水中悬浮颗粒的三维体散射函数测量

提出了一种水中悬浮颗粒的三维体散射函数测量方法,采用抛物面镜结合传感器探测方式,同时获取了半球空间内多个散射面所对应的体散射函数。搭建了三维体散射函数测量装置,采用粒径为57~954nm的标准聚苯乙烯颗粒作为样本,获得了方位角0°~180°对应的多个散射面内的水中颗粒体散射函数,测量的散射角范围为18°~160°。实验结果与计算结果吻合,验证了利用该装置对水体中粒径小于1μm的悬浮颗粒的体散射函数进行测量的可行性。     

基于衍射层析理论的弱散射单颗粒粒径反演方法

衍射层析理论揭示了物体的散射场分布与物体的散射势之间存在傅里叶变换关系。基于衍射层析理论,提出一种反演未知折射率的浮游植物及其它弱散射颗粒粒径的方法。利用单波长、大角度范围内的散射光分布信息,通过傅里叶变换得到颗粒散射势的二次投影函数,进而获得颗粒粒径。进行数值仿真实验,并针对不同的测量角度范围、测量角度分辨率进行比较分析,结果表明:本文所开发的粒径反演算法可以通过测量大角度散射光分布,在适度噪声存在的情况下,准确反演与入射光波长相比拟的单个弱散射球形颗粒粒径。这一方法可用于测量未知折射率的浮游植物及其它微小颗粒粒径。     

基于双波长像面数字全息显微的微通道检测

针对微流控芯片通道三维形貌的可视化测量需求,搭建了一套反射式离轴双波长像面数字全息显微测量系统。首先,利用分辨率靶和标准样片对系统的横向、纵向分辨率和放大倍数进行标定实验,结果表明双波长全息显微系统在横向宽度及纵向深度测量中具有较好的准确性和可行性。然后,利用该系统分别对由PDMS材料制成的直通道、圆形小室结构微流控芯片以及硅基底微流控芯片通道进行三维形貌检测,并得到定量结果：直通道结构深度为48.6μm,宽度为75.8μm;圆形小室微通道深度为48.5μm,宽度为76.6μm;硅基底微流控芯片测量得到通道深度为61.6μm。上述结果与白光干涉仪的测量结果具有良好的一致性,说明双波长全息显微系统具有较高的可靠性和准确性,可为微流控芯片微通道检测提供新的成像检测方法。     

水体颗粒广角度偏振体散射测量研究

针对国内尚没有大角度范围的水体颗粒偏振体散射函数测量仪的问题,基于潜望镜式光路结构与旋转偏振探测器的探测方式,建立了水体颗粒偏振体散射特性测量系统,验证了采用半衰片胶合方式的出射棱镜对大角度偏振体散射特性测量的适用性,实现了10°～170°范围内3×3水体颗粒散射穆勒矩阵的测量。对系统开展了角度、幅值及偏振标定,根据系统结构和水下传输原理进行了散射光程归一化和水下衰减矫正。实验结果表明,3μm直径聚苯乙烯标准颗粒测量结果与理论计算值吻合良好,证明了该套系统的可靠性。同时在千岛湖自然水体对该套系统进行了测试验证,获得的水体颗粒物10°～170°范围内3×3水体颗粒散射穆勒矩阵测量结果表明偏振体散射特性能够提供更丰富的颗粒特性信息。     

水体小粒径悬浮物粒度低位异面扫描光散射测量方法研究

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。     

基于图像动态光散射的二维纳米颗粒粒度测量

提出了一种基于图像动态光散射原理测量二维纳米颗粒粒度的新方法,称为平移转动-图像动态光散射(TR-IDLS)法。采用会聚的偏振高斯光束照射样品池中处于布朗运动的二维纳米粒子,分别采集纳米粒子的水平偏振散射光信号和垂直偏振散射光信号。根据两个偏振方向上散射光光强波动的时间相关函数,计算出纳米颗粒的平移和转动扩散系数的分布,进而从扩散系数中获得颗粒的长宽比、等效直径和厚度的分布。采用该方法测量了球形标准纳米颗粒和片状云母颗粒的粒径。采用电镜获得了片状云母颗粒的形状和等效直径,并与TR-IDLS方法的实验结果进行比较,验证了TR-IDLS方法的可行性。     

基于前向光散射的水体悬浮颗粒物粒度双CMOS测量技术研究

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%。     

基于偏振门的动态光散射颗粒测量法的研究

为了解决动态光散射纳米颗粒测量技术无法测量高浓度颗粒粒径的难题,提出了一种基于偏振门的动态光散射测量法。从动态光散射和Mie理论出发,理论分析了在高浓度溶液下多重散射效应对散射光偏振态和颗粒粒度测量结果的影响。根据散射光偏振特点,结合偏振门检测技术,改进了传统的动态光散射光学系统。实验研究了在低浓度和高浓度溶液时,不同偏振角度下的散射光强和粒度测量值,完善了散射光的偏振理论。采用90°偏振门检偏,通过各种浓度下的实验,证明了方法的可行性。该方法较之目前同类方法具有原理和结构简单,系统易于维护的特点。     

