跨微米尺度混合颗粒粒径的同步测量方法

基于多波长消光法和图像法颗粒测量原理,提出了跨微米尺度混合颗粒粒径同步测量方法,建立了亚微米-十微米尺度颗粒粒径消光光谱反演算法及十微米以上尺度颗粒粒径图像处理算法;采用分光棱镜,搭建了消光光谱与背光图像同步测量装置,利用500 nm～76.9μm粒径范围内的10种标准颗粒配成跨微米尺度混合颗粒样品并开展实验研究。结果表明:利用所提方法开展跨微米尺度混合颗粒粒径同步测量时,亚微米-十微米尺度颗粒消光光谱与十微米以上尺度颗粒背光图像的相互影响可忽略,可同步测量得到跨微米尺度混合颗粒粒径;利用消光法和图像法分别开展亚微米-十微米、十微米以上尺度颗粒粒径测量,与标准颗粒粒径相比,相对误差均小于8%,且测量重复性较好,这为跨微米尺度混合颗粒提供了一种有效的粒径测量手段。     

颗粒系的可见消光光谱分析及最佳波长的选择

在光全散射法颗粒粒径测量中,被测颗粒系的消光光谱包含有颗粒粒径、折射率等信息。对常用的单峰及双峰R-R分布的可见消光光谱进行模拟,分析了可见消光光谱随粒径和相对折射率变化的规律。选取二阶微分可见消光光谱不连续点对应的波长作为测量波长,并将可见光边界波长同时作为测量波长,在非独立模式下,采用遗传优化算法反演粒径分布。仿真计算与实验验证结果表明,通过消光光谱分析,可以预先确定被测颗粒系的分布状况,缩小优化算法中反演参数的搜索范围。结合最佳波长选择方法,使测量的精度和可靠性明显提高。对测量光谱加入1%随机噪声时,单峰及多峰分布粒径反演均能得到满意的结果。     

非独立模式算法下粒径分布反演及分类的研究

在光全散射法颗粒粒径测量中,提出一种非独立模式算法下粒径分布反演及分类的方法。对被测颗粒系分别按照不同的粒径分布函数同时进行反演,并依据反演误差大小判断被测颗粒系符合哪种分布函数。仿真实验结果表明,在非独立模式下,完全可以利用已知的不同分布函数的反演误差作为分类依据,从而更准确地确定被测颗粒系的粒径分布。采用的遗传反演算法能够在3个可见光波长下得到较准确的粒径分布,反演结果稳定可靠,最大限度地减少了多个波长的使用,从而对光源有更大的选择余地。对透射消光测量结果加入5%随机噪声时,单峰分布颗粒系的反演误差小于5%,多峰分布颗粒系的反演误差小于10%。整个算法运行时间小于2 s。该方法具有原理简单,计算速度快等优点,能够满足颗粒粒径在线测量的要求。     

用多波长消光法测量大颗粒的尺寸分布

基于Mie光散射理论,提出一种用多波长消光原理(light extinction)测量大颗粒的尺寸分布的方法.理论分析及计算机数值模拟表明,采用可见光波段的多波长消光法可将测粒上限扩展至300μm以上.文中给出了数值模拟结果和对几种大尺寸标准颗粒的实测结果.     

一种纳米颗粒粒度测量的快速图像动态光散射法研究

提出了一种新的基于图像相关处理的图像动态光散射纳米颗粒粒度测量方法。该方法采用图像法测量纳米颗粒动态光散射空间分布信号,以很短时间间隔拍摄两幅动态光散射信号空间分布图,再用二维相关算法对这两幅图像进行处理,获得对应衰减时刻的相关系数,根据相应衰减时刻的粒径-相关系数曲线求得纳米颗粒的粒度。与传统动态光散射测量方法相比,将测量时间从百秒级缩短到微秒级,数据处理时间也缩短到毫秒级。对79、482和948 nm三种不同粒径的标准颗粒进行实验,测量结果误差小于7%,可以实现纳米颗粒粒度测量的实时在线。     

