颗粒粒度测量技术及应用 第二版 蔡小舒 颗粒基本知识 气溶胶 微纳气泡 光散射基本理论 超声散射原理 颗粒材料测量加工

颗粒广泛存在于能源、化工、冶金、医药、环境、食品、材料、农业、军事、生命等各学科领域和行业。据统计，约70%以上的工业产品与颗粒有关，其粒度范围从纳米到毫米。近年来发展迅速的3D打印，其关键技术就涉及到颗粒的粒度，环境中的PM2.5、纳米材料等都属颗粒范畴，甚至新冠病毒也是纳米生物颗粒！颗粒的主要特性是它的粒度及其分布，对其测量是颗粒表征的重要方面。
《颗粒粒度测量技术及应用》是作者团队多年从事颗粒粒度测量积累的知识与经验总结，全面总结了各种颗粒测量理论、方法、技术和应用的研究成果。中国颗粒学会原理事长郭慕孙院士对该书的出版给予了高度赞扬和推荐。图书出版后深得国内颗粒界的欢迎和好评，成为颗粒粒度测量仪器生产、颗粒制备、应用等单位的主要参考书。 《颗粒粒度测量技术及应用》出版后的十年间，颗粒测量理论、方法和技术又有了飞速发展，新的测量方法不断涌现，颗粒粒度涉及的领域也越来越广泛。为满足科研和工程应用的迫切需要，作者在上一版基础上，结合了近十年颗粒粒度测量新方法和应用研究成果，补充了在光散射理论、声散射理论、图像测量理论等研究的新进展，测量方法和技术的新发展，尤其是近年来颗粒在线测量技术的发展应用，同时对内容进行了全面更新和改写。
新书不仅包括了上一版有关颗粒的基本知识、光散射和超声散射的基本理论，光散射和超声颗粒测量方法和技术，颗粒测量方法中重要的反演算法，颗粒测量的应用等内容，还补充了作者这10年来在基础理论、测量方法和技术方面的创新性研究成果和突破，如图像测量理论和方法、虹散射测量方法、颗粒在线测量技术、大气环境污染颗粒和气溶胶等的测量方法以及国际上的新进展。

本书是作者所在团队多年来科研成果的总结，反映和代表了我国目前颗粒粒度测量技术的水平。图书分为四部分。第一部分介绍了颗粒粒度的基本知识；第二部分系统介绍了光散射理论、超声散射理论和图像处理理论等，以及基于上述理论发展的各种颗粒测量技术，其粒度测量范围覆盖了在科学研究及各领域和行业应用涉及的从纳米到毫米粒度范围；第三部分介绍了颗粒粒度测量仪器和应用，并引入其它颗粒测量技术作为补充；第四部分为作者多年来收集的大量物质的折射率和其它物性参数，以及国际和国内有关颗粒测量的标准等资料。
本书适合从事颗粒科学研究与应用的科研人员和工程技术人员参考，也可作为高等学校相关学科教师和研究生的教材或参考书。

蔡小舒，上海理工大学教授。从事基于光散射、超声、图像法等原理的颗粒及两相流在线测量方法及应用研究已30多年，先后主持国家重大专项，自然科学基金仪器、重点和面上项目等及其它国家项目和欧共体等国际合作项目。任职中国颗粒学会等多个学术组织，是多个国际国内学术刊物的编委，主持出版专著多部，发表论文200多篇，获上海市自然科学奖等奖项，授权发明专利30余项。Email: usst_caixs@163.com。

苏明旭，上海理工大学教授。从事超声和光散射颗粒两相流测量方法和技术研究。先后主持自然科学基金项目、国家重大专项子课题、863项目、省部级和企业项目20多项。发表科研论文200余篇、参与制定颗粒测试国家标准3项，获授权专利20余项，两次获得上海市自然科学二等奖。现为中国工程热物理学会多相流分会委员、中国颗粒学会理事、上海市颗粒学会副理事长。

沈建琪，上海理工大学教授。1994年起从事光散射颗粒测试技术研究，师从王乃宁教授，1999年获博士学位。同年赴德国留学，师从Ulrich Riebel教授，2003年获博士学位。1996年起任中国颗粒学会理事、常务理事，颗粒测试专委会委员。获上海市曙光学者和浦江学者称号，主持完成多项科研项目，发表学术论文150多篇。

