颗粒粒度测量技术及应用

章节摘录

插图：光散射是指光线通过不均匀的介质而偏离其原来的传播方向并散开到所有方向的现象。众所周知，在均匀介质中，光线将沿原有的方向传播而不发生散射现象。当光线从一个均匀介质进入另一均匀介质时，根据麦克斯韦电磁场理论，它只能沿着折射光线的方向传播，这是由于均匀介质中偶极子发出的次波具有与入射光相同的频率，并且偶极子发出的次波间有一定的位相关系，它们是相干的，在非折射光的所有方向上相互抵消，所以只发生折射而不发生散射。反射和折射规律由Snell定律描述，而反射光和折射光与入射光的强度关系则由Fresnel公式给出。如果在均匀介质中掺人一些大小为波长数量级且杂乱分布的颗粒物质，它们的折射率与周围均匀介质的折射率不同，譬如胶体溶液、悬乳液、乳状物等，原来均匀介质的光学均匀性遭到破坏，次波干涉的均匀性也受到破坏。这种含有不均匀无规则分布的颗粒物质的介质引起了光的散射，称为亭达尔散射（Tygdall，又称丁达尔散射或丁铎尔散射）。在本书以下即将讨论的光散射法测量颗粒时，均产生光的亭达尔散射。这时，散射光的强度分布及偏振规律与散射颗粒的大小、颗粒相对周围介质的折射率有关。

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。从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他工作原理(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。

书籍目录

第1章  颗粒基本知识1  1.1  概述1  1.2  颗粒的几何特性2    1.2.1  颗粒的形状2    1.2.2  颗粒的比表面积3    1.2.3  颗粒的密度3  1.3  颗粒粒度及粒度分布4    1.3.1  单个颗粒的粒度4    1.3.2  颗粒群的粒径分布6    1.3.3  颗粒群的平均粒度11  1.4  标准颗粒13  1.5  颗粒测量中的颗粒分散问题16    1.5.1  颗粒分散方法概述17    1.5.2  常见问题讨论18  参考文献19第2章  光散射基本理论21  2.1  衍射散射基本理论21    2.1.1  惠更斯菲涅耳原理21    2.1.2  巴卑涅原理23    2.1.3  衍射的分类24    2.1.4  夫琅和费单缝衍射25    2.1.5  夫琅和费圆孔衍射26  2.2  光散射基本理论28    2.2.1  光散射概述28    2.2.2  光散射基本知识29    2.2.3  经典Mie光散射理论32  2.3  几何光学对散射的描述49    2.3.1  概述49    2.3.2  计算方法49  2.4  非平面波的散射理论54    2.4.1  广义Mie理论54    2.4.2  基本理论54    2.4.3  波束因子的区域近似计算59    2.4.4  高斯波束入射60    2.4.5  数值结果61  参考文献62第3章  散射光能颗粒测量技术65  3.1  概述65  3.2  基于衍射理论的激光粒度仪67    3.2.1  衍射散射式激光粒度仪的基本原理67    3.2.2  多元光电探测器各环的光能分布69    3.2.3  衍射散射法的数据处理方法72  3.3  基于Mie散射理论的激光粒度仪76  3.4  影响激光粒度仪测量精度的几个因素79    3.4.1  接收透镜焦距的合理选择79    3.4.2  被测试样的浓度80    3.4.3  被测试样轴向位置的影响82    3.4.4  被测试样折射率的影响84    3.4.5  光电探测器对中不良的影响85    3.4.6  仪器的检验86  3.5  激光粒度仪测量下限的延伸86    3.5.1  倒置傅里叶变换光学系统88    3.5.2  双镜头技术89    3.5.3  双光源技术90    3.5.4  偏振光散射强度差(PIDS)技术90    3.5.5  全方位多角度技术91    3.5.6  国产激光粒度仪的新发展93  3.6  角散射颗粒测量技术96    3.6.1  角散射式颗粒计数器的工作原理97    3.6.2  角散射式颗粒计数器的散射光能与粒径曲线98    3.6.3  角散射式颗粒计数器FD曲线的讨论101    3.6.4  角散射式颗粒计数器的测量区及其定义104    3.6.5  角散射式颗粒计数器的计数效率108    3.6.6  角散射式颗粒计数器的主要技术性能指标109  参考文献112第4章  透射光能颗粒测量技术115  4.1  消光法115    4.1.1  概述115    4.1.2  消光法测量原理115    4.1.3  消光系数117    4.1.4  消光法的数据处理方法119    4.1.5  颗粒浓度测量126    4.1.6  消光法的粒径测量范围及影响测量精度的因素126    4.1.7  消光法颗粒测量装置和仪器128  4.2  光脉动法颗粒测量技术130    4.2.1  光脉动法的基本原理131    4.2.2  光脉动法的发展现状133  4.3  消光起伏频谱法136    4.3.1  数学模型136    4.3.2  测量方法和测量原理138    4.3.3  消光起伏频谱法的发展现状147  参考文献149第5章  动态光散射测粒技术的原理和发展概况153  5.1  引言153  5.2  动态光散射测粒技术的原理155    5.2.1  基本概念和基本关系155    5.2.2  粒度测量的一般原理和基本分析157    5.2.3  典型装置和数据分析方法160  5.3  动态光散射测粒技术的发展概况164    5.3.1  动态光散射技术的起源和初步定型164    5.3.2  动态光散射测粒技术的早期发展166    5.3.3  动态光散射测粒技术研究开发的现状和发展趋势166  参考文献167第6章  超声法颗粒测量技术171  6.1  声和超声171    6.1.1  声和超声的产生171    6.1.2  超声波特征量172  6.2  超声法颗粒测量基本概念176    6.2.1  声衰减和声速测量178    6.2.2  能量损失机理180  6.3  超声法颗粒测量理论182    6.3.1  ECAH理论模型183    6.3.2  ECAH 理论模型的拓展和简化193    6.3.3  耦合相模型202    6.3.4  颗粒测量208    6.3.5  基于电声学理论的ZETA电势测量214  6.4  小结215  参考文献215第7章  纳米颗粒的测量219  7.1  纳米颗粒测量的背景和特点219  7.2  动态光散射纳米颗粒测量220  7.3  可视法纳米颗粒测量223  7.4  超声法纳米颗粒测量225    7.4.1  超声法的特点和装置226    7.4.2  纳米颗粒检测的实例227    7.4.3  超声纳米颗粒检测中注意事项230  参考文献231第8章  反演算法233  8.1  约束算法233    8.1.1  颗粒粒径求解的一般讨论233    8.1.2  约束算法在光散射颗粒测量中应用234  8.2  非约束算法244    8.2.1  非约束算法的一般讨论244    8.2.2  Chahine算法及其改进247    8.2.3  投影算法249    8.2.4  松弛算法251    8.2.5  Chahine算法和松弛算法计算实例253  参考文献255第9章  工业应用及在线测量257  9.1  雾化液滴测量257    9.1.1  激光散射法测量258    9.1.2  特大雾化液滴粒度测量260  9.2  乳浊液中液体颗粒大小的测量261  9.3  汽轮机中湿蒸汽测量262  9.4  烟气轮机入口颗粒浓度及粒径的在线测量264  9.5  烟雾连续在线测量266  9.6  图像法测量快速流动颗粒267  9.7  电厂气力输送煤粉粒径、浓度和速度在线测量269  9.8  超细颗粒折射率测量271  9.9  超声测量高浓度水煤浆273  参考文献274第10章  其他颗粒测量方法275  10.1  电感应法275    10.1.1  电感应法的基本原理275    10.1.2  仪器的配置与使用277    10.1.3  测量误差279    10.1.4  小结283  10.2  显微镜法283    10.2.1  颗粒粒径的定义284    10.2.2  粒径测量285    10.2.3  光学显微镜与电子显微镜288    10.2.4  小结290  10.3  图像分析法291    10.3.1  颗粒图像分析的基本概念和方法291    10.3.2  颗粒图像分析过程和结果表示294    10.3.3  小结297  10.4  沉降法299    10.4.1  颗粒在液体中沉降的Stokes公式300    10.4.2  颗粒达到最终沉降速度所需的时间301    10.4.3  临界直径及测量上限302    10.4.4  布朗运动及测量下限303    10.4.5  Stokes公式的其他影响因素304    10.4.6  测量方法及仪器类型306    10.4.7  沉降天平309    10.4.8  光透沉降法312    10.4.9  离心沉降314    10.4.10  小结315参考文献316附录318  附录一  国内外主要颗粒仪器生产厂商318  附录二  国内外颗粒测量标准319  附录三  国内外标准颗粒主要生产厂商325  附录四  液体的黏度和折射率326  附录五  固体化合物的折射率329