浑浊介质中激光侧向散射实验与仿真研究

通过对Mie散射相位函数的累积概率密度插值获得散射角,建立了激光在浑浊介质中传输的蒙特卡罗仿真模型。借助模型研究了激光在均匀单分散聚苯乙烯浑浊介质中的多次散射现象,探究了不同光学厚度和散射相位函数的浑浊介质对激光多次散射的影响。在研究中控制5μm和10μm两种粒径聚苯乙烯颗粒的浓度,改变浑浊介质的光学厚度分别为2、5和8,进行了理论仿真和实验的二维侧向散射图像比对,发现相同介质条件下仿真与实验得到的散射光强衰减百分比差异均小于16%,散射光强曲线走势基本一致。仿真还能够提供不同散射阶次光强大小的分布情况,能准确分析多次散射的影响。     

拖曳效应对低相干动态光散射测量粒径的影响

低相干动态光散射技术利用低相干干涉计的特性,有效抑制了从浓悬浮液中散射的多次散射光,从而能够检测到的单散射光信号中获取颗粒的动态信息。该技术以单散射理论为解析基础,为避免多重散射的影响,测量区域一般局限于固-液界面附近。分析了固-液界面附近壁的拖曳效应对粒径测量值的影响。利用相位调制低相干动态光散射装置,对体积分数为10%的不同粒径的标准聚苯乙烯溶液进行了检测。通过对结果考虑拖曳效应进行修正,发现不同粒径的粒子在界面附近10～30μm范围内的测量值与给定粒径值标准偏差在5%以内。表明在低相干动态光散射光程可分割测量中,考虑拖曳效应的影响,可以对固-液界面附近的测量结果通过修正并得到准确的颗粒大小信息。     

基于一阶彩虹区域高斯光散射的液滴测量

为实现雾化过程中局域内单液滴的测量,采用德拜级数展开研究了高斯光照射下球形液滴一阶彩虹区域的散射光强分布,以及高斯光束腰大小对光强分布峰值角度的影响.根据德拜级数展开计算的散射光强分布反演液滴的折射率和粒径,证明了根据高斯光的彩虹散射反演液滴信息的可行性.基于广义洛伦兹-米氏理论计算一阶彩虹区域的总光强分布,根据总光强分布反演液滴折射率和粒径,讨论了高斯光束位置对反演液滴信息的影响.对于半径在200~1 000μm区间的液滴,高斯光束位于中心入射时,反演折射率的误差小于2.38×10-4,粒径的相对误差在-3.31%~3.31%之间.与采用平行光彩虹技术相比,采用高斯光束为入射光可以得到较高的光能聚集区,较好地定义测量区大小,既可以有效避免多个液滴同时出现在测量区的情况、减小颗粒之间复散射的影响,又可以提高信号强度.     

非球形烟尘粒子后向散射场的光谱分析

在利用后向散射法测量烟尘浓度和粒径的过程中,对烟尘粒子模型的后向散射光谱特性进了计算,确定影响后向散射光谱强度的主要因素并进行分析。对实际排放的烟尘进行显微观察表明,利用椭球、圆柱和广义切比雪夫3种非球模型可以较好地模拟烟尘粒子,其等效直径约1μm。通过"T矩阵法"对这3种非球形粒子模型后向散射场的光谱特性进行了分析,结果表明:非球形粒子的可见/红外波段后向散射现象较球形粒子明显,特别是广义切比雪夫粒子的后向散射光强最高可达到前向的3.5倍;对于吸收性非球形粒子(复折射率m=1.57-0.56i),后向散射光强远大于非吸收性非球形粒子(复折射率m=1.57-0.001i);随着粒子等效半径的增大,光源波长也应随之增加。这为在实际测量时光源及方位的选择提供了理论依据。     

非球形颗粒系粒径分布的机器学习反演算法

动态光散射技术在微米与亚微米级颗粒系粒径分析领域中具有广泛应用,但缺乏非球形颗粒系粒径分布（PSD）的反演模型和算法,限制了其在生物医疗等领域中的应用。基于机器学习方法,设计了基于广义回归神经网络（GRNN）的PSD反演模型和算法,可应用于多角度动态光散射法的粒径分析场景中。以生物医疗领域中的双凹圆饼形和椭球形血红细胞作为典型的非球形颗粒物模型,通过仿真实验测试了所设计的算法。实验结果表明,与传统的正则化Tikhonov算法相比,所设计的反演算法粒径分析准确性更好且耗时更短。对多角度动态光散射法中的散射角度数量进行了仿真实验。结果表明,仅使用2个散射角度处获得的数据依然能实现非球形颗粒系粒径分布的准确反演。     

