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激光粒度儀導(dǎo)論之性能特點(diǎn)篇
這里所謂的“性能特點(diǎn)”，是激光粒度儀相對(duì)于其他原理的粒度測(cè)量?jī)x器而言的。除激光粒度儀外，當(dāng)前市面上主流的粒度儀還有：
(1)顆粒圖像儀，分為動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩類(lèi)；
(2)電阻法(Electricsensingzone或Electricresistance)顆粒計(jì)數(shù)器；
(3)沉降法粒度儀，按照沉降力的來(lái)源分為重力沉降和離心沉降兩類(lèi)；按照沉降速度的測(cè)量方法分為光透沉降、X-線沉降、沉降管和沉降天平等多種；
(4)動(dòng)態(tài)光散射(Dynamiclightscattering)粒度儀。鑒于動(dòng)態(tài)光散射儀器只測(cè)量納米和亞微米顆粒，與激光粒度儀的測(cè)量范圍重疊部分很少，不應(yīng)放在一起比較。本文討論的激光粒度儀性能特點(diǎn)是相較于以上前3類(lèi)儀器而言的。
動(dòng)態(tài)范圍大
所謂動(dòng)態(tài)范圍是指儀器在一個(gè)量程內(nèi)能測(cè)量的最大粒徑與最小粒徑之比?，F(xiàn)在大部分品牌的激光粒度儀都無(wú)需調(diào)整量程(通過(guò)更換傅里葉透鏡或調(diào)節(jié)測(cè)量池位置實(shí)現(xiàn))，所以?xún)x器的測(cè)量范圍就是儀器的動(dòng)態(tài)范圍。
激光粒度儀的動(dòng)態(tài)范圍是由儀器同時(shí)能測(cè)量的最大散射角和最小散射角決定的。從原理分析，如果只測(cè)量前向散射光，測(cè)量下限能達(dá)到0.3µm左右；如果光的探測(cè)角度范圍擴(kuò)展到后向，那么測(cè)量下限可達(dá)到0.1µm。測(cè)量上限則由儀器的等效焦距和探測(cè)器最小單元的扇形平均半徑?jīng)Q定(參考文獻(xiàn)：胡華,張福根等.激光粒度儀的測(cè)量上限.光學(xué)學(xué)報(bào),2018,38(4):0429001)。大多數(shù)品牌都能輕松測(cè)到1000µm?？梢?jiàn)激光粒度儀的動(dòng)態(tài)范圍能達(dá)到3300:1(無(wú)后向散射)或10000:1。
需要說(shuō)明的是，大多激光粒度儀廠商都把自己產(chǎn)品的測(cè)量下限宣傳得很小，例如0.01微米(即10納米)，而把上限說(shuō)得很大。有些是缺乏科學(xué)基礎(chǔ)的。用戶(hù)采信時(shí)要謹(jǐn)慎。
不管怎樣，其他3類(lèi)粒度儀的動(dòng)態(tài)范圍都在100左右或者更小?？梢?jiàn)激光粒度儀的動(dòng)態(tài)范圍遠(yuǎn)大于其他原理的儀器，這給用戶(hù)使用帶來(lái)的方便。
測(cè)量速度快
激光粒度儀的測(cè)量過(guò)程主要包括背景測(cè)量、投樣和攪拌循環(huán)、散射光測(cè)量、數(shù)據(jù)反演計(jì)算以及報(bào)告顯示等。整個(gè)過(guò)程大約需要1分鐘左右。當(dāng)然這里不包括前期的樣品制備過(guò)程。對(duì)難分散樣品，在投入儀器的分散槽之前，需用外置的高功率超聲分散器進(jìn)行預(yù)處理，這個(gè)過(guò)程從數(shù)秒到幾分鐘，視樣品不同而異。不過(guò)難分散樣品的預(yù)分散對(duì)任何儀器都是必須要做的。
預(yù)處理后的測(cè)量時(shí)間，電阻法儀器也很快，整個(gè)過(guò)程也在1分鐘左右。沉降法儀器每次測(cè)量都要等整個(gè)沉降過(guò)程完成，同時(shí)為了滿(mǎn)足斯托克斯定律要求的層流條件，沉降速度還不能太快。這樣就造成測(cè)量過(guò)程需要30分鐘甚至更長(zhǎng)。靜態(tài)圖像法需要一幅一幅地處理圖像，還需要人工干預(yù)，測(cè)一個(gè)樣需要30分鐘或更長(zhǎng)。動(dòng)態(tài)圖像儀需要數(shù)分鐘。
