基于CMOS探测器的静态光散射法能够实现水体悬浮颗粒物粒度分布的快速检测, 受探测器工作特性和面幅大小的限制, 前向光散射的CMOS粒度测量范围和精度难以提高。提出了颗粒前向光散射的双CMOS测量技术, 重点研究双CMOS散射信号拼接测量方法, 设计消除背景干扰的CMOS探测器分环方式, 实现宽粒径范围颗粒粒度的准确测量。实验结果表明: 基于CMOS探测器的颗粒粒度测量上限提高到了1000μm, 1000μm、500μm标样的D50测量相对误差分别为0.7%、0.1%, 大粒径颗粒粒度测量准确度高; 同时双CMOS探测的方式将单CMOS的粒度测量下限由5μm提高到了2μm, 5μm、2μm标样D50相对误差分别由单CMOS的15.0%、51.1%下降至双CMOS的1.4%、2.6%。

静态散射光蕴含颗粒尺寸的特征信息, 因此静态光散射法是快速测量水体悬浮物粒度的有效手段。然而由于颗粒侧向和后向散射光微弱, 不易探测; 前向散射受艾里斑影响, 存在测量盲区, 导致静态光散射法的小颗粒粒度测量精度不足。提出水体小粒径悬浮物粒度低位异面扫描光散射测量方法, 以光电倍增管为探测器, 采用多角度连续扫描方式探测颗粒的光散射信息: 通过缩短探测器到样品池距离, 提高相同角分辨率下的散射光强度, 提升侧向和后向散射光探测灵敏度; 将探测器偏离激发光轴, 避开艾里斑盲区, 在不改变前角小角度测量精度条件下, 实现前向大角度散射光探测。在此基础上, 结合米散射模型, 实现小粒径悬浮物粒度测量。不同粒度样品实验表明, 方法能准确测量350nm至2μm范围内颗粒的粒度, 2μm、1.5μm、500nm和350nm标物D50的测量相对误差均不超过5.61%, 均低于标物不确定度的相对误差, 且优于实验室内激光粒度仪的测量结果。

静态光散射法能够实现水体悬浮颗粒物粒度分布的快速检测，但测量精度易受背景干扰。传统的样品散射光减背景光方法无法有效消除背景干扰。提出了基于散射光基线的背景干扰消除方法，在样品散射光减去背景干扰的基础上，拟合出散射光强分布基线，进一步消除背景的干扰。120 μm及9.86 μm标准粒径样品的测量结果表明，相较于传统方法，120 μm样品的D₁₀、D₅₀以及D₉₀的测量相对误差分别由56.9%、17.2%、8.1%下降到0.4%、0.8%、2.8%；9.86 μm样品的D₁₀、D₅₀以及D₉₀的测量相对误差分别由17.2%、10.0%、0.1%变到11.6%、3.4%、0.1%。表明基线法能够大幅提升背景干扰的去除效果，提高颗粒物粒度测量的准确性。

提出一种基于颗粒散射光强正交分布差的颗粒尺寸和折射率同时测量方法。该方法利用颗粒散射光的垂直/平行分量和预设折射率,通过改进的Chahine算法反演得到粒径分布。根据所得粒径分布,计算得到平行/垂直分量,并与测量的平行/垂直分量比对,计算其拟合残差。遍历可能的折射率,使拟合残差趋于无穷小时,所对应的折射率即为颗粒的折射率,对应的粒度分布即为样品粒度分布。对聚丙乙烯标准颗粒、碳化硅及石墨样品进行测量,测量结果显示:对无吸收颗粒,折射率测量准确,吸收性颗粒虚部测量准确,使用所得到折射率测量值可得到准确的粒度分布。

使用动态光散射法可以获得颗粒的光强加权平均粒径, 以及光强加权颗粒粒度分布。为获得数量或体积加权颗粒粒度分布, 提出从光强分布到数量分布转换的直接比值法。该方法首先依据Mie散射理论求解不同粒径颗粒的散射光强, 然后将光强分布与对应颗粒的散射光强进行比对, 获得颗粒的数量分布, 进而得到颗粒的体积分布。使用动态光散射法测量得到聚苯乙烯乳胶球混合样品的光强分布, 利用直接比值法将光强分布转换为数量分布和体积分布, 并与扫描电子显微镜测量的数量分布进行了对比, 实验数据表明采用直接比值法能够获得准确的数量分布。

以梯度折射率聚合物光纤为例,利用非均匀柱粒子的洛伦茨米氏(Lorenz-Mie)理论和德拜(Debye)级数研究了非均匀柱粒子的一阶、二阶彩虹强度分布特点。针对不同阶次彩虹间存在相干现象这一特点,提出了低通、带通滤波和逆快速傅里叶变换(IFFT)方法,将各阶彩虹从相互干涉的强度分布中分离重建出来,并且与Debye级数模拟的结果进行了比较,吻合得很好[讨论了分层柱粒子的双重一阶彩虹现象,利用Lorenz-Mie理论和Debye级数模拟了双重一阶彩虹的强度分布。

为了有效地将激光粒度仪所获得的光能分布反演为颗粒粒度分布,提出了一种无模式综合反演算法,即二阶段迭代算法。该算法综合采用了改进的共轭梯度法和松弛迭代法的优点,使用共轭梯度法做第一步预迭代,利用其快速收敛性和解的平滑性得到第二步迭代的初始解;然后,使用正则化方法对原问题进行修正处理以得到具有较好稳定性的正则化方程;最后,采用改进的松弛迭代法把第一步预迭代的解作为初始解对改进后的正则化方程进行行迭代求解。对算法进行了分块操作,并对所有模块如共轭迭代法、正则化法、松弛迭代法进行分析,指出各模块的可行性与必要性,同时进行各模块参数的独立和综合的最优化选择。相比于单独地使用以上某一种方法,该综合方法能同时改进解的稳定性和准确性,对单峰和多峰分布的国家标准样品及具备噪声的模拟信息测试也取得了较好的分辨精度。

激光粒度测量中,当样品到透镜的轴向距离较大时,由于透镜口径有限,会因渐晕而降低测量的精度和准确度。针对这种问题,应用灰色系统理论事先检验数据,来判断渐晕点位置,然后通过建模对渐晕点后的衍射光能信号进行灰预测,从而修正渐晕的影响。通过对距透镜不同位置处的粒子板进行测量,用灰色系统建模和无模式算法处理数据验证了该方法的有效性。这种方法可以提高距离镜头较远或覆盖范围较大的样品的测量准确度和精度。

对实际微粒体系的自拍与外差混合的光子相关谱(PCS)进行了理论分析与模拟计算,结果表明用纯自拍或纯外差算法反演自拍与外差混合的PCS时得到的微粒粒径相对误差可达100%。提出了一种从混合PCS反演微粒粒径的方法。搭建了一套能够产生混合PCS的模拟实验装置。用其分别对含有标称粒径为60nm和200nm的标准聚苯乙烯乳胶球微粒体系进行了测量。实验结果表明,用本文提出的方法反演混合PCS得到的微粒粒径与标称值的相对误差均在5%以内。