第二版前言：

自2010年化学工 业出版社出版《颗粒粒度测量技术及应用》一书迄今已有12年了。该书是作者从20世纪80年代到2010年二十多年在颗粒测量理论、方法、技术和应用研究的总结，反映了我国和国际上当时颗粒测量的技术水平。该书不仅成为从事颗粒测量技术研究和仪器开发的研究人员和工程技术人员的最主要参考书，也是众多涉及到颗粒制备与应用的科技人员的重要参考书。

该书出版以后的12年间，颗粒测量方法、技术和仪器有了很大发展，出现了不少新的技术和仪器，颗粒粒度涉及的面也越来越广泛。十多年前，沙尘暴曾经是环境颗粒领域被关注的重点，但PM2.5并不为人所知。近十年，大气环境污染雾霾使得PM2.5成为家喻户晓的名词，新型冠状病毒的传播更使气溶胶这样的专业词汇得到普及。纳米颗粒、生物颗粒、微泡、药物颗粒、能源颗粒等新的颗粒应用以及越来越广泛的在线测试需求促进了颗粒测试技术的快速发展。除颗粒粒度外，颗粒的形貌也成为颗粒表征的重要参数。另一方面，这十多年来，远心镜头、液体变焦镜头、各种新型激光光源和发光二极管（LED）光源等光电子技术和计算机技术等硬件技术的发展，以及金属氧化物半导体器件（CMOS）技术的发展推动了各种数字相机技术的飞速发展。大数据分析、人工智能算法等手段被引入测量数据的处理中。众多领域对颗粒测试的需求、软硬件技术的发展等诸多因素，催生了许多新的颗粒测量方法和技术手段。例如，图像测量方法不再局限于对微米级以上颗粒的成像，也应用于纳米颗粒的粒度测试，将图像测量方法与光散射等其它方法融合，形成了多种在线颗粒测量新方法。

显然，12年前撰写出版的《颗粒粒度测量技术及应用》一书已不能反映颗粒测量技术的发展，也无法满足读者的需要。在化学工业出版社的支持下和国家科学技术学术著作出版基金的资助下，作者在第一版的基础上，补充了作者团队最近12年来在光散射理论及测量、超声理论及测量、图像法测量、纳米颗粒测量、多方法融合测量、在线测量等技术及应用的研究成果。同时对第一版的部分章节结构作了调整，将原书第7章的“纳米颗粒的测量”内有关动态光散射原理的纳米颗粒测量内容并入第5章“动态光散射法纳米颗粒测量技术”，有关超声纳米颗粒测量的内容并入第6章“超声法颗粒测量技术”，第7章改成了“图像法颗粒粒度测量技术”，第10章是前面各章介绍的颗粒测量方法在实际中的一些应用实例。同时补充并更新了国际标准和国家标准的目录等内容，以使本书尽可能反映颗粒测量技术的发展现状，还改正了第一版的个别错误。再版后该书不仅可以成为从事颗粒相关研究和应用的研究人员和工程技术人员的主要参考书，也可以作为相关专业研究生的教学参考书。

第二版各章节的撰写和修订者分别是：第1章蔡小舒，第2章和第3章沈建琪、于海涛和浙江大学吴学成、吴迎春，第4章蔡小舒和沈建琪，第5章蔡小舒，第6

章苏明旭，第7章周骛，第8章沈建琪、苏明旭和于海涛，第9章蔡小舒，第10章分别是蔡小舒、周骛、苏明旭、沈建琪、于海涛、吴迎春等。全书最后由蔡小舒汇总定稿。

研究所许多老师、博士生和硕士生的工作对本书的撰写做出了很大贡献，在本书最后的统稿、资料整理以及图表制作和附录资料整理等方面得到了许多研究生的帮助，书中有关资料的获取得到了有关单位的大力支持。在此一并表示感谢。

颗粒粒度测量技术涉及面广，限于作者的水平，以及不同作者的写作风格不同等，书中仍会存在不少疏漏之处，敬请读者批评指正。

蔡小舒

于上海理工大学思雷堂

2022年10月

第一版序言：

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

第一版前言： 

颗粒（包括固体颗粒、液滴、气泡）与能源、动力、环境、机械、医药、化工、轻工、冶金、材料、食品、集成电路、气象等行业密切相关，也和人们的日常生活密切相关。据文献介绍，70%以上的工业产品与颗粒有关，近年来经常出现的沙尘暴、冬季大范围的浓雾等也都与空气中的颗粒物有关。颗粒粒径是颗粒的最重要参数，许多情况下，颗粒粒径大小不仅直接影响到产品的性能与质量，而且与能源的高效利用、环境保护、工艺过程优化等都密切相关。近年来，各种新型颗粒材料，特别是纳米颗粒的问世和应用，给颗粒粒径的测量提出了新的更高的要求。