第1章 颗粒基本知识 001
1.1 概述 001
1.2 颗粒的几何特性 002
1.2.1 颗粒的形状 002
1.2.2 颗粒的比表面积 003
1.2.3 颗粒的密度 003
1.3 颗粒粒度及粒度分布 004
1.3.1 单个颗粒的粒度 004
1.3.2 颗粒群的粒径分布 006
1.3.3 颗粒群的平均粒度 011
1.4 标准颗粒和颗粒测量标准 013
1.4.1 标准颗粒 013
1.4.2 颗粒测量标准 017
1.5 颗粒测量中的样品分散与制备 017
1.5.1 颗粒分散方法 017
1.5.2 颗粒样品制备 019
1.5.3 常见测量问题讨论 020
参考文献 022

第2章 光散射理论基础 023
2.1 衍射散射基本理论 023
2.1.1 惠更斯-菲涅耳原理 023
2.1.2 巴比涅原理 025
2.1.3 衍射的分类 026
2.1.4 夫琅和费单缝衍射 026
2.1.5 夫琅和费圆孔衍射 028
2.2 光散射基本理论 030
2.2.1 光散射概述 030
2.2.2 光散射基本知识 032
2.2.3 经典Mie光散射理论 035
2.2.4 Mie散射的德拜级数展开 052
2.3 几何光学对散射的描述 056
2.3.1 概述 056
2.3.2 几何光学近似方法 057
2.4 非平面波的散射理论 064
2.4.1 广义Mie理论 064
2.4.2 波束因子的区域近似计算 069
2.4.3 高斯波束照射 070
2.4.4 角谱展开法 071
参考文献 076

第3章 散射光能颗粒测量技术 081
3.1 概述 081
3.2 基于衍射理论的激光粒度仪 084
3.2.1 衍射散射式激光粒度仪的基本原理 084
3.2.2 多元光电探测器各环的光能分布 086
3.2.3 衍射散射法的数据处理方法 089
3.3 基于Mie散射理论的激光粒度仪 093
3.3.1 基于Mie理论激光粒度仪的基本原理 093
3.3.2 粒径与光能变化关系的反常现象 096
3.4 影响激光粒度仪测量精度的几个因素 099
3.4.1 接收透镜焦距的合理选择 099
3.4.2 被测试样的浓度 100
3.4.3 被测试样轴向位置的影响 102
3.4.4 被测试样折射率的影响 104
3.4.5 光电探测器对中不良的影响 104
3.4.6 非球形颗粒的测量 106
3.4.7 仪器的检验 106
3.5 激光粒度仪测量下限的延伸 106
3.5.1 倒置傅里叶变换光学系统 108
3.5.2 双镜头技术 109
3.5.3 双光源技术 110
3.5.4 偏振光散射强度差（PIDS）技术 111
3.5.5 全方位多角度技术 112
3.5.6 激光粒度仪的测量上限 114
3.5.7 国产激光粒度仪的新发展 115
3.6 角散射颗粒测量技术 120
3.6.1 角散射式颗粒计数器的工作原理 121
3.6.2 角散射式颗粒计数器的散射光能与粒径曲线 122
3.6.3 角散射式颗粒计数器F-D曲线的讨论 124
3.6.4 角散射式颗粒计数器的测量区及其定义 128
3.6.5 角散射式颗粒计数器的计数效率 132
3.6.6 角散射式颗粒计数器的主要技术性能指标 132
3.7 彩虹测量技术 135
3.7.1 彩虹技术的原理 136
3.7.2 彩虹法液滴测量 137
3.8 干涉粒子成像技术 141
3.8.1 干涉粒子成像技术介绍 141
3.8.2 干涉粒子成像法颗粒测量 142
3.9 数字全息技术及其应用 144
3.9.1 数字全息技术介绍 144
3.9.2 数字全息技术的应用 146
参考文献 151