悬浊液光谱透射法测量烟尘粒子的复折射率

光谱复折射率是计算烟尘粒子散射特性的重要参数。该文在光谱透射法反演烟尘粒子复折射率理论的基础上,将烟尘粒子弥散于水中形成烟尘粒子悬浊液,通过可见光分光光度计测量该悬浊液的光谱透射率,通过激光粒度仪获得烟尘粒子的粒径分布,利用悬浊液光谱透射法对烟尘粒子的复折射率进行了反演。研究结果表明,烟尘粒子在可见光波长范围内没有明显吸收带,但随着波长的增加,透过率逐渐降低。烟尘粒子复折射率的反演结果与KBr样片法的反演结果吻合较好。利用悬浊液光谱透射法测量烟尘粒子的复折射率,实验过程简单,约束条件少,并可利用红外分光光度计测量透射率后,拓展至红外波段。     

光学应用 光学环境科学应用

X830.2 2005010800 烟尘浓度和粒度的消光法测量研究=Study of measurement for concentration and granularity of dust using extinction[刊,中]／马凤斌(燕山大学电气工程学院．河北．秦皇岛(066004)),尚丽平…∥传感技术学报.-2004,17 (2)．-289-291 用多波长消光法,不仅可以测量颗粒的平均粒径．而且也可以测量颗粒的粒径分布,当采用函数限制解法时, 仅用3个波长即可求出颗粒的粒径及其粒径分布,并据此     

气固受限同轴射流颗粒弥散的实验研究

用消光法测量了气固受限同轴射流初始段的颗粒浓度分布,研究了气流速比、颗粒粒度对颗粒弥散的影响,并对颗粒的混合特性与气相的混合特性进行了比较.研究表明,当颗粒处于环形射流中时,颗粒的弥散速率高于气相的混合速率,小颗粒的弥散速率高于大颗粒的弥散速率,颗粒弥散受气流速比的影响较弱.     

可见-红外波段光全散射法颗粒粒径测量范围的研究

在光全散射法颗粒粒径测量中,采用独立模式算法在可见-红外波段对粒径测量范围进行了深入的研究。通过对多种R-R分布函数反演结果进行分析,比较,以确定光全散射法颗粒粒径测量范围。同时在消光系数计算中,采用修正的消光系数代替原始的消光系数,以便得到更准确的粒径测量范围。仿真计算结果表明,在可见-红外光谱区,相对折射率m=1.235时的粒径测量范围为0.05～18 μm。在此区域内测量粒径分布,反演结果与真值基本吻合。随着颗粒相对折射率、波长范围的变化,粒径测量范围也随之发生改变。采用限制最小二乘算法能够最大限度地克服随机噪声对测量结果的影响,使测量的精度和可靠性明显提高。对测量的消光值加入±1%随机噪声时,颗粒粒径分布的反演均能得到满意的结果。     

消光起伏自相关频谱法颗粒测量技术

消光起伏相关频谱法(TFCS)是一种新的颗粒测量方法。采用一束窄光束照射两相流系统,照射区中颗粒浓度的起伏所导致的透射光起伏信号中包含了颗粒的粒径和浓度信息,对光束的透过率信号作相关处理得到消光起伏相关频谱,可用来同时测量两相流中颗粒的粒径分布和体积浓度。由于在测量原理和结构上非常简单,这种方法可用来实现在线、实时测量。本文介绍消光起伏自相关频谱的测量原理,并给出部分实测结果。     

基于去偏振-偏振图像动态光散射的纳米棒尺度测量

二维纳米棒的布朗运动可以用平移扩散和转动扩散运动来描述.提出了一种基于去偏振-偏振图像的动态光散射(DIDLS)测量方法,通过分析纳米棒布朗运动的平移扩散和转动扩散在偏振激光入射下产生的垂直-垂直和垂直-水平偏振动态光散射信号,测量了纳米棒的尺寸和尺寸分布.研究了连续测量的偏振动态光散射信号图像间的相关系数函数,通过两次反演,计算出纳米棒的长度以及长径比,进而得到颗粒的二维尺度分布.分析了不同入射激光波长对测量结果的影响,提出自相关函数的基线值可以作为信噪比的判据.采用650,780,905 nm三种波长对直径为20 nm、长度为300 nm的纳米金棒进行了测量,得到了纳米金棒的平均尺寸和尺寸分布.     

