一、30年前的我国颗粒测试工作概况

要了解30年来我国颗粒测试工作的进展，就必须先了解之前的工作状况，在1983年6月初，在成都召开的“全国粒度和孔径测试会议”上，会议论文集中用简单的表格^【1】形式进列举了当时从事颗粒测试工作的单位和仪器，如表1所示。

表1  我国颗粒测试仪器研究和开发一览表

此后，还有一些科研单位、大学、企业开始研制激光粒度仪等新的颗粒测试方法，如天津大学、山东建材学院、上海机械学院、丹东仪表所等进行激光粒度测试技术的研究，北京航空学院进行全息照相技术研究，国营540厂进行微孔筛研究以及测量气溶胶的电迁移率仪等。

二、30余年来我国粒度测试工作的进展

（一）激光粒度仪

基于静态光散射原理的激光粒度仪是目前应用最广的一类粒度仪，特别是90年代以来。

1987年或以后，一些高校和研究院开始陆续推出激光粒度仪，如天津大学、山东建材学院、四川轻工业研究院、丹东仪表所、上海机械学院、华南师范大学等，并先后分离出多家按商业化模式运作的专业公司，如现有的国内四大品牌公司：BT（丹东百特）、Ls（珠海欧美克）、Winner（济南微纳）、JL（成都精新），目前在国内市场已占据约80%的份额。尤其是丹东百特、珠海欧美克都建成了自己科研、生产基地，不过前几年欧美克已转让给外国公司了。

通过近十几年的自主创新，国产激光粒度仪的仪器结构有了很多重要突破。如丹东百特公司的双镜头技术已经获得了发明专利。该专利的创新之处是样品池两边对称放置两个富氏镜头，在镜头后安装光电探测器阵列，这样就可实现前向小角、侧向大角和后向散射光的聚焦，其中一盒镜头还对入射光起到准直的作用。双镜头技术扩大了探测角度，提高了激光粒度仪的分辨率和准确性；又如，济南微纳提出的带有透镜的样品窗口，不仅解决了大角度散射光的聚焦问题，也突破了全反射对大角散射光的限制。

在理论研究与反演计算上，各单位也有很多建树。如反演算法，微纳起步是比较早的，几乎与国外公司同步。天津大学^【2,3】、上海理工大学^【4】也都有很好工作。华南师范大学^【5】提出了一种全新的用动、静态光散射技术相结合的方法，实现了测量亚微米颗粒折射率，这些成果都具有开创意义。

二分法告诫我们，在看到成绩的同时，也要看到差距。特别是和国外的优秀同行比，中国颗粒测试企业和颗粒测试仪器还有如下差距：1产业品牌的影响力不够；2对某些特定样品，测试还不到位；3企业的理论水平和研究能力有待提高；4未建立起全球性营销网络。

（二）光阻法颗粒计数器

近20年发展迅速，这得力于医药、油品等的测量需要。目前国内大的生产企业几乎都集中在天津：天津天河医疗仪器有限公司、天津大学天发科技有限公司、天津罗根科技有限公司等。

（三）光子相关谱仪

多年来我国学者对此技术进行了广泛深入的研究，但利用该技术生产纳米粒度仪的研发工作一直未获突破。主要是关键部件即数字相关器一直靠国外进口，直到2008年济南微纳^【6】和2009年华南师范大学^【7】该相关器开发才有了突破。

本仪器的技术特点如下：

1.由于采用专业级光电信增管（PMT）探测器，对光子信号有极高的灵敏度和信噪比，从而保证了测试结果的准确性。

2.相关器有极高的分辨能力和信号处理速度，测试范围可达1-3500nm。

3.超强的运算功能，数据处理速度可达125M。

4.稳定的光路系统，保证了测试的稳定性。

   光子先关光谱仪是纳米材料粒度测试常用的技术之一，今后的发展方向有以下几点：

1.      数字相关器性能还有提高空间，如通道数、互关技术、通道分配技术等。

2.      发展多角度互相关技术，以提高抗干扰能力。

3.      开发高浓度的动态光散射谱仪。

（四）动态图像分析仪

自80年代中期推出静态图像仪，以后许多公司都有产品出售。由于静态图像仪取样的颗粒数有限，影响统计的代表性，以及存在颗粒取向误差。上世纪末国外开始推出动态图像仪，如荷兰安米德、英国马尔文、法国西拉斯、德国莱驰等。我国上海理工大学、天津国家海洋研究中心也有多人从事这方面的技术研究并取得了很多成果。2007年济南微纳^【8】、2008年百特^【9】推出了商品化的动态图像颗粒分析仪产品。

