基于拉曼特征峰的甲醇汽油甲醇含量测定

采用拉曼光谱分析技术定量分析甲醇汽油中的甲醇含量。首先,对采集到的原始拉曼光谱进行平滑除噪、荧光背景消除、标准归一化等预处理;其次,根据甲醇含量与拉曼光谱的相关性分析找出甲醇含量的特征点;最后,建立了基于拉曼特征峰的甲醇含量一元线性回归模型。针对实验室配制的19个甲醇汽油样本的实验结果表明,该方法准确、稳健、所需训练样本少,可以应用于甲醇汽油中甲醇含量的快速测定。     

拉曼光谱技术的汽油组分含量测定

为实现汽油中所含组分含量的快速测定,对93号、97号汽油,芳烃、烯烃、苯、甲醇、乙醇等几类物质,以及往汽油中添加几类物质后的410个汽油混合物进行拉曼光谱检测。将获取的原始拉曼光谱经过有效波段提取、平滑去噪、基线扣除、数据归一化等一系列预处理过程,最终提取出每个汽油混合样品光谱中所含的33个特征峰信息,依据现行的国标检测方法,以气相色谱法测定的汽油中各组分含量值为基础,结合化学计量学多重回归分析方法,建立了汽油组分含量测定模型。经过比较,使用多输出最小二乘支持向量回归机(MLS-SVR)建立的模型优于偏最小二乘(PLS)模型。MLS-SVR模型对汽油中芳烃、烯烃、苯、甲醇、乙醇测定精度均较好,预测均方根误差(RMSEP)分别为0.27%,0.30%,0.16%, 0.17%, 0.12%;相应的相关系数(r)为0.999 2,0.998 4,0.998 5,0.992 6,0.996 8。通过对未知混合汽油样品的测定,证明了该方法具有较好的推广预测精度,预测均方根误差不超过0.5%,能够满足工业中的测量需求。拉曼光谱结合多输出最小二乘支持向量机为汽油组分测定提供了一种高精确、快捷、方便的测定方法。     

基于拉曼光谱的汽油牌号快速识别

提出了一种基于拉曼光谱的汽油牌号快速识别方法。该方法首先基于已知牌号的成品汽油样本进行建模,获取不同牌号成品汽油建模样本的拉曼谱图,经过谱图预处理后对谱图进行主成分分析(principal component analysis,简称PCA),获得载荷矩阵和得分矩阵,同时分别计算不同牌号汽油样本的平均得分向量,即不同牌号的得分中心坐标;然后对未知牌号汽油样本进行识别,先将未知牌号汽油样本拉曼谱图进行相同的谱图预处理,再计算该样品在载荷矩阵上的得分向量,根据PCA类中心最小距离法,计算该得分向量到不同牌号的得分中心坐标的欧式距离,依最小距离直接确定汽油牌号。针对45个取自国内不同炼油厂的成品汽油样本的实验结果表明这些汽油样本拉曼谱图经谱图预处理和PCA后,不同牌号汽油样本在主元得分空间上存在明显类间距,使用PCA类中心最小距离法可实现汽油牌号快速准确的分类。     

基于低分辨率色散型拉曼光谱仪的汽油苯含量快速分析

针对汽油苯含量的快速分析问题,提出了基于低分辨率色散型拉曼光谱仪的新的检测方法。由于色散型拉曼光谱中存在着严重的测量噪声和荧光背景干扰,应用多项式平滑滤波除噪声和迭代多项式拟合基线校正方法减少荧光背景的干扰。随后,分别采用岭回归、主成分回归、偏最小二乘回归方法,对炼油厂的汽油样本建立了三个苯含量的快速分析模型并对其进行验证。实验表明,基于低分辨率色散型拉曼光谱仪进行汽油苯含量分析,结合常规建模方法,重复性和再现性均满足SH/T0713—2002标准的要求,此外由于其具有低成本、小型易携带等优点,适用于日常快速分析。     