第4章 透射光能颗粒测量技术 158
4.1 消光法 158
4.1.1 概述 158
4.1.2 消光法测量原理 158
4.1.3 消光系数 160
4.1.4 消光法数据处理方法 163
4.1.5 消光法颗粒浓度测量 170
4.1.6 消光法粒径测量范围及影响测量精度的因素 170
4.1.7 消光法颗粒测量装置和仪器 172
4.2 光脉动法颗粒测量技术 174
4.2.1 光脉动法的基本原理 175
4.2.2 光脉动法测量颗粒粒径分布 178
4.2.3 光脉动法测量的影响因素 183
4.3 消光起伏频谱法 185
4.3.1 数学模型 185
4.3.2 测量方法和测量原理 188
4.3.3 消光起伏频谱法的发展现状 197
参考文献 198

第5章 动态光散射法纳米颗粒测量技术 202
5.1 概述 202
5.2 纳米颗粒动态光散射测量基本原理 204
5.2.1 动态光散射基本原理 204
5.2.2 动态光散射纳米颗粒粒度测量技术的基本概念和关系式 207
5.2.3 动态光散射纳米颗粒测量典型装置 211
5.2.4 数据处理方法 213
5.3 图像动态光散射测量 220
5.3.1 图像动态光散射测量方法（IDLS） 220
5.3.2 超快图像动态光散射测量方法（UIDLS） 222
5.3.3 偏振图像动态光散射法测量非球形纳米颗粒 224
5.4 纳米颗粒跟踪测量法（PTA） 229
5.5 高浓度纳米颗粒测量 231
参考文献 234

第6章 超声法颗粒测量技术 237
6.1 声和超声 237
6.1.1 声和超声的产生 237
6.1.2 超声波特征量 238
6.2 超声法颗粒测量基本概念 242
6.2.1 声衰减、声速及声阻抗测量 244
6.2.2 能量损失机理 248
6.3 超声法颗粒测量理论 250
6.3.1 ECAH 理论模型 251
6.3.2 ECAH理论模型的拓展和简化 262
6.3.3 耦合相模型 277
6.3.4 蒙特卡罗方法 283
6.4 超声法颗粒测量过程和应用 288
6.4.1 颗粒粒径及分布测量过程 288
6.4.2 在线测量 298
6.4.3 基于电声学理论的Zeta电势测量 299
6.5 超声法颗粒检测技术注意事项 300
6.6 总结 301
参考文献 301

第7章 图像法颗粒粒度测量技术 304
7.1 图像法概述 304
7.2 成像系统 305
7.2.1 光学镜头 305
7.2.2 图像传感器 308
7.2.3 照明光源 310
7.3 显微镜 311
7.4 动态颗粒图像测量 317
7.5 颗粒图像处理与分析 318
7.5.1 图像类型及转换 318
7.5.2 常用的几种图像处理方法 320
7.5.3 颗粒图像分析处理流程 323
7.5.4 颗粒粒径分析结果表示 323
7.6 图像法与光散射结合的颗粒测量技术 327
7.6.1 侧向散射成像法颗粒测量 327
7.6.2 后向散射成像法颗粒测量 330
7.6.3 多波段消光成像法颗粒测量 331
7.7 彩色颗粒图像的识别 334
7.7.1 彩色图像的色彩空间及变换 334
7.7.2 彩色颗粒图像的分割 336
7.8 总结 338
参考文献 339

第8章 反演算法 341
8.1 反演问题的积分方程离散化 341
8.2 约束算法 343
8.2.1 颗粒粒径求解的一般讨论 343
8.2.2 约束算法在光散射颗粒测量中的应用 345
8.2.3 约束算法在超声颗粒测量中的应用 354
8.3 非约束算法 362
8.3.1 非约束算法的一般讨论 362
8.3.2 Chahine算法及其改进 365
8.3.3 投影算法 367
8.3.4 松弛算法 368
8.3.5 Chahine算法和松弛算法计算实例 371
参考文献 372

第9章 电感应法（库尔特法）和沉降法颗粒测量技术 375
9.1 电感应法（库尔特法） 375
9.1.1 电感应法的基本原理 376
9.1.2 仪器的配置与使用 377
9.1.3 测量误差 380
9.1.4 小结 383
9.2 沉降法 384
9.2.1 颗粒在液体中沉降的Stokes公式 384
9.2.2 颗粒达到最终沉降速度所需的时间 386
9.2.3 临界直径及测量上限 387
9.2.4 布朗运动及测量下限 388
9.2.5 Stokes公式的其它影响因素 389
9.2.6 测量方法及仪器类型 391
9.2.7 沉降天平 394
9.2.8 光透沉降法 396
参考文献 399

