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Eyetech 土壤粒徑粒形測量系統(tǒng)

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詳細介紹

1引言

土壤是由液體、氣體、固體三相組成，不同粒徑粒形的土壤顆粒是土壤的重要組成部分。土壤的粒徑粒形分析的目的是為了測定不同粒徑粒形土壤顆粒的組成，并進行土壤質(zhì)地的確定。而土壤質(zhì)地則是土壤最基本的特征之一，是土壤分類的重要依據(jù)，對土壤肥力、土壤養(yǎng)分運移、土壤水分特征曲線及土壤可蝕性等具有重要影響。

目前測量土壤粒徑粒形的方法很多，有篩分法，沉降法，激光衍射法，電阻法以及靜態(tài)圖像法等。關(guān)于這些方法的詳細介紹可以參考有關(guān)書籍，這里就不贅述了。值得指出的是在激光衍射法中，其理論基礎(chǔ)是FRAUNHOFF衍射或者MIE散射理論，這兩種方法都是根據(jù)在顆粒在焦平面上形成的衍射以及散射信號的強弱來推算顆粒的大小。而傳統(tǒng)的圖像法中，是借助顯微鏡、攝像頭或數(shù)碼像機和圖形采集卡利用計算機軟件對采集的圖像進行處理和計算，從而得到顆粒的大小以及形狀參數(shù)?？紤]到這種方法單次所測到的顆粒個數(shù)較少，一般采用通過更換視場的方法進行多次測量來提高測試結(jié)果的真實性。

測量原理
粒徑分析 (PSA),EYETECH 激光粒度儀采用有名的激光遮蔽時間（LOT）理論。這是一種針對旋轉(zhuǎn)的激光光束遮蔽時間的粒徑分析技術(shù)。樣品中顆粒被聚焦的 He-Ne 激光掃描，該激光采用楔形棱鏡，以200Hz 的速度旋轉(zhuǎn)。在角速度已知的情況下，每一顆粒的直徑都可以用遮蔽信號的持續(xù)時間來計算。這免除了其它分析技術(shù)所需的對檢測器靈敏度進行校正的必要性。EYETECH 激光粒度儀具有高精度、可靠性和優(yōu)秀的重復性。我們激光方法在 600 個不連續(xù)的時間間隔進行粒徑測量，得到高分辨率的粒徑分布。顆粒粒徑是直接測出來的，而不是通過粒徑的二級特點推算出來的。不受折射率指數(shù)、粘度變化、布朗運動、熱傳導和其它物理現(xiàn)象的影響。

2 測量系統(tǒng)設(shè)計

2.1 目標

土壤粒徑粒形測量系統(tǒng)采用的雙通道技術(shù)，進行土壤、污泥、河床沉積物、飛灰、水泥等樣品中顆粒粒徑粒形分布的研究。其激光通道應(yīng)用符合ISO標準的激光光阻法（也叫時間轉(zhuǎn)換理論或者激光脈沖分析法），克服了傳統(tǒng)激光粒度儀只適合于分析純凈物的缺點（傳統(tǒng)激光衍射法必須要知道樣品的光學特性，而大部分環(huán)境樣品成分復雜，光學特性不固定），測量過程對于樣品的任何物理特性都沒有依賴型，實現(xiàn)了物性無關(guān)的檢測；此外，其Video通道應(yīng)用動態(tài)粒形分析技術(shù)，在很大程度上提高了分析的精度并且縮短了分析所需的的時間。AZ-S0300土壤粒徑粒形觀測系統(tǒng)通過靈活的模塊化配置，可滿足不同類型的干法及濕法檢測需求，也可實現(xiàn)液體、乳劑、膏狀、薄膜、氣溶膠等樣品的測量需求。

2.2 土壤樣品采集

自然條件下，選取具有代表性的典型區(qū)域作為取樣樣地；實驗研究條件下，根據(jù)研究目的選取特定區(qū)域作為取樣樣地。根據(jù)樣地類型、開闊平坦程度、土壤勻質(zhì)程度等條件可選擇“梅花形"“棋盤式"“S形"“網(wǎng)格法"進行布點，同一類型的土壤樣品，至少取3個土樣作為重復。樣品采集的時間和頻率根據(jù)研究對象和目的決定。具體操作和細節(jié)可參照《土壤理化分析》中相關(guān)部分。