拉曼光谱定量分析乙醇含量的非线性回归方法研究

传统拉曼特征峰峰比法一般采用线性回归法建立乙醇浓度与峰峰比的线性关系从而反演乙醇浓度实现乙醇定量分析,但仅在较低浓度范围适用。针对这一问题,采用自主研制的激光拉曼乙醇含量检测系统实验研究了不同浓度乙醇溶液拉曼光谱特征峰(非对称CH₂伸缩振动2 924.0 cm-1)与本底水峰(3 350 cm-1)相对强度关系,提出适用于大范围乙醇浓度测量的非线性回归分析方法。利用邻域平均算法去除拉曼光谱突变噪声,结合多点插值处理实现光谱基线校准。基线校准及归一化处理后,可有效消除突变噪声及强荧光背景的影响。分别采用二次多项式和e指数数学模型对拉曼峰值强度比随乙醇浓度变化关系进行非线性回归并与线性回归分析进行对比。结果表明,线性拟合相关系数约为0.991,线性回归模型乙醇浓度准确测量的适用范围为15%～60%;非线性拟合相关系数高于0.997,非线性回归模型乙醇浓度精确测量的适用范围为3%～97%。非线性数学模型可为乙醇溶液浓度定量分析提供理论基础,将该数学模型应用于乙醇含量检测系统,可实时反演较为精确的乙醇浓度,从而实现大浓度范围内具有荧光背景干扰的乙醇溶液快速、实时、准确的定量分析。     

基于单片机的双燃料汽化器微机控制系统设计

汽油发动机双燃料汽化器采用乙醇和汽油分开放置的燃料储存方式,避免了乙醇汽油存在的诸多弊端,在此,设计了以AT89S52单片机为核心的双燃料汽化器的微机控制系统,该控制系统实现了双燃料汽化器的按键显示、缺液检测及报警、发动机转速测量及计算、乙醇泵堵转检测及保护、乙醇量喷射控制、液压缸液压杆限位检测及保护等功能,同时,能实时采集汽车发动机的转速信号,通过预置的软件对发动机转速进行分析,精确计算出乙醇单次喷射时间和喷射频率,从而准确控制乙醇与空气、汽油的按配比混合掺烧,提高了汽油的燃烧效率,降低了油耗,减少了有害物质的排放,达到了节能减排的目的。实际应用中,该控制系统运行稳定,抗干扰性能良好,控制准确,具有一定的实际应用价值。     

基于超声相位差法的乙醇汽油浓度测量仪的研制

提出了超声相位差法测定乙醇汽油溶液浓度的新方法,根据该方法设计并制作了超声在线测定仪.利用该仪器建立了温度在290 K时乙醇体积浓度在3％ ～24％的乙醇汽油溶液浓度与相位差之间的关系式.实验结果表明,该超声测定仪能够实时和精确地测定乙醇汽油溶液中乙醇体积浓度,该仪器为精确测量车用乙醇汽油和其他二元溶液开辟了新途径.     

一种危险液体混合物的拉曼光谱定性定量识别方法

危险液体混合物的拉曼光谱定性定量分析一直是现场应用难点,为解决该问题,分析了多种物质混合后拉曼光谱的峰位、峰值、峰型变化情况,选取拉曼光谱关键特征峰进行数学简化,构建了从混合物物质成分到混合物拉曼光谱的映射关系,该映射关系描述多种物质成分混合的混合物拉曼特征峰响应只和混合物中各成分本身拉曼特征峰响应以及各物质成分混合比例有关,各物质成分按混合比例贡献拉曼特征谱峰,共同形成最终的混合物拉曼光谱。由该映射关系求逆,可实现从采集到的混合物拉曼光谱计算出各物质成分的混合比例。基于此,设计了危险液体混合物成分定性定量识别方法,主要方法步骤包括,首先进行拉曼光谱数据采集,然后进行拉曼光谱数据处理并获得拉曼特征峰,再进行测试样品与数据谱库标准品的正反向特征峰匹配,如果正反向特征峰匹配系数都比较高,在满足一定阈值条件下,可认定测试样品是某种纯净物,如果不是纯净物,则进入混合物分析,通过拉曼光谱特征峰反向匹配系数筛选,确定混合物成分构成,混合物成分确定后再进行混合物成分比例计算,最终实现危险液体混合物定性定量分析。实验部分,选定丙酮、甲苯、三氯甲烷、乙醇及其混合物进行实验验证,当混合物样品是丙酮、乙醇两种成分按3∶7比例混合时,经拉曼光谱识别方法计算,混合成分计算值是丙酮占比0.245 7,乙醇占比0.706 0;当混合物样品是甲苯、三氯甲烷两种成分按3∶7比例混合时,经拉曼光谱识别方法计算,混合成分计算值是甲苯占比0.323 4,三氯甲烷占比0.763 0;当混合物样品是丙酮、甲苯、乙醇三种成分按4∶3∶3比例混合时,经拉曼光谱识别方法计算,混合成分计算值是丙酮占比0.795 9、甲苯占比0.303 5、乙醇占比0.287 5,实验结果表明,当危险液体混合物成分是两种或三种成分混合时,混合成分计算值基本和实际值吻合,应用危险液体混合物的拉曼光谱定性定量识别方法,可较准确的从拉曼混合光谱中解析出各混合物成分以及各成分在混合物中的比例,可以判断混合物每个拉曼特征谱峰都来自于哪个成分或哪些成分拉曼特征谱峰的混合,谱图解析结果良好,对危险液体混合物现场分析鉴别有较大应用价值。     