比起静态法，动态法的优点非常明显。但也存在一定问题：运动颗粒图像易出现拖尾现象，要求高曝光速度，图像处理要求高速分析系统。目前动态法还无法满足在线测量，原因是实际生产线中颗粒往往是干法分散且高速运行。

（五）开发中的其它粒度仪

1.光透过率脉动法和脉动频谱法

由于该技术测量装置简单、价廉等优点，已被很多行业应用于各种颗粒聚团和絮凝过程的监测中，如造纸、细菌絮凝、废水处理等。

该技术的颗粒测量下限仅为数微米，粒度分布的分辨率也比较低，这些有待进一步开发。

2.超声谱仪

高浓度微细颗粒的在线表征，在很多工业部门均有需求，光散射方法已很难适应。超声波具有很强的穿透介质的能力，加上频带宽、装置便宜等优点，超声谱法有很好的开发前景。

上海理工大学开发的Lu-100超声浆料浓度、粒度测量仪，目前已在化工、医药、食品、粉末冶金、矿业、建材、泥沙等行业中应用^{【10,11,12】}。

三、30余年来其它颗粒测试工作的进展

（一）颗粒度有证标准物质

粒度仪出厂前要刻度，批量生产时要进行定型检定，在日常检测、使用中要进行校准，刻度、检定、校准都是量值溯源的方式。检定是定期的，校准需日常进行。

有证标准物质（CRM）研制涉及到材质（稳定性要好）、定值水准（即量值溯源）、单分散性（粒度分布的变异系数越小越好，一级CRM要求分散度低于3%）、球形度（≥95%合格）等指标。目前美国NIST和我国一级CRM皆可达到要求，材质皆为聚苯乙烯微球粒。其它材质如花粉和孢子粉、金属和矿物微粒、烟尘等皆不符合上述要求。

我国生产CRM的单位有：中国计量院、北京海岸鸿蒙标准物质技术有限公司、核工业北京化工冶金研究院、中国石油大学（北京）、中科院理化所。

（二）粒度仪量值溯源和量值比对

粒度仪用户遍及各个行业，其测量值的可靠与否直接关系到科研成果、产品质量、计量仲裁的结果评价，自1993年组织第一次量值比对使用玻璃微球以后，于2005年6月-2006年6月、2008年5月-2009年5月和2012年5月-2013年5月又组织了三次全国粒度仪量值比对活动，几次活动都由粒度测试专委会联合中国计量院共同举办的，最后一次活动还得到国家认可委参与，参加比对的粒度仪，微米级/亚微米级/纳米级都有，对颗粒计数器不但比对粒度值还比对数量浓度值，考核内容包括仪器的主要技术性能指标：准确度、重复性、分辨力，和采用稳健统计，考核各实验室的检测能力。

第一活动次参加的有18家实验室的25台各类粒度仪，包括激光粒度仪、图像分析仪、光阻式颗粒计数器、电阻式颗粒计数器（库尔特仪）、飞行时间粒度仪。其中激光粒度仪最多，有15台，18家中有9家是从事粒度仪生产的国企和外商。

第二次活动把比对的粒度仪分成三类：第一类为小于0.1µm的亚微米/超微尺寸测量范围的粒度仪，有15家单位参加，包括6种牌号的光子相关谱仪；第二类为激光粒度仪，有22家单位参加，有9种牌号；第三类为光阻式和电阻式颗粒计数器，有19家单位参加，共计11种牌号。

第三次活动有50家实验室参加，来自17个省、市、自治区，见下表2。

表2

粒度仪分为4类：微米级粒度仪、纳米级粒度仪、水中颗粒测量仪和油中颗粒测量仪。第一、二类检测项目为D_平均和D₅₀，用以评价准确度、分辨力；第三类检测项目为≥5µm及≥12µm的颗粒数量浓度，用以评价准确度。并检测≥8µm、≥10µm、≥12µm颗粒数量浓度，用以评价分辨力；第四类检测项目为颗粒数量浓度，用以评价准确度、重复性、分辨力。

三次活动结果，各类粒度仪全部合格，但不同牌号的粒度仪，技术性能上还是有一定差别。

第2次和第3次活动比对结果还说明，激光粒度仪测量亚微米颗粒是比较精确的（与光子相关谱仪比），相反测量纳米级颗粒，光子相关谱结果更好，激光粒度仪结果就差一些，激光粒度仪准确的下限应是0.05µm，而不是各生产商所说的0.01µm或0.02µm。

（三）自动吸附仪

表1说明动态吸附仪、自动吸附仪在70年代初和80年代中，国内就可制作，并有产品。但由于国产硬件（针阀、传感器）不是太过关，这些产品质量上都存在一些问题。比起国外产品销售一直不太好。

