仅考滤在颗粒截面上散射，这也意味着对于很薄的二维环形圆盘，能够获得相同的散射图); b) 仅考虑接近正方向的散射(8很小)。对于这些可用近似公式zr J , (sin8)寸25, J2 = 5, J2二a41J 1 函I 上面给出的般公式进行简化得到下面的方程:10 .rJ，(sin8)寸2I(8) = .: o
35、a I J -: I -kZa2I函01其中z元量纲的粒度参数=盯/;J，是第种表达形式的贝塞耳函数。注2，在表达式的右边经常增加个额外的项O+cosO)/2以便于将其延伸到更大角度。这一方程的优点是它相对简单并且便于计算。这个夫琅霍费(Fraunhofer)近似公式没有利用材料光学特性的任何知识。因此，它可使用于由不同材料混合的样品的测量。在实际情况中，近似公式对那些较大的颗粒(直径至少约为光的波长的40倍，或aI)或者对一些较小的不透明的或相对于悬浮介质有一个高的折射率的颗粒是有效的。然而，对那些相对折射率较低的小颗粒，按体积比例描述某已知粒度时就出现了错误。这是由于在费琅霍费近似公式中假
36、定对所有颗粒粒度相对于其横截面的吸收率都是常数这一事实引起的;换句话说，它不能预示那些散射光强比几何截面下降得更快的小颗粒。有着相似的特征，但形式更加复杂的方程，用特殊衍射和Lorenz-Mie理论都可表示出来。在商用仪器中，特殊衍射的近似方程也得到有限的应用。这里应假设-a) 所有颗粒都是球形的;b) 所有颗粒都是完全不透明的;并且c) 颗粒与分散介质间的折射率的差别较小(比率1. )和/或k，0.05.夫琅和费近似方程也能够给出较好的结果。对于中等粒度的颗粒，当n，/nm和儿都较低时，通常特殊衍射近似给出与Mie理论相同的结论。在所有使用Mie理论的例子中，都必须提供光学特性的合理值。如果
37、不能得到材料的折射率值，那么，就在夫琅和费近似方程与使用复合折射率的实际估计值的Mie理论之间选择。前者的优点就是简单和不需要折射率值，后者的优点是通常能提供偏差很小的颗粒粒度分布。在任何情况下，对所作的选择的各个方面都应该搞清楚。球形颗粒的角度散射图的理论预测与所选择的多元探测器几何形状和精密度一起使用，以便形成一个矩阵用来描述每粒度区间的单位体积颗粒在每个探视l单元是如何形成能量信号的。就散射图的典型特征而论，对于光强分布角度范围宽，粒度分布范围窄以及对角度分辨率高的试样而言是有利的。这样，装配尽可能多的探测器，对仪器来说似乎是有利的。另一方面，每个探测元件上的信号就是散射光强度、元件的几
38、何面积以及其精密度的产物。因此，几何面积的减少都会导致信号变弱，并且信噪比也会降低。这在高散射角时尤其重要，此时散射光的强度通常很低。并且，对于样品所需的足够探测器而言，更多的探测器，对角散射图的变化比率将带来负面影响，这是由于随着探测器的增多，测量误差也会增加，这对计算粒度分布的精度也有不利的影响。在实践中，这将对探测器的数量，大小及其覆盖的角度范围形成一些优化条件。然而应该知道的是，不同的仪器生产厂家所做的设计也不相同。其综合性能应通过标准物质进行确认。能量图A.2运用Mie理论得到的任一探测器上相同体积颗粒的粒度和散射角的角度光强散射图(RI= 1. 60 - O. Oi.水RI=1.3
39、3)15 GB/T 19077.1-2003 。40 30 20能 因A自3运用Fraunhofer理论得到的任探测铺上相间体积颗粒的粒度和散射角的角度光源散射阁为了解释徽射朗的典骂自特征，计炼出了各种各样的散射阁。因A.2和l划A.3给出了;r;问粒Jj!相同体积的颗糕的三绒的角散射图(夜阁中对个任意的探测器几何形状.探测祷按照能量信号进行输出，自在辛苦角度的增加，探测苦苦牛的几何尺寸ilU盖辛苦增加人对于自自A.2，缝俊fflMie 盟M;l挂行tj革的。对于图A.3是用夫琅和费近似进行计算的。通过两个图形的比较，可以说明两个理论的大(乳状液)颗教(颗税收皮革E10m到20m以上的常生射附