基于Gregory理论的光脉动法颗粒在线测量中背景光强的估算

用光脉动法在线测量颗粒浓度和粒度时,必须预知原始光强,但在在线测量中原始光强不仅难以测得,而且极易受环境影响产生变化。假设在短时间间隔内原始光强不发生变化,基于Gregory的光脉动法理论,可以得到颗粒数目浓度比。结合不同时刻浓度比以及透射光信号的标准偏差和均值,可以推导出原始透射背景光强。实验结果证明,该方法得到的原始透射背景光强和预先测得的原始透射背景光强吻合得很好,最大偏差小于1.1%。     

基于PCA-BP神经网络的光谱消光法颗粒粒径反演算法研究（英文）

光谱消光法广泛应用于颗粒粒径测量领域,在利用光谱消光法对颗粒粒径进行反演的过程中,由于颗粒的消光系数存在理论复杂、计算繁琐、收敛速度慢以及求解不稳定等问题,很大程度上影响了整个反演过程的快速性和准确性。且在众多波长的消光数据中,存在较多重复冗余的信息,也很大程度上增加了反演算法的时间。针对光谱消光法粒径反演算法计算繁琐、反演效率低的问题,提出了基于主成分分析(PCA)和BP神经网络的光谱消光颗粒粒径分析方法。基于Mie散射理论对不同粒径、不同波长下的光谱消光值进行了仿真计算,通过对光谱消光数据集的主成分分析及各个波长综合载荷系数的计算,实现了最优特征波长的选取,利用降维后的光谱消光数据训练了PCA-BP神经网络模型,并利用该网络模型计算了粒径颗粒分布。通过仿真计算,比较了PCA-BP神经网络模型与传统的BP神经网络模型的预测精度,并分析了波长数目对两种神经网络模型预测结果的影响。针对训练得到的PCA-BP神经网络模型开展光谱消光法粒径参数反演算法的验证实验,搭建了光谱消光法颗粒粒径参数测量实验系统,测量了粒径范围在0.5～9.7μm内的6种不同粒径参数的聚苯乙烯标准颗粒。仿真和实验结果表明:基于主成分分析方法可确定各个波长向量之间的相关性,利用综合载荷系数选取最优特征波长对应的消光值对整体的光谱数据具有较好的代表性,可实现光谱数据的降维。相比传统的BP神经网络模型,基于PCA-BP神经网络模型的颗粒粒径分布的分析方法预测精度更高,对于较分散颗粒系的分布参数的预测有更加明显的优势。而且,被选取的波长数较少时,PCA-BP神经网络模型依然有较高的预测精度。利用训练好的PCA-BP神经网络模型对颗粒粒径参数进行实验验证,预测结果可瞬时输出,颗粒粒径分布误差在5%以内,验证了该算法的可行性。     

基于PCA-BP神经网络的光谱消光法颗粒粒径反演算法研究

光谱消光法广泛应用于颗粒粒径测量领域,在利用光谱消光法对颗粒粒径进行反演的过程中,由于颗粒的消光系数存在理论复杂、计算繁琐、收敛速度慢以及求解不稳定等问题,很大程度上影响了整个反演过程的快速性和准确性。且在众多波长的消光数据中,存在较多重复冗余的信息,也很大程度上增加了反演算法的时间。针对光谱消光法粒径反演算法计算繁琐、反演效率低的问题,提出了基于主成分分析（PCA）和BP神经网络的光谱消光颗粒粒径分析方法。基于Mie散射理论对不同粒径、不同波长下的光谱消光值进行了仿真计算,通过对光谱消光数据集的主成分分析及各个波长综合载荷系数的计算,实现了最优特征波长的选取,利用降维后的光谱消光数据训练了PCA-BP神经网络模型,并利用该网络模型计算了粒径颗粒分布。通过仿真计算,比较了PCA-BP神经网络模型与传统的BP神经网络模型的预测精度,并分析了波长数目对两种神经网络模型预测结果的影响。针对训练得到的PCA-BP神经网络模型开展光谱消光法粒径参数反演算法的验证实验,搭建了光谱消光法颗粒粒径参数测量实验系统,测量了粒径范围在0.5～9.7 μm内的6种不同粒径参数的聚苯乙烯标准颗粒。仿真和实验结果表明：基于主成分分析方法可确定各个波长向量之间的相关性,利用综合载荷系数选取最优特征波长对应的消光值对整体的光谱数据具有较好的代表性,可实现光谱数据的降维。相比传统的BP神经网络模型,基于PCA-BP神经网络模型的颗粒粒径分布的分析方法预测精度更高,对于较分散颗粒系的分布参数的预测有更加明显的优势。而且,被选取的波长数较少时,PCA-BP神经网络模型依然有较高的预测精度。利用训练好的PCA-BP神经网络模型对颗粒粒径参数进行实验验证,预测结果可瞬时输出,颗粒粒径分布误差在5%以内,验证了该算法的可行性。     