綜上所述，激光粒度儀的測(cè)量速度是所有現(xiàn)存的粒度儀中快的儀器之一。
重復(fù)性和再現(xiàn)性好
重復(fù)性是指將制備好的顆粒樣品輸送到測(cè)量池后，讓儀器進(jìn)行多次測(cè)量，不同次測(cè)量結(jié)果之間的一致性。重復(fù)性又稱(chēng)“測(cè)量精度”。重復(fù)性通常用多次測(cè)量結(jié)果的相對(duì)均方差或標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表示。
有必要提醒的是，同一臺(tái)儀器，量程的中段往往測(cè)量精度高，兩端的測(cè)量精度低。在不加說(shuō)明的情況下，都是指量程中段的精度。另外對(duì)粒度測(cè)量，重復(fù)性還跟樣品的特性有關(guān)。首先是粒度分布寬度的影響。寬度越寬，重復(fù)性越低。其次跟樣品在介質(zhì)中的分散難易有關(guān)，容易團(tuán)聚的樣品，重復(fù)性低。
激光粒度儀比較典型的精度指標(biāo)是：對(duì)單分散(即理論上認(rèn)為所有顆粒有相同的粒徑)樣品，D50重復(fù)性誤差小于0.5%，甚至0.2%。對(duì)一般的多分散樣品(最大最小顆粒之比10到20倍)，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO13320(2009版)的要求是：”D50重復(fù)誤差小于3%，D10和D90重復(fù)誤差小于5%。如果粒徑小于10微米，相對(duì)誤差可以翻倍”?，F(xiàn)行的商品化激光粒度儀，重復(fù)性誤差大多遠(yuǎn)小于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求。
再現(xiàn)性是指不同的人對(duì)同一樣品進(jìn)行測(cè)量(有時(shí)為了簡(jiǎn)便，也有同一個(gè)操作者，對(duì)同一樣品多次取樣再測(cè)量)，得到的結(jié)果之間的一致性。顯然，重復(fù)性是再現(xiàn)性的基礎(chǔ)。由于受取樣的代表性、樣品制備方法(比如分散，移樣的手法等)的差異的影響，再現(xiàn)性誤差總是大于重復(fù)性誤差。不過(guò)由于激光粒度儀有很高的重復(fù)精度，并且取樣量比其他測(cè)量方法大，因此再現(xiàn)性也可以做到很高。
不論是重復(fù)性誤差還是再現(xiàn)性誤差，一般都是用相對(duì)或均方差來(lái)表示的。我們了解到有的用戶(hù)對(duì)粒度測(cè)量誤差的物理意義不甚了解或不甚準(zhǔn)確，在此特意再解釋一下：
我們首先要弄清楚，不論是平均粒徑、邊界粒徑或者用戶(hù)特別感興趣的其他測(cè)量值，每一次的測(cè)量值跟上一次都不可能*一樣，因此每一個(gè)量的測(cè)量都存在誤差?，F(xiàn)在假設(shè)某一個(gè)量(例如D50)在n次測(cè)量中，得到的數(shù)值分別為a1，a2，...，an。
舉個(gè)例子：設(shè)我們對(duì)一個(gè)顆粒樣品進(jìn)行了10次測(cè)量，每次的測(cè)量值見(jiàn)表2。其平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為14.139微米和0.021微米。所以`a+S=14.139+0.021=14.160(微米)，把測(cè)量值和這個(gè)上邊界值對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)第4、第5共2個(gè)測(cè)量值超出；`a-S=14.139-0.021=14.118(微米)，把測(cè)量值和這個(gè)下邊界對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)第6、第10共2個(gè)測(cè)量值超出；總共有4個(gè)測(cè)量值超出`a-S,`a+S的區(qū)間，占測(cè)量值個(gè)數(shù)的40%，換言之，有60%的測(cè)量值在這個(gè)區(qū)間內(nèi)。
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