颗粒粒度测量技术及应用 第2版

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