40、椅上去十分栩似，陨落去赖粮草宽度增大探测错f商号向辛苦更小角度转换。另)J丽，对最Y:!:在大约夜10m以下的堪回校的探测f商号的区别说柏克燃烧的JiVRIfl米:灾E酷和费1理论预测了在减小颗粒粒度时仅有微小差别，然nnMie理论推导出与颗粒粒Jj!有关的最大光强的强烈波动，对于某些坚毅庶的罪团常Mie理论得到信号凝tt与之栩且在的主IJ丧和费E理论产线的lJ!il需.问对于别的校!ll就更低。这些事型号琐的二三维散射图的戴商朗在网儿4-阁成6i J. z注Ifl来，没意网荫的依号代司提散射光强度。16 lE.07 lE.03 I P. .02 IE.OI IO 他喃喃幡5mR.=1.5-0
41、.li-1mlU=1.62-0.01i _, -1 j.1 mRI=1. 62-0.1i -1mRI=1.62-li 1 000 散射角!C可图A.5l，.m的颗粒不同的虚部(吸光系擞)对角度光强的影晌(介质:水RI=1. 33) 图A.4清晰的说明了近似单分散颗粒粒度分布的散射行为的典型特征。首先，在强度曲线上有最大值和最小值，它们的角度位置主要由颗粒粒度控制。例如.0.5m颗粒的第一个最小值位于100。以上，相对而言5m的颗粒则在10。左右。早期设计的仪器的测量能力至多仅为150角。当然，在正方向上精细结构的出现，对于大颗粒来说就便于它们的区分。相反对于亚微米颗粒来说，因为正方向上缺少强度
42、的显著差别所以还需要额外的信息。因此，现代化仪器的测量范围延伸到1m以下，并且他们可以收集大于15。角的信号。然而，成注意在最大最小位置上折射率的次要影响。量lE.03 lE.02 lE.Ol -l0m单顺桂咀-lOj.1ffi宽度的1%_10m宽度的5%-10m宽度的30%回A.610，.m颗粒的正态分布宽度对角度光强散射固的影晌(颗粒RI=1. 62.水介质RI=1.33)第二，该图能够解释，对于某一体积的大颗粒的散射光强与具有相同体积的小颗粒的散射光强相比，大颗粒在小角度下的光强比小颗粒大，而在大角度下的光强比小颗粒小。然而，须记住颗粒粒度比率为10则导致其体积比为1000。还应记住，在
43、测量期间，由于绝对光强也与颗粒浓度有关，因此总的来说，仅角度与散射光强的相对变化才是重要的。17 GB/T 19077.1-2003 第三，图A.4和图A.5显示了朝着角度增大的方向，散射光强全面下降，以及显示了光学模型或折射率的影响。例如，与透明颗粒相比，颗粒对光线的少量吸收，就会出现更低的光强和更精细的结构。对于夫琅和费近似，这些影响通常更大。从图A.4和图A.5中我们能够得出一个结论，使用错误的光学模型，例如，夫琅和费近似或透明颗粒的消光值，就需要通过近似的增加细颗粒对在大角度上的少量散射光进行补偿。最后，图A.6表明，对于单一粒度和狭窄粒度分布的颗粒，在多角度散射图中显示出了精细结构。
44、对于稍宽一点的粒度分布，这些精细结构就未能保住。这可以从颗粒粒度在最大和最小位置上的强烈影响来解释。结果是，对不同粒度的最大最小值应进行补偿，这一补偿使宽颗粒粒度分布的多角散射图变得平滑。例如，对于在10m左右的粒度分布，有一个30%的宽度(表示为变异系数).随着角度增大至到大约90，光强不断下降，就产生了平滑的没有最大最小值的曲线。总的来说，这些图表明，从激光衍射技术上来说，对于较宽的粒度分布，不能期望得到有关粒度的高分辨率。更进步说，当在处理一般情况的宽泡围粒度分布时，探测信号中的微小错误，就可能导致颗粒粒度分布结果的重大不同。当然，这类错误的影响，很大程度依赖于使用在重叠合法中的数学程序