折反式激光粒度测量方法

激光粒度仪因其快速、非接触等优点被广泛应用于各领域的粒度分布测量,但颗粒散射光的角分布与粒度大小关系复杂。为了获得不同粒度下的相对精度一致,通常会造成粒度分布测量范围小、无法满足宽分布粒度测量要求等问题。根据Mie散射近似的菲涅尔原理,提出采用折反式光路,将颗粒散射信号由分光镜分成两束,经两组组合式镜头和2个光电探测器分别采集透射和反射的散射信号,信号组合后经反演得到颗粒粒度分布,从而提高了可测粒度范围。采用两种标准粒子及其混合物进行了实验,结果表明,单种标准粒子测量结果的体积中位径D50的测量相对误差都不大于7.9%;对混合粒子也能够得到正确的峰值分布。     

将噪声作为独立变量的动态光散射数据反演

在动态光散射颗粒测量时,为了从含噪的自相关函数数据中准确地反演出颗粒粒度分布,对Tikhonov正则化算法进行改进,将噪声作为一个独立的未知变量应用到正则化方程中进行粒度反演.在计算过程中,相应增加方程中各系数矩阵的行数和列数,对求解的粒度分布数值则仍取其原来方程的行数和列数,从而达到对部分噪声的剔除作用.不同噪声水平下的颗粒粒度反演结果表明,改进后的算法能够显著提高低信噪比动态光散射数据粒度反演结果的准确性,适用于宽分布较大粒径的颗粒粒度反演.     

多角度动态光散射加权贝叶斯反演算法

研究加权贝叶斯算法在多角度动态光散射法测量单峰分布颗粒体系的颗粒粒度分布中的应用.采用颗粒粒度信息分布为底数、调节参数为指数的权重系数给各个角度下的光强自相关函数曲线加入不同的权重系数，再利用传统的贝叶斯算法反演.模拟与实验结果表明，加权后的贝叶斯算法能获得分布误差更小的反演结果，有效地抑制了数据噪声的影响，提高颗粒粒度分布反演的准确性.     

将噪声作为独立变量的动态光散射数据反演（英文）

在动态光散射颗粒测量时,为了从含噪的自相关函数数据中准确地反演出颗粒粒度分布,对Tikhonov正则化算法进行改进,将噪声作为一个独立的未知变量应用到正则化方程中进行粒度反演.在计算过程中,相应增加方程中各系数矩阵的行数和列数,对求解的粒度分布数值则仍取其原来方程的行数和列数,从而达到对部分噪声的剔除作用.不同噪声水平下的颗粒粒度反演结果表明,改进后的算法能够显著提高低信噪比动态光散射数据粒度反演结果的准确性,适用于宽分布较大粒径的颗粒粒度反演.     

基于光闪烁法的油雾浓度在线检测方法研究

针对压缩机出口除油器效率性能评价,提出一种基于光闪烁法的润滑油油雾液滴浓度在线检测方法。基于颗粒系层模型和Lambert-Beer定律,以层测量体透过率作为泊松分布随机变量,推导了光闪烁法在长光程平行光束下的颗粒浓度检测模型。闪烁频率根据测量体大小、颗粒直径和颗粒速度确定,并通过影响闪烁信号的拟合方差影响检测精度。对于某型压缩机润滑油,通过光谱扫描和主成分分析法确定了在可见光波段,400 nm波长光束具有最佳的检测灵敏度和正相关性。实验结果表明,相较于光透射法,在0～50 mg·m^-3油雾浓度范围内基于光闪烁法检测标定结果误差小于10%,线性相关系数R2=0.989。     

一种动-静态光散射颗粒折射率测量法

提出一种动静态光散射颗粒折射率测量方法.该方法分为三部分,一部分是用动态光散射技术测得颗粒样品的线宽分布函数,然后将此线宽分布连同一组折射率值代入静态光散射公式推算出不同折射率值下的散射光强空间分布;第二部分是用光电探测器测出实际的散射光空间分布;第三部分是将不同折射率下的推算值与实测值做均方偏差运算以做比较,取均方偏差最小时所对应的代入折射率值作为颗粒折射率的最终测量值.此方法对样品的分散度无要求,适用于微米到亚微米级的颗粒物.