随着中国能源高效化、清洁化、安全化发展进程的推进,煤炭燃烧产生的颗粒物、SOx、NOx等大气污染物的排放问题受到持续关注。颗粒物排放监测作为固定污染源颗粒物排放控制中至关重要的一环,其相关测量技术的精度亟需提高,以满足超低浓度颗粒物的排放监测需求。消光法作为应用最为广泛的颗粒物排放在线监测技术之一,具有非侵入式、响应迅速及结构简单等优势。然而,传统消光系统的灵敏度受其有效光程长度的严重限制,不适用于低浓度颗粒物;其次,颗粒群消光特性与其粒径分布、形貌及成分的关联对基于消光法测量颗粒浓度的影响仍不明确,阻碍了相关应对方法的发展;最后,粒径漂移会在基于消光法测量颗粒浓度时引入较大的误差,而传统消光法通常基于定期与手工称重法标定的方式对其进行控制,时效性差且人工成本较高。针对这些问题,本文以提高消光法测量低浓度颗粒物的精度和适用性为中心,对传统消光系统的光学结构及相关测量方法的改进开展了系统研究。首先,为了提高传统消光系统的消光质量灵敏度,采用耦合怀特池这一特殊光学结构的改进方式来增加传统消光系统的有效光程,并基于自主设计、搭建的怀特池长光程消光系统探究了标准球形二氧化硅及电厂灰颗粒的长光程消光特性。结果表明,当颗粒浓度在0～10 mg/m~3范围内时,怀特池长光程消光系统测量的长光程消光信号对颗粒浓度变化具有较高的灵敏度,且两者之间具有可靠的线性关联;基于此线性关联,根据测量的长光程消光信号计算目标颗粒群的实时浓度,并与实验测量值进行对比。当实验测量的颗粒浓度在0～10 mg/m~3范围内变化时,消光计算浓度值与实验测量值之间的相对误差基本在±30%以内,完全满足目前我国针对固定污染源颗粒物排放连续监测系统技术的行业标准（HJ 76-2017）中提出的精度要求。其次,为了探究颗粒特性对基于上述长光程消光法测量颗粒浓度的影响,采用长光程消光系统测量了不同粒径、形貌的二氧化硅颗粒及氧化铝颗粒、实际电厂灰颗粒的长光程消光特性,并对比了不同样品气溶胶的平均消光系数与其平均粒径之间的关联;实验结果表明,二氧化硅颗粒群的平均消光系数与其质量中值粒径之间普遍存在线性关联;消光系数对粒径变化的灵敏度随颗粒形变程度的上升而增大;具有相同平均粒径和相似形变程度的二氧化硅、氧化铝和电厂灰颗粒的长光程消光特性存在一定的差异,但消光系数与平均粒径之间的线性关联普遍存在。当颗粒形貌、成分固定时,消光系数与粒径之间的线性关联稳定,粒径漂移在基于长光程消光法测量颗粒浓度中的误差主要由粒径漂移量决定;基于消光系数与粒径的关联,可通过在线测量颗粒群平均粒径预测其消光系数。再者,为了降低粒径漂移对基于长光程消光法测量颗粒浓度的影响,本文提出了一种基于颗粒群消光、前向散射信号响应特性分析实现在线测量颗粒群平均粒径与浓度的方法,消光散射耦合法,并探究了基于上述长光程消光系统分别耦合波长638 nm和520 nm光源实现上述耦合测量的可行性。针对球形二氧化硅气溶胶的实验结果表明,系统测量的波长638 nm和520 nm的光信号分别具有透射光和散射光特性;当颗粒群的粒径分布形式不变且质量中值粒径为0.7～1.1μm时,638 nm波长对应的消光质量灵敏度与520 nm波长对应的散射质量灵敏度之比,消光散射比,随粒径增大而线性增大;基于此关联反演的粒径与实验测量值之间的线性拟合度达到0.98。当平均粒径为1.02μm时,基于平均粒径0.83μm标定的消光质量经验公式计算的颗粒浓度相对实验值的误差在8～18%范围内;引入粒径修正后,浓度计算值的相对误差降低到±3%以内,验证了上述消光散射耦合测量对降低颗粒粒径漂移影响的有效性。最后,为了探究颗粒粒径分散度和形状对基于上述消光散射耦合法测量颗粒粒径与浓度的影响,本文基于理论计算和实验测量对比了具有不同粒径分散度、颗粒形貌的多分散颗粒群的消光散射特性。根据理论计算结果,不同粒径分散度、轴径比的椭球体颗粒群的消光系数、消光散射比均与其体积等效粒径之间存在形式稳定的函数关联;颗粒群粒径分散度增大和颗粒形变对其消光系数、消光散射比的影响主要体现为改变其对粒径变化的灵敏度、出现峰值的位置及其对应的粒径;根据实验测量的二氧化硅颗粒群的消光散射特性,粒径分散度的增大会显著降低颗粒消光散射比对粒径的响应灵敏性,降低基于消光散射耦合测量颗粒粒径的可靠性;颗粒形变导致颗粒消光系数对粒径的响应灵敏度上升,对反演粒径的精度提出了更高的要求。