第10章 工业应用及在线测量 401
10.1 喷雾液滴在线测量 401
10.1.1 激光前向散射法测量 402
10.1.2 消光起伏频谱法测量 404
10.1.3 图像法测量 405
10.1.4 彩虹法测量 406
10.1.5 其它散射法测量 408
10.2 乳浊液中液体颗粒大小的测量 410
10.3 汽轮机湿蒸汽在线测量 411
10.4 烟气轮机入口颗粒在线测量 414
10.5 烟雾在线测量探针 415
10.6 动态图像法测量快速流动颗粒 417
10.7 粉体颗粒粒度、浓度和速度在线测量 419
10.7.1 电厂气力输送煤粉粒径、浓度和速度在线测量 419
10.7.2 水泥在线测量 421
10.8 超细颗粒折射率测量 423
10.9 超声测量高浓度水煤浆 424
10.10 结晶过程颗粒超声在线测量 425
10.11 含气泡气液两相流超声测量 426
10.12 排放和环境颗粒测量 428
10.12.1 PM2.5测量 428
10.12.2 图像后向散射法无组织排放烟尘浓度遥测 430
10.12.3 图像侧向散射法餐饮油烟排放监测 432
10.13 图像动态光散射测量纳米颗粒 435
10.13.1 纳米颗粒合成制备过程原位在线测量 435
10.13.2 非球形纳米颗粒形貌拟球形度Ω测量 438
10.13.3 纳米气泡测量 439
参考文献 440

附录 443
附录1 国内外主要颗粒仪器生产厂商 443
附录2 颗粒表征国家标准和国际标准 445
附录3 国内外标准颗粒主要生产厂商 453
附录4 液体的黏度和折射率 455
附录5 固体化合物的折射率 458
附录6 分散剂类别 473

第一版序
自然界中很多物质属颗粒，例如黏土、沙子和灰尘；人类的食物也往往是颗粒，例如谷粒、豆子、盐和蔗糖；很多加工物，例如煤炭、催化剂、水泥、化肥、颜料、药物和炸药也大多属粉体或颗粒。研究和制备颗粒是一门跨学科的新兴科学技术：颗粒学。它由多门基础科学和大量相关的应用技术组成，涉及化学、物理、数学、生物、医学、材料等若干基础科学，与工艺、工程应用技术密切相关。它对能源、化工、材料、石油、电力、轻工、冶金、电子、气象、食品、医药、环境和航空等领域的发展有着非常重要的作用。颗粒学的一个重要部分是颗粒的测试。
上海理工大学自1980年起在王乃宁教授领导下进行光散射颗粒测量方法和仪器的研究，于2000年撰写了《颗粒粒径的光学测量技术及应用》。蔡小舒教授是中国颗粒学会常务理事，兼任颗粒测试专业委员会副主任。他自20世纪80年代在上海理工大学进行光散射颗粒测量方法和仪器的研究，于1999年成立了颗粒及两相流测量技术研究所，将原来的研究拓宽到了超声颗粒测量、在线颗粒测量及其它颗粒测量方法和应用研究，目前已成立了包含颗粒测量、两相流在线测量、燃烧监测诊断和环境与排放在线监测四个研究方向的研究基地，承担着国家自然科学基金、教育部、上海市等的研究项目，并与美、德、法、意大利、捷克等国建立了合作关系，又是上海颗粒学会的挂靠单位。
该书在上述背景下撰写而成，包括十章：第1章介绍颗粒的基本知识；第2～6章分别介绍光散射、散射光、透射光以及纳米颗粒和超声颗粒的测量；其它四章介绍反演算法、应用实例、与其它方法的比较和颗粒测量中须注意的问题。该书不但阐述了当代的国际测量技术及其应用，且包括了作者和他团队创新的理论分析和测试技术。
本人向从事颗粒研究、加工、应用的科技人员推荐这本专著。

中国科学院过程工程研究所研究员、名誉所长
中国科学院资深院士
中国颗粒学会名誉理事长
2010.5.25