第1章顆粒基本知識    001
1.1概述    001
1.2顆粒的幾何特性    002
1.2.1顆粒的形狀    002
1.2.2顆粒的比表面積    003
1.2.3顆粒的密度    003
1.3顆粒粒度及粒度分布    004
1.3.1單個顆粒的粒度    004
1.3.2顆粒群的粒徑分布    006
1.3.3顆粒群的平均粒度    011
1.4標準顆粒和顆粒測量標準    013
1.4.1標準顆粒    013
1.4.2顆粒測量標準    017
1.5顆粒測量中的樣品分散與制備    017
1.5.1顆粒分散方法    017
1.5.2顆粒樣品制備    019
1.5.3常見測量問題討論    020
參考文獻    022

第2章光散射理論基礎    023
2.1衍射散射基本理論    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衍射的分類    026
2.1.4夫瑯和費單縫衍射    026
2.1.5夫瑯和費圓孔衍射    028
2.2光散射基本理論    030
2.2.1光散射概述    030
2.2.2光散射基本知識    032
2.2.3經典Mie光散射理論    035
2.2.4Mie散射的德拜級數展開    052
2.3幾何光學對散射的描述    056
2.3.1概述    056
2.3.2幾何光學近似方法    057
2.4非平面波的散射理論    064
2.4.1廣義Mie理論    064
2.4.2波束因子的區域近似計算    069
2.4.3高斯波束照射    070
2.4.4角譜展開法    071
參考文獻    076

第3章散射光能顆粒測量技術    081
3.1概述    081
3.2基於衍射理論的激光粒度儀    084
3.2.1衍射散射式激光粒度儀的基本原理    084
3.2.光電探測器各環的光能分布    086
3.2.3衍射散射法的數據處理方法    089
3.3基於Mie散射理論的激光粒度儀    093
3.3.1基於Mie理論激光粒度儀的基本原理    093
3.3.2粒徑與光能變化關繫的反常現像    096
3.4影響激光粒度儀測量精度的幾個因素    099
3.4.1接收透鏡焦距的合理選擇    099
3.4.2被測試樣的濃度    100
3.4.3被測試樣軸向位置的影響    102
3.4.4被測試樣折射率的影響    104
3.4.5光電探測器對中不良的影響    104
3.4.6非球形顆粒的測量    106
3.4.7儀器的檢驗    106
3.5激光粒度儀測量下限的延伸    106
3.5.1倒置傅裡葉變換光學繫統    108
3.5.2雙鏡頭技術    109
3.5.3雙光源技術    110
3.5.4偏振光散射強度差（PIDS）技術    111
3.5.5全方位多角度技術    112
3.5.6激光粒度儀的測量上限    114
3.5.7國產激光粒度儀的新發展    115
3.6角散射顆粒測量技術    120
3.6.1角散射式顆粒計數器的工作原理    121
3.6.2角散射式顆粒計數器的散射光能與粒徑曲線    122
3.6.3角散射式顆粒計數器F-D曲線的討論    124
3.6.4角散射式顆粒計數器的測量區及其定義    128
3.6.5角散射式顆粒計數器的計數效率    132
3.6.6角散射式顆粒計數器的主要技術性能指標    132
3.7彩虹測量技術    135
3.7.1彩虹技術的原理    136
3.7.2彩虹法液滴測量    137
3.8干涉粒子成像技術    141
3.8.1干涉粒子成像技術介紹    141
3.8.2干涉粒子成像法顆粒測量    142
3.9數字全息技術及其應用    144
3.9.1數字全息技術介紹    144
3.9.2數字全息技術的應用    146
參考文獻    151

第4章透射光能顆粒測量技術    158
4.1消光法    158
4.1.1概述    158
4.1.2消光法測量原理    158
4.1.3消光繫數    160
4.1.4消光法數據處理方法    163
4.1.5消光法顆粒濃度測量    170
4.1.6消光法粒徑測量範圍及影響測量精度的因素    170
4.1.7消光法顆粒測量裝置和儀器    172
4.2光脈動法顆粒測量技術    174
4.2.1光脈動法的基本原理    175
4.2.2光脈動法測量顆粒粒徑分布    178
4.2.3光脈動法測量的影響因素    183
4.3消光起伏頻譜法    185
4.3.1數學模型    185
4.3.2測量方法和測量原理    188
4.3.3消光起伏頻譜法的發展現狀    197
參考文獻    198