中红外光谱技术对乙醇汽油乙醇含量的检测

乙醇汽油是一种新型清洁燃料,燃料乙醇在乙醇汽油中的含量会影响发动机的性能。为了确保发动机的工作可靠性,需要对乙醇汽油中的乙醇含量进行快速精准检测。本文使用中红外光谱技术对采集到的乙醇汽油的光谱数据进行定量分析。首先对原始光谱数据使用多元散射校正、基线校正、一阶导数、二阶导数等预处理方法进行预处理。然后利用ELM、LSSVM、PLS对乙醇汽油中的乙醇含量建立预测模型,通过比较3种建模方法对乙醇含量的预测能力发现,PLS方法的精度比其余两种方法更高。模型决定因子R2为0.958,预测均方误差RMSEP为1.479%(V/V,体积比)。中红外光谱技术对乙醇汽油乙醇含量的快速准确检测提供了新的思路。     

Study of atmospheric water in gaseous and. liquid state by using combined elastic–Raman. depolarization lidar

A combined elastic–Raman lidar system based on a tripled Nd:YAG laser is used for the separate detection of elastic backscatter and Raman signals from atmospheric nitrogen, water vapor and liquid water and for their depolarization measurement. Vertical profiles of water-vapor and liquid-water content measured under clear-sky conditions behave differently: inside the boundary layer the ratio of liquid-water to water-vapor Raman backscatters rises with altitude. The depolarization measurements bring additional information about atmospheric scattering. The observed depolarization ratio of the water-vapor Raman signal is about 14%, while for liquid water this ratio varies in the 30–75% range, which exceeds the depolarization of bulk water and is attributed to the water-aerosol effects. Raman contours of water vapor and liquid water are partially overlapped, and bleed-through of liquid-water Raman backscatter leads to enhancement of depolarization of the water-vapor Raman signal. This parameter may be used as a convenient indicator of liquid-water interference in water-vapor measurements. Received: 12 December 2000 / Revised version: 27 September 2001 / Published online: 7 November 2001     

水溶液中硫酸根离子的拉曼光谱定量分析

拉曼光谱因其具有无损、非接触以及原位的技术优势被广泛应用于科学研究领域。但是,当前拉曼光谱主要应用于定性研究,即根据拉曼波数偏移进行物质分子的鉴别,相比之下,拉曼光谱定量分析则明显不足。因此,有必要进一步开展拉曼光谱定量方面的研究。根据拉曼光谱原理分析可知,拉曼光谱定量研究应当根据相对强度比进行,也就是在定量化过程中需要选择一个参考系,可以分为内标法和外标法。拉曼光谱定量可以根据被测分子与该参考系的拉曼强度比值进行,通过这个方法可以消除测试条件的影响。对水溶液而言,可将液态水的OH伸缩振动作为内标,进行拉曼光谱定量分析。本文研究了Na₂SO₄-H₂O,K₂SO₄-H₂O以及NaCl-Na₂SO₄-H₂O体系的拉曼光谱特征。通过将水分子的OH伸缩振动（2 750~3 900 cm-1附近）拟合为两个高斯谱峰,并以I_SO2-4/I_W为参数来确定溶液中的硫酸根离子浓度,其中I_SO2-4为硫酸根离子的特征峰强度,I_W为水的两个高斯谱峰强度之和。实验结果表明,水溶液中SO2-₄浓度与拉曼强度比I_SO2-4/I_W之间有较好的线性关系,其中,R2=0.997 73,符合定量要求。据此,本文应用拉曼光谱定量分析,建立了一种相对快速、准确测量水溶液中SO2-₄浓度的方法。     

多种拉曼光谱归一化法对乙醇定量分析的研究

通过对多种拉曼光谱归一化方法进行乙醇定量分析的探讨,提出使用选取最高浓度下乙醇谱中谱强最高点作为归一化参照的乙醇浓度定量分析方法,其线性相关系数达到0.999,检验样的平均相对误差率仅为0.067 8,组间数据的相对标准偏差为0.046 3,其有效性和准确性均优于内标法和比值法,并具有良好的抗干扰能力。同时,在结合基线校准处理后,不仅能有效消除组间数据差异,而且明显提高了乙醇定量分析的精确性。以此法用于市场白酒样品的乙醇含量检测,可快速简便获得准确的结果,其相对标准偏差小于0.012,具有良好的商业应用前景。     