45、，包括约束条件和曲线的平滑处理(见6.3.1和6.7)。至此，已经讨论了各种颗粒粒度的散射图的预测。这些推测常常由仪器中以及在矩阵形式中选择的多元探测器的几何形状一起来实现。此矩阵形式用来描述，M个颗粒粒度区间的每个区间的单位体积是怎样在个探测器元件的每一个中作为个信号出现的。例如，在矩阵中的第一行(ML1M 1. M) ，描述了所有m个粒度区间的单位体积在第一个探测器上的信号，而第一列(Ml.lM，.I)表示第一个粒度区间在n个探测器元件中的每一个的分布。在矩阵计算法中可以写作LMXS L , M 1.1 M l. m SI X: L, M凡. . . . M ,.m Sm 在这个形式中，探
46、测器信号的集合可看作是粒度分布与散射矩阵的乘法的结果。然而在实际的测量实践中，也需要这个问题的逆矩阵。因为，来自所有探测器中的信号都要测量。在仪器中计算过的矩阵就是有效的，并且颗粒粒度分布可从下面计算式中得到zS M-1 XL 由于测量错误，在没有不可行的约束条件下仍采取直接变换，因此，这类方程不适合且情况不稳定。因此，一定程度的约束条件是必要的，从一个厂家到另一厂家的约束条件的变化依赖于它们的设计、探测器的数量、噪音水平和经验。没有充足的约束变换就会导致多分散分布的结果在直方矩阵数据中出现波动，严重缺乏约束就可能产生零或负值以及错误的模式。另方面，过多约束将会产生分辨能力的下降和实际颗粒粒度
47、分布的加宽。18 附录B(资料性附录)仪器规格介绍要求仪器生产厂家提供与下列条款有关的激光衍射仪规格。B.1 常规要求-一电流要求;重量;一一容积g一一特殊要求，如温度、湿度、震动、安全性等。B.2 光源/激光类型;波长;输出功率1强度稳定性(允许的波动程度h平行或会聚光束;在样品里的光源宽度/大小;极性g典型寿命。B.3 样晶通路在激光束中样品的通道长度;液体泵速或在于式扩散中粒子与空气的速度;声处理功率/频率，循环系统和光电管的体积;与粒子及分散液相接触的系统材料g能被分散或操作的最大颗粒粒径/密度。B.4 透镜焦距长;工作距离;是否固定或要求变动。B.5 探测器元件数量g一一探测器的阵列
48、方式及几何形状(如半圆或四分之一圆形、扇形等h自动或手动对光;探测器元件是否已校准;空白试验的常态探测信号的指示和它们的最大允许范围，一一探测元件的超载水平。GB/T 19077.1-2003 19 GB/T 19077.1-2003 B.6 测量典型测量童时间$一连续测量的最短时间间隔。B.7 计算机i十算机型E费现a内将大小;泼皮;操作系统;v磁忽然划与尺寸g脱测然樊测，键必然强;实时接r:l打印机类型/规程;一一网络功能/规穗p一一配备计算矩阵模型的设备g一一配备用于多元散射校正的设备。B.8 重盏台法能采用的光学模型自1指明数学过程的种类，如加权、约束条件和曲线平滑处理。B.9输出余部的以及每次测景过程z轩的测f景音18朗;粒度在1日骂，是否固定或是可调的;输出类型，如微分和娱积分布咱纷1百分合续时的校It债和成某一粒度下的百分含援、分布模型号事，一一数据储存g背景和试样的光散射通最早野度。B.10性能20 主重j适1饺，在一台仪稽之内;主E现性，一台仪器相对于另一台仪器;分辨率和牵挂1tI?r间较级的数簸8一一对应于在粒度分布内(测量范围内的少量小颗粒和大颗粒的较低探测极限g宁静明版权威役趟出测?轰击5网的情况。附lltc (资料性附条)激光衍射法用分散液体许多液体都可用于分散粉末，它们应具有= 在激光波长范自圈内JSH盖澄明的虫oHe-Ne激光