2.3 測量指標

采用的激光、視頻雙通道檢測技術(shù)，在進行激光粒度檢測的同時能夠得到顆粒的形貌和樣品分散信息，而且能夠?qū)τ诘玫降膱D像進行定量的粒形分析?？梢缘玫浇?40 個參數(shù)：顆粒數(shù)量分布、D10/D50/D90 顆粒度分布、顆粒表面積分布、顆粒體積分布、平均顆粒粒徑、體積平均粒徑、表面積平均粒徑、數(shù)量平均粒徑、等效面積直徑、弗雷特（Feret）直徑及其 / 最小 / 平均值、長細比、圓度、周長、分形維數(shù)、形狀因子、凹凸度和橢圓度等。
2.4 顆粒粒徑范圍
■ 激光通道分析粒徑：鏡頭 A100：0,1–600μm；鏡頭 B100：20–3600μm 圖像分析粒徑和粒形鏡頭
■ CW：2-150μm；鏡頭 DW：10 -600μm；鏡頭 EW：20-3600μm

2.5 測量系統(tǒng)組成

土壤粒徑粒形測量系統(tǒng)由土壤取樣單元、激光粒度儀主機、激光測量頭、視頻顯微鏡、測量池模塊（有磁力擾動測量池、機械擾動測量池、液體流動測量池、流動式液體測量池、纖維測量池、氣溶膠測量池、微流量測量池、加熱測量池、自由落體測量池、薄層測量池等可選）、粒形分析軟件等組成。

3 數(shù)據(jù)處理

激光和視頻分析產(chǎn)生的全面信息，很容易通過直觀的數(shù)據(jù)報表軟件得到。測量結(jié)果可以各種表格和圖顯示出來，這些表格和圖可以由用戶選擇，以便正確顯示需要的信息。通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，很容易實現(xiàn)數(shù)據(jù)比較和分析，允許對覆蓋圖和比較表進行編輯。輕點一下鼠標，就能生成word格式的樣品分析報告，該文件包括樣品制備，粒徑和粒形結(jié)果，還帶有圖形和視頻信息。

3.1 用顆粒的形狀信息補充尺寸信息

形狀信息是對粒徑分布的二維的補充，比如大小相識的顆粒可能在形狀上大相徑庭。對非球形顆粒準確的定性，兩維的形狀信息是必需的。形狀的差異可從粒形分布反映出來。動態(tài)圖像分析使用數(shù)碼攝像機抓取的顆粒圖像進行處理。得到的圖像可經(jīng)過復雜的圖像分析程序分析，得到圖像信息；亦可存儲起來，以后分析。

3.2 了解顆粒系統(tǒng)

通過動態(tài)圖像分析得到的形狀和尺寸相關(guān)數(shù)據(jù)提供了每個顆粒的豐富信息，這些信息可以展示在散點圖以觀察樣品的顆粒尺寸—形狀趨勢。

形狀過濾器具有與光學過濾器相同的功能，用戶可以根據(jù)尺寸或形狀特性在樣品中放大觀察樣品的特定部分。

3.3 檢測微小部分

激光通道使用的激光光阻法在特殊的應(yīng)用中有著明顯的優(yōu)勢，例如檢測只占樣品體積1％或更少的微小部分，或者以更高分辨率來分析樣品中的非常大的顆粒部分。

4 應(yīng)用案例

4.1 土壤粒徑粒形測量系統(tǒng)在屋面徑流顆粒分布研究中的應(yīng)用

同濟大學污染控制與資源化研究國家重點實驗室科研人員應(yīng)用AZ-S0300土壤粒徑粒形觀測系統(tǒng)，對上海市交通干道旁一處混凝土屋面的6次降雨徑流進行監(jiān)測，分析了屋面徑流中顆粒粒徑的分布，結(jié)果表明：顆粒物粒徑分布變化過程與流量過程密切相關(guān)，徑流初期小顆粒數(shù)目比例逐步上升，而當再次遇到較大降雨強度時，屋面在較強沖刷作用下產(chǎn)生較多大顆粒，使大顆粒所占比例上升，然后隨著徑流的繼續(xù)進行，小顆粒數(shù)目比例迅速上升。

4.2 土壤粒徑粒形測量系統(tǒng)在垃圾焚燒飛灰物理化學性質(zhì)研究中的應(yīng)用

北京科技大學的科研人員應(yīng)用AZ-S0300土壤粒徑粒形觀測系統(tǒng)，對國內(nèi)2種垃圾焚燒飛灰的物理性質(zhì)進行了詳細研究，結(jié)果表明：2種飛灰顆粒直徑的數(shù)量微分分布非常接近，它們的中間粒徑分別為0.84μm和0.85μm，平均粒徑分別為1.10μm和1.15μm，2種飛灰中基本沒有超過40μm的顆粒。