光源的偏振态对动态光散射颗粒测量结果的影响

研究了在动态光散射纳米颗粒测量中,光源的偏振态对测量结果的影响。采用了粒径为100nm、体积浓度为0.5%的标准颗粒作为样品,使He-Ne激光通过起偏器得到0°～180°方向的偏振光,测量了散射光强、偏振度和粒径测量值的变化,计算了相应的粒径均值偏差和标准差,并将这一结果与无偏振He-Ne激光入射进行了比较。结果表明,当入射光为线偏振光时,偏振方向垂直于散射面时测量效果最好;另一方面,由于颗粒系散射迭加造成的散射光偏振度降低,使线偏振光源与无偏振光源产生的散射光偏振度无明显差别,证明在测量中可以使用无偏振He-Ne激光代替。     

高散射媒质中的光程可分割动态光散射研究

为研究散射光强度随光子在散射媒质中散射光程的变化,基于单散射理论与扩散波光谱理论,采用了低相干动态光散射装置对不同粒径大小的聚苯乙烯悬浮液进行研究。将测量得到的背散射光光场强度谱的线宽与相应的理论计算结果相比较发现,在短光程区域,考虑容器壁附近拖曳效应的影响后,对于不同粒径的颗粒,光程为约5倍粒子平均自由程的区域可看成为单散射区域;对于光程大于225 m的区域可看成为扩散光波区域。实验结果表明低相干动态光散射法可实现高散射媒质从单散射区域到低次散射再到扩散区域的全光程的可分割的光场强度谱测量。     

椭圆截面非球形颗粒群的多重光散射

尽管非球形下一些特殊形状颗粒的单散射已被得到,球形多颗粒系（颗粒群）的多重散射也被研究,但至今仍未得到非球形颗粒群的多重散射.文中建立了一类椭圆截面非球形颗粒模型,求得其散射相位函数,借助于辐射传播方程,考虑形状及大小分布,得到了该类颗粒群的多重光散射.在两种特例情况下的结果能与已有的结果符合较好,说明了方法的可靠性.计算分析表明：非球形颗粒群的多重散射光强角分布要比球形颗粒平坦.椭圆截面颗粒的粒度或形状参数越大,多重散射光越集中于小的散射角;粒度分布或形状分布越宽,多重散射光强的角分布越平坦.随着光学厚 关键词： 多重光散射 颗粒 非球形 椭圆截面     

激光全散射法测量燃煤颗粒物浓度的实验研究

本研究在激光全散射法颗粒物浓度检测系统上进行了不同性质、浓度燃煤飞灰颗粒的质量浓度测量实验。结果显示,联合全散射法颗粒物浓度检测系统和反演计算方法能良好的测算标准颗粒的质量浓度,误差约为7%。对于燃煤飞灰颗粒,测算结果能反映气流中颗粒浓度的变化,然而测算值高于真实值约19.3%~27.2%。并且,对除尘器前级电场飞灰的测算偏差大于第四电场飞灰。进一步的理论计算结果表明,随颗粒粒径增大,散射光分布逐步向前向(即0°方向)集中,导致光电探测器在收集透射光的同时收集部分前向散射光,使得反演计算值大于真实值。而前级电场飞灰中含有更多的大粒径、非球形颗粒且粒径分布范围更宽,偏离了反演算法的假定条件,导致对测算偏差增大。     

基于Mie散射理论的颗粒粒度分布转换

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。     

微流控芯片流道特征超声C扫描分析

微流控芯片流道宽度处于微米尺度,存在特征辨识困难的问题。该文选取两种具有不同流道宽度和布局的典型微流控芯片,采用超声C扫描技术进行流道特征成像。利用标称中心频率15 MHz、10 MHz和5 MHz聚焦探头实施水浸C扫描检测,并分析中心频率、焦斑直径、扫描步进等关键参数对流道表征的影响。实验结果表明,对于流道宽度200μm的微流控芯片,当探头中心频率不低于10 MHz、扫描步进不超过0.1 mm时,成像分辨力和流道表征效果最佳,且流道中心间距测量误差不超过5%。同时,超声C扫描图像可以反映流道宽度变化,辨识发生堵塞的微流控芯片。     

基于MATLAB与LabVIEW的 Mie散射参数分析系统

针对激光散射法测量0.1 m~10 m微小球形颗粒过程中,Mie散射理论各参数的分析、计算、最优化选取比较复杂和繁琐,通过收敛速度、折射率和尺度参数测量范围、叠加次数的比较,采用球形粒子Mie散射参量的MATLAB改进算法, 结合MATLAB较强的计算能力和LabVIEW良好的图形化界面,进行LabVIEW和MATLAB混合编程。设计了Mie散射理论参数分析系统,系统实现散射系数的计算,并分别对散射系数与颗粒直径关系曲线、散射强度分布曲线、入射光波长与散射光强关系曲线、颗粒直径与散射光强关系曲线、入射光偏振角与散射光强关系曲线进行分析。通过实验结果和结论对比验证系统可行,且散射系数、消光系数和散射光强的计算结果可精确到小数点后17位,从而达到减少大量计算和编程工作的目的。