第5章動態光散射法納米顆粒測量技術    202
5.1概述    202
5.2納米顆粒動態光散射測量基本原理    204
5.2.1動態光散射基本原理    204
5.2.2動態光散射納米顆粒粒度測量技術的基本概念和關繫式    207
5.2.3動態光散射納米顆粒測量典型裝置    211
5.2.4數據處理方法    213
5.3圖像動態光散射測量    220
5.3.1圖像動態光散射測量方法（IDLS）    220
5.3.2超快圖像動態光散射測量方法（UIDLS）    222
5.3.3偏振圖像動態光散射法測量非球形納米顆粒    224
5.4納米顆粒跟蹤測量法（PTA）    229
5.5高濃度納米顆粒測量    231
參考文獻    234

第6章超聲法顆粒測量技術    237
6.1聲和超聲    237
6.1.1聲和超聲的產生    237
6.1.2超聲波特征量    238
6.2超聲法顆粒測量基本概念    242
6.2.1聲衰減、聲速及聲阻抗測量    244
6.2.2能量損失機理    248
6.3超聲法顆粒測量理論    250
6.3.1ECAH 理論模型    251
6.3.2ECAH理論模型的拓展和簡化    262
6.3.3耦合相模型    277
6.3.4蒙特卡羅方法    283
6.4超聲法顆粒測量過程和應用    288
6.4.1顆粒粒徑及分布測量過程    288
6.4.2在線測量    298
6.4.3基於電聲學理論的Zeta電勢測量    299
6.5超聲法顆粒檢測技術注意事項    300
6.6總結    301
參考文獻    301

第7章圖像法顆粒粒度測量技術    304
7.1圖像法概述    304
7.2成像繫統    305
7.2.1光學鏡頭    305
7.2.2圖像傳感器    308
7.2.3照明光源    310
7.3顯微鏡    311
7.4動態顆粒圖像測量    317
7.5顆粒圖像處理與分析    318
7.5.1圖像類型及轉換    318
7.5.2常用的幾種圖像處理方法    320
7.5.3顆粒圖像分析處理流程    323
7.5.4顆粒粒徑分析結果表示    323
7.6圖像法與光散射結合的顆粒測量技術    327
7.6.1側向散射成像法顆粒測量    327
7.6.2後向散射成像法顆粒測量    330
7.6.3多波段消光成像法顆粒測量    331
7.7彩色顆粒圖像的識別    334
7.7.1彩色圖像的色彩空間及變換    334
7.7.2彩色顆粒圖像的分割    336
7.8總結    338
參考文獻    339

第8章反演算法    341
8.1反演問題的積分方程離散化    341
8.2約束算法    343
8.2.1顆粒粒徑求解的一般討論    343
8.2.2約束算法在光散射顆粒測量中的應用    345
8.2.3約束算法在超聲顆粒測量中的應用    354
8.3非約束算法    362
8.3.1非約束算法的一般討論    362
8.3.2Chahine算法及其改進    365
8.3.3投影算法    367
8.3.4松弛算法    368
8.3.5Chahine算法和松弛算法計算實例    371
參考文獻    372

第9章電感應法（庫爾特法）和沉降法顆粒測量技術    375
9.1電感應法（庫爾特法）    375
9.1.1電感應法的基本原理    376
9.1.2儀器的配置與使用    377
9.1.3測量誤差    380
9.1.4小結    383
9.2沉降法    384
9.2.1顆粒在液體中沉降的Stokes公式    384
9.2.2顆粒達到終沉降速度所需的時間    386
9.2.3臨界直徑及測量上限    387
9.2.4布朗運動及測量下限    388
9.2.5Stokes公式的其它影響因素    389
9.2.6測量方法及儀器類型    391
9.2.7沉降天平    394
9.2.8光透沉降法    396
參考文獻    399