2004年后开始形成中国特色的动态吸附仪，先后成立了北京精微高博科技有限公司、北京彼奥德电子技术有限公司、北京金埃谱科技有限公司、贝士德仪器科技（北京）有限公司等。2007年后，一些公司先后又推出静态容量法的自动吸附仪，2010年后又发展了可兼顾微孔分析的自动吸附仪，一些关键硬件直接由国外进口。目前国产仪器的市场占有率已与国外产品相当，形成半壁江山。但应该说，国产仪器大多在中低端市场居多，高端市场还是国外产品居多，说明质量上还应更上一层楼。

（四）颗粒测试方法标准化工作

我国颗粒测试方法标准化工作主要归口到全国筛网筛分和颗粒分检方法标准化技术委员会、全国微束分析标准化委员会以及2005年批准成立的全国纳米技术标准化委员会。

全国筛网筛分和颗粒分检标委会是在原筛网筛分标委会基础上组建的，最近几年颗粒测试专委会人员才参加进去，但主管人员还是原班人马，因此我国颗粒测试方法标准化工作主要还是停留在ISO/TC24标准的翻译工作，自主制定的标准比较少（除了现有的X光小角散射方法），如最近几年发布的30多项颗粒测试方法的标准，情况还是如此。详细情况可查索国家标准化网站：http：//www.sac.gov.cn，这里不一一举例。

我国在纳米标准（包括纳米检测方法标准）起步还算早，并已引起西方国家的关注。

四、问题和展望

30余年在历史长河中只是短暂的一刹那，但对人的一生却是不短的年份，人生有几个30年？

对于微米/亚微米颗粒的粒度测量实验室，国产的激光粒度仪已是主流仪器，这已是不争的事实。但就技术水平而言，应该承认，国产仪器在亚微米范围和宽分布样品测试上，和世界先进水平相比，还有一定差距。

动态光散射仪器的生产，我国还处于初级阶段，国外产品已有20余年历史，差距更大。

在在线测量方面，超声谱法国外10多年前就有商品面市，而我国尚无国产仪器，仅有试验线；目前可喜的是我国已将光脉动法在线测量技术投入工业化应用。

我们曾对纳米颗粒的粒度分析方法做过调查（见表3），在14种方法中，电泳光散射、电声谱国内无人研究；毛细管流动色谱、场流分级虽然国内无人研究，但国外也无仪器推出；测量气溶胶粒度的电迁移、扩散电池方法，国内虽有人70年代就研究过（如北京卫生所），但一直无国产仪器推出。

表3  纳米颗粒的粒度分析方法一览表

总之，近些年我国颗粒测试工作已取得较大进步，但原创性工作不多，仅有光透过率脉动法，粒度仪量值比对，分散度<2%的CRM研制等工作。在我国已经成为世界经济大国的今天，这是非常不够的。因此，我们希望，本学科应在原创性研究上更上一层楼，有更多的整机开发或整个方法由国人推出发明的情况出现。

参考文献

1.      胡荣泽，我国颗粒测试现状，全国粒度和孔径测试会议论文集，成都，1983.5.30-6.2。

2.      Yongjie Wei et al, Noise effect in an improved Conjugate gradient algorithm to invert particle size distribution and the algorithm amendment, Appl.opt.,2009,48(10):1779-1783.

3.      Baozen Ge et al, Solution of the particle size distribution with improved Neuton algorithm, Optical Engineering 2005,44(5):58003-1-5.

4.      Jianqi Shen et al, Smoothness-constrained projection method for particle analysis based on forward light scattering, App1.Opt., Vol.47,No.11(2008),P1718-1728.

5.      岳成风等，一种动静态光散射颗粒折射率测量方法，光子学报，37,2009-2013，（2008）。

6.      软件著作权：数字相关器计算软件，济南微纳颗粒技术有限公司，登记号：2009SR03625，登记日期：2008-10-30.

7.      韩鹏，曹建新，向君，双温度法改进动态光散射仪测量精度研究，中国粉体技术，2009,15（1）：1-3.

8.      济南微纳颗粒技术有限公司“动态图像分析仪”，科学技术成果鉴定证书2007.11.17，济科鉴定【2007】第118号。

9.      丹东百特网页。

10.  苏明旭等，超声谱方法测量亚微米乳浊液的粒径，声学技术，2008,27（5）：154-155.

11.  薛明华等，超声法测量高浓度水煤浆若干问题研究，工程热物理学报，2007,28（s1）:1309-1315.

12.  薛明华等，宽频超声衰减法测量河流泥沙粒径分布，中国粉体技术，2009,15（1）：4-7.