自20世纪80年代以来，科学研究和生产实践飞速发展的需要极大促进了光散射法颗粒测量技术的飞速发展，在许多应用领域已逐步替代了原来应用其它工作原理 （如筛分、显微镜、沉降、电感应等）的颗粒测量仪器，成为占主导地位的颗粒测量方法。特别是近年来激光技术、光电技术、微电子技术、光纤技术和计算机技术等的迅速发展和应用，光散射法易于实现在线测量的突出特点更进一步推动了光散射颗粒测量方法的发展，出现了一些新的基于光散射原理的颗粒测量方法，以及与微流体芯片技术相结合等多方法融合的颗粒测量仪器。光散射法颗粒测量技术的发展趋势将会是颗粒测量仪器的微型化和智能无线网络化。

尽管光散射法颗粒测量技术有众多的优点，但它的穿透性不强限制了它在高浓度颗粒实时在线测量中的应用。超声具有很强的穿透能力，正好弥补了光散射颗粒测量技术在这方面的弱点，使得超声颗粒测量技术可以用于高浓度颗粒的测量而无需对被测对象进行稀释，这个特点尤其适合在过程中的颗粒实时在线测量。近年来国际上对超声颗粒测量方法的研究发展迅速，成为一类新的颗粒测量方法。而图像法则随数码相机技术的飞速发展，近年来重新崛起，正以崭新的面貌出现，成为颗粒粒度及形态测量的一类新方法。

作者多年从事颗粒粒度测量方面的研究和教学工作，先后得到多个国家自然科学基金重点和面上项目、863项目、上海市纳米计划项目等的支持，开展了光散射理论、基于光散射原理的多种颗粒测量方法、基于超声的多种颗粒测量方法、纳米颗粒测量方法、图像法、颗粒在线测量等方面的研究，积累了丰富的经验以及大量资料。10年前王乃宁教授及本书作者曾出版过一本有关颗粒测量的著作《颗粒粒径的光学测量技术及应用》。10年来颗粒测量技术有了很大发展，原书已不能满足当前颗粒工作者的需要。本书是在原书的基础上，调整了原书的结构，增加了近年来颗粒测量技术的新发展，如超声颗粒测量方法、消光起伏光脉动法和纳米颗粒测量技术等。旨在从理论和实践两个方面向国内

广大的工程技术人员、研究人员、实验人员以及高校师生全面系统地介绍颗粒的光散射和超声测量理论、方法和技术，并简要介绍其它一些颗粒测量方法。

全书共分十章和附录部分。第1章介绍了颗粒的基础知识以及颗粒和颗粒系粒径分布的表征方法。第2章全面系统地讨论了有关光散射颗粒粒径测量方面的基础知识，重点对夫琅和费衍射（Fraunhofer Diffraction）和米氏散射（Mie Scattering）理论作了详细的讨论。第3章和第4章分别介绍了基于散射光能测量和透射光能测量的多种颗粒测量方法，包括激光粒度仪、消光法、光脉动法和消光起伏法等颗粒测量方法。第5章是动态光散射理论及研究现状。第6章则是近年来发展的超声颗粒测量理论、方法和技术，包括超声散射的基础理论、超声衰减谱法、超声速度谱法等。纳米颗粒的测量已成为当前颗粒测量的一个重要方面，近年来有许多发展。第7章则详细介绍了纳米颗粒粒度的测量方法，包括动态光散射法、可视法纳米颗粒测量方法、超声纳米颗粒测量方法等。反演算法是光散射和超声散射颗粒测量方法中都涉及到的很重要的理论问题，本书第8章专门讨论了这个问题。在线颗粒测量在生产过程中有极重要的作用，第9章专门介绍了作者近年来开展在线颗粒测量应用研究的一些例子，供广大读者参考。第10章则介绍了其它一些传统测量方法，以及基于图像处理的颗粒测量方法。

颗粒测量中涉及到颗粒的折射率、标准颗粒、颗粒的物性参数等，而这些资料很难获得。为方便读者，作者将多年来收集的这些资料作为附录放在本书的最后，并收集了国内外主要颗粒测量仪器和标准颗粒生产厂商的信息也作为书的附录，供读者参考。

本书各章节的撰写者分别是：第1章1.1～1.4—蔡小舒，1.5—黄春燕；第2章2.1，2.2—沈建琪，2.3，2.4—徐峰；第3章—沈建琪；第4章4.1—蔡小舒，4.2，4.3—沈建琪；第5章—沈嘉琪；第6章—苏明旭；第7章7.1，7.4—苏明旭，7.2—沈嘉琪，7.3—蔡小舒；第8章8.1—苏明旭和徐峰，8.2—沈建琪；第9章—蔡小舒，其中9.1.2—沈建琪；第10章10.1，10.2，10.4—王乃宁，10.3—苏明旭。全书由蔡小舒汇总定稿。

研究所许多老师、博士生和硕士生的工作对本书的撰写起了很大作用和贡献，在本书最后的统稿和资料整理以及书中图表和附录资料的整理等得到了研究所包括王文华老师，马力、吴健、董学金、于彬、王华睿、张晶晶、成林虎、景伟、龚智方、刘海龙等许多研究生的帮助，一些资料的获得得到了有关单位的大力支持。在此一并表示感谢。

由于颗粒粒度测量技术涉及面广，限于作者的水平以及不同作者的写作风格不同等，书中定会存在不少疏漏之处，敬请读者批评指正。

蔡小舒

于上海理工大学动力馆

2010.5.1

目  录

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