第10章工業應用及在線測量    401
10.1噴霧液滴在線測量    401
10.1.1激光前向散射法測量    402
10.1.2消光起伏頻譜法測量    404
10.1.3圖像法測量    405
10.1.4彩虹法測量    406
10.1.5其它散射法測量    408
10.2乳濁液中液體顆粒大小的測量    410
10.3汽輪機濕蒸汽在線測量    411
10.4煙氣輪機入口顆粒在線測量    414
10.5煙霧在線測量探針    415
10.6動態圖像法測量快速流動顆粒    417
10.7粉體顆粒粒度、濃度和速度在線測量    419
10.7.1電廠氣力輸送煤粉粒徑、濃度和速度在線測量    419
10.7.2水泥在線測量    421
10.8超細顆粒折射率測量    423
10.9超聲測量高濃度水煤漿    424
10.10結晶過程顆粒超聲在線測量    425
10.11含氣泡氣液兩相流超聲測量    426
10.12排放和環境顆粒測量    428
10.12.1PM2.5測量    428
10.12.2圖像後向散射法無組織排放煙塵濃度遙測    430
10.12.3圖像側向散射法餐飲油煙排放監測    432
10.13圖像動態光散射測量納米顆粒    435
10.13.1納米顆粒合成制備過程原位在線測量    435
10.13.2非球形納米顆粒形貌擬球形度Ω測量    438
10.13.3納米氣泡測量    439
參考文獻    440

附錄    443
附錄1國內外主要顆粒儀器生產廠商    443
附錄2顆粒表征國家標準和國際標準    445
附錄3國內外標準顆粒主要生產廠商    453
附錄4液體的黏度和折射率    455
附錄5固體化合物的折射率    458
附錄6分散劑類別    473

前言
自2010年化學工 業出版社出版《顆粒粒度測量技術及應用》一書迄今已有12年了。該書是作者從20世紀80年代到2010年二十多年在顆粒測量理論、方法、技術和應用研究的總結，反映了我國和國際上當時顆粒測量的技術水平。該書不僅成為從事顆粒測量技術研究和儀器開發的研究人員和工程技術人員的主要參考書，也是眾多涉及到顆粒制備與應用的科技人員的重要參考書。
該書出版以後的12年間，顆粒測量方法、技術和儀器有了很大發展，出現了不少新的技術和儀器，顆粒粒度涉及的面也越來越廣泛。十多年前，沙塵暴曾經是環境顆粒領域被關注的重點，但PM2.5並不為人所知。近十年，大氣環境污染霧霾使得PM2.5成為家喻戶曉的名詞，新型冠狀病毒的傳播更使氣溶膠這樣的專業詞彙得到普及。納米顆粒、生物顆粒、微泡、藥物顆粒、能源顆粒等新的顆粒應用以及越來越廣泛的在線測試需求促進了顆粒測試技術的快速發展。除顆粒粒度外，顆粒的形貌也成為顆粒表征的重要參數。另一方面，這十多年來，遠心鏡頭、液體變焦鏡頭、各種新型激光光源和發光二極管（LED）光源等光電子技術和計算機技術等硬件技術的發展，以及金屬氧化物半導體器件（CMOS）技術的發展推動了各種數字相機技術的飛速發展。大數據分析、人工智能算法等手段被引入測量數據的處理中。眾多領域對顆粒測試的需求、軟硬件技術的發展等諸多因素，催生了許多新的顆粒測量方法和技術手段。例如，圖像測量方法不再局限於對微米級以上顆粒的成像，也應用於納米顆粒的粒度測試，將圖像測量方法與光散射等其它方法融合，形成了多種在線顆粒測量新方法。
顯然，12年前撰寫出版的《顆粒粒度測量技術及應用》一書已不能反映顆粒測量技術的發展，也無法滿足讀者的需要。在化學工業出版社的支持下和國家科學技術學術著作出版基金的資助下，作者在版的基礎上，補充了作者團隊近12年來在光散射理論及測量、超聲理論及測量、圖像法測量、納米顆粒測量、多方法融合測量、在線測量等技術及應用的研究成果。同時對版的部分章節結構作了調整，將原書第7章的“納米顆粒的測量”內有關動態光散射原理的納米顆粒測量內容並入第5章“動態光散射法納米顆粒測量技術”，有關超聲納米顆粒測量的內容並入第6章“超聲法顆粒測量技術”，第7章改成了“圖像法顆粒粒度測量技術”，第10章是前面各章介紹的顆粒測量方法在實際中的一些應用實例。同時補充並更新了國際標準和國家標準的目錄等內容，以使本書盡可能反映顆粒測量技術的發展現狀，還改正了版的個別錯誤。再版後該書不僅可以成為從事顆粒相關研究和應用的研究人員和工程技術人員的主要參考書，也可以作為相關專業研究生的教學參考書。
第二版各章節的撰寫和修訂者分別是：第1章蔡小舒，第2章和第3章瀋建琪、於海濤和浙江大學吳學成、吳迎春，第4章蔡小舒和瀋建琪，第5章蔡小舒，第6章蘇明旭，第7章周騖，第8章瀋建琪、蘇明旭和於海濤，第9章蔡小舒，第10章分別是蔡小舒、周騖、蘇明旭、瀋建琪、於海濤、吳迎春等。全書後由蔡小舒彙總定稿。
研究所許多老師、博士生和碩士生的工作對本書的撰寫做出了很大貢獻，在本書後的統稿、資料整理以及圖表制作和附錄資料整理等方面得到了許多研究生的幫助，書中有關資料的獲取得到了有關單位的大力支持。在此一並表示感謝。
顆粒粒度測量技術涉及面廣，限於作者的水平，以及不同作者的寫作風格不同等，書中仍會存在不少疏漏之處，敬請讀者批評指正。