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《颗粒粒度测量技术及应用》由国家科学技术著作出版基金资助出版。本书是该书是我国全面系统论述颗粒粒径的光散射、超声波测量原理其应用的著作，本书是“863”重大科技项目、国家自然科学基金项目等多项颗粒与两相流测量课题研究成果的结晶，是蔡小舒教授研究团队20多年对颗粒粒度测量中的光散射理论、超声波传播理论等关键问题进行研究，取得一系列创新性成果后经整理、提炼、编著而成。本书的撰写始终围绕各种颗粒粒度的测量方法、技术、仪器和应用实践。其中，又以目前应用范围最为广泛、技术最为先进的光散射颗粒粒度测量方法作为核心内容。本书的一个鲜明的特点就是将该领域的科学研究和实际应用进行了有机的结合，使得该书不仅仅作为一般工程人员的参考书，同时还适合于教学和科学研究参考之用。

作者简介

《颗粒粒度测量技术及应用》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。内容包括颗粒系统的基本知识、光散射基本理论及基于光散射原理的颗粒测量方法和技术，超声散射的基本原理和基于超声的颗粒测量方法和技术，颗粒测量应用中的一些问题等。书中还收录了颗粒的折射率及物性参数、标准颗粒等颗粒测量中涉及到的参数和资料,对于从事颗粒制备和应用研究的科技人员在进行颗粒粒度测量时具有很好的参考价值。

《颗粒粒度测量技术及应用》适合于从事颗粒材料测量、加工、制造行业的工程技术人员、研究人员、实验人员以及高校师生。

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