颗粒粒度测量技术及应用

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