蔡小舒
於上海理工大學思雷堂
2022年10月




版前言
顆粒（包括固體顆粒、液滴、氣泡）與能源、動力、環境、機械、醫藥、化工、輕工、冶金、材料、食品、集成電路、氣像等行業密切相關，也和人們的日常生活密切相關。據文獻介紹，70%以上的工業產品與顆粒有關，近年來經常出現的沙塵暴、鼕季大範圍的濃霧等也都與空氣中的顆粒物有關。顆粒粒徑是顆粒的重要參數，許多情況下，顆粒粒徑大小不僅直接影響到產品的性能與質量，而且與能源的高效利用、環境保護、工藝過程優化等都密切相關。近年來，各種新型顆粒材料，特別是納米顆粒的問世和應用，給顆粒粒徑的測量提出了新的更高的要求。
自20世紀80年代以來，科學研究和生產實踐飛速發展的需要極大促進了光散射法顆粒測量技術的飛速發展，在許多應用領域已逐步替代了原來應用其它工作原理 （如篩分、顯微鏡、沉降、電感應等）的顆粒測量儀器，成為占主導地位的顆粒測量方法。特別是近年來激光技術、光電技術、微電子技術、光纖技術和計算機技術等的迅速發展和應用，光散射法易於實現在線測量的突出特點更進一步推動了光散射顆粒測量方法的發展，出現了一些新的基於光散射原理的顆粒測量方法，以及與微流體芯片技術相結合等多方法融合的顆粒測量儀器。光散射法顆粒測量技術的發展趨勢將會是顆粒測量儀器的微型化和智能無線網絡化。
盡管光散射法顆粒測量技術有眾多的優點，但它的穿透性不強限制了它在高濃度顆粒實時在線測量中的應用。超聲具有很強的穿透能力，正好彌補了光散射顆粒測量技術在這方面的弱點，使得超聲顆粒測量技術可以用於高濃度顆粒的測量而無需對被測對像進行稀釋，這個特點尤其適合在過程中的顆粒實時在線測量。近年來國際上對超聲顆粒測量方法的研究發展迅速，成為一類新的顆粒測量方法。而圖像法則隨數碼相機技術的飛速發展，近年來重新崛起，正以嶄新的面貌出現，成為顆粒粒度及形態測量的一類新方法。
作者多年從事顆粒粒度測量方面的研究和教學工作，先後得到多個國家自然科學基金重點和面上項目、863項目、上海市納米計劃項目等的支持，開展了光散射理論、基於光散射原理的多種顆粒測量方法、基於超聲的多種顆粒測量方法、納米顆粒測量方法、圖像法、顆粒在線測量等方面的研究，積累了豐富的經驗以及大量資料。10年前王乃寧教授及本書作者曾出版過一本有關顆粒測量的著作《顆粒粒徑的光學測量技術及應用》。10年來顆粒測量技術有了很大發展，原書已不能滿足當前顆粒工作者的需要。本書是在原書的基礎上，調整了原書的結構，增加了近年來顆粒測量技術的新發展，如超聲顆粒測量方法、消光起伏光脈動法和納米顆粒測量技術等。旨在從理論和實踐兩個方面向國內廣大的工程技術人員、研究人員、實驗人員以及高校師生全面繫統地介紹顆粒的光散射和超聲測量理論、方法和技術，並簡要介紹其它一些顆粒測量方法。
全書共分十章和附錄部分。第1章介紹了顆粒的基礎知識以及顆粒和顆粒繫粒徑分布的表征方法。第2章全面繫統地討論了有關光散射顆粒粒徑測量方面的基礎知識，重點對夫瑯和費衍射（Fraunhofer Diffraction）和米氏散射（Mie Scattering）理論作了詳細的討論。第3章和第4章分別介紹了基於散射光能測量和透射光能測量的多種顆粒測量方法，包括激光粒度儀、消光法、光脈動法和消光起伏法等顆粒測量方法。第5章是動態光散射理論及研究現狀。第6章則是近年來發展的超聲顆粒測量理論、方法和技術，包括超聲散射的基礎理論、超聲衰減譜法、超聲速度譜法等。納米顆粒的測量已成為當前顆粒測量的一個重要方面，近年來有許多發展。第7章則詳細介紹了納米顆粒粒度的測量方法，包括動態光散射法、可視法納米顆粒測量方法、超聲納米顆粒測量方法等。反演算法是光散射和超聲散射顆粒測量方法中都涉及到的很重要的理論問題，本書第8章專門討論了這個問題。在線顆粒測量在生產過程中有極重要的作用，第9章專門介紹了作者近年來開展在線顆粒測量應用研究的一些例子，供廣大讀者參考。第10章則介紹了其它一些傳統測量方法，以及基於圖像處理的顆粒測量方法。
顆粒測量中涉及到顆粒的折射率、標準顆粒、顆粒的物性參數等，而這些資料很難獲得。為方便讀者，作者將多年來收集的這些資料作為附錄放在本書的後，並收集了國內外主要顆粒測量儀器和標準顆粒生產廠商的信息也作為書的附錄，供讀者參考。
本書各章節的撰寫者分別是：第1章1.1～1.4—蔡小舒，1.5—黃春燕；第2章2.1，2.2—瀋建琪，2.3，2.4—徐峰；第3章—瀋建琪；第4章4.1—蔡小舒，4.2，4.3—瀋建琪；第5章—瀋嘉琪；第6章—蘇明旭；第7章7.1，7.4—蘇明旭，7.2—瀋嘉琪，7.3—蔡小舒；第8章8.1—蘇明旭和徐峰，8.2—瀋建琪；第9章—蔡小舒，其中9.1.2—瀋建琪；第10章10.1，10.2，10.4—王乃寧，10.3—蘇明旭。全書由蔡小舒彙總定稿。
研究所許多老師、博士生和碩士生的工作對本書的撰寫起了很大作用和貢獻，在本書後的統稿和資料整理以及書中圖表和附錄資料的整理等得到了研究所包括王文華老師，馬力、吳健、董學金、於彬、王華睿、張晶晶、成林虎、景偉、龔智方、劉海龍等許多研究生的幫助，一些資料的獲得得到了有關單位的大力支持。在此一並表示感謝。
由於顆粒粒度測量技術涉及面廣，限於作者的水平以及不同作者的寫作風格不同等，書中定會存在不少疏漏之處，敬請讀者批評指正。

蔡小舒
於上海理工大學動力館
2010.5.1