Temperature measurements in reacting flows by time-resolved femtosecond coherent anti-Stokes Raman scattering (fs-CARS) spectroscopy

Time-resolved femtosecond coherent anti-Stokes Raman scattering (fs-CARS) spectroscopy of the nitrogen molecule is used for the measurement of temperature in atmospheric-pressure, near-adiabatic, hydrogen-air diffusion flames. The initial frequency-spread dephasing rate of the Raman coherence induced by the ultrafast (∼85 fs) Stokes and pump beams is used as a measure of gas-phase temperature. This initial frequency-spread dephasing rate of the Raman coherence is completely independent of collisions and depends only on the frequency spread of the Raman transitions at different temperatures. A simple theoretical model based on the assumption of impulsive excitation of Raman coherence is used to extract temperatures from time-resolved fs-CARS experimental signals. The extracted temperatures from fs-CARS signals are in excellent agreement with the theoretical temperatures calculated from an adiabatic equilibrium calculation. The estimated absolute accuracy and the precision of the measurement technique are found to be ±40 K and ±50 K, respectively, over the temperature range 1500-2500 K.     

Influence of EGR and ethanol blending on soot formation in a DISI engine

Soot formation and in-cylinder soot oxidation in an optically accessible DISI-engine is analysed for gasoline–ethanol mixtures under part load operating conditions. A volumetric extinction measurement technique was used both for the determination of the liquid fuel distribution and quantitative soot measurements. Toliso, a mixture containing isooctane and toluene (65?vol% isooctane and 35?vol% toluene) was utilised as a surrogate gasoline fuel. The EGR (EGR-exhaust gas recirculation) rate-dependence and the effect of ethanol blending (0, 20 and 40% ethanol, E0–E40) were studied at part load operation with two different injection timings. Operating point 1 (OP1) represents an early injection with piston wetting and pool fire, operating point 2 (OP2) represents a late injection timing with reduced time for mixture formation. Soot formation is more pronounced for OP1 and for E20 and E40 as compared to E0. Here the pool fire due to the fuel-dependent liquid wall film formation plays a major role in soot formation and oxidation. Late injection timing leads to increased soot formation for E20 compared to Toliso, while E40 shows lowest soot formation. Here the fuel–wall wetting is less pronounced, but mixture inhomogeneities exist, and the soot cloud covers a larger region in the cylinder. An EGR addition leads to a higher soot formation for Toliso for both operating points. The ethanol-blends show a reduction of the soot formation with EGR, which is explained by reduced combustion temperatures and the chemically bound oxygen for E20 and E40 leading to locally leaner mixtures at constant global air–fuel ratio. The study shows optimisation potentials of injection strategies for ethanol-blended gasoline in combination with EGR in DISI-engine applications.     

拉曼光谱结合偏最小二乘的甲醇汽油甲醇含量快速定量分析方法研究

甲醇汽油是一种用以替代传统汽油的新型燃料,其品质受到甲醇含量的严重影响。因此,甲醇汽油中甲醇含量的快速分析对其品质把控具有深远意义。基于拉曼光谱（Raman）结合偏最小二乘（PLS）建立了一种甲醇汽油中甲醇含量快速定量分析方法。采用激光拉曼光谱仪对49组甲醇汽油样品的Raman光谱进行采集,并进行光谱解析。比较了五种光谱预处理方法对甲醇汽油原始Raman光谱的预处理效果,并采用变量重要性投影（VIP）对小波变换（WT）预处理后的甲醇汽油Raman光谱数据进行了特征变量提取。其次,采用五折交叉验证（5-flod cross-validation (CV)）对PLS校正模型的潜变量数目（LVs）及VIP阈值进行优化。在最优输入变量和模型参数下,分别构建了基于不同输入变量的PLS模型。研究表明,相较于原始光谱-偏最小二乘模型（RAW-PLS）和小波变换-偏最小二乘模型（WT-PLS）,变量重要性投影-偏最小二乘模型（VIP-PLS）可以获得更好的分析性能,其预测集决定系数（R2_p）为0.960 4,均方根误差（RMSEP）为0.0341。因此,Raman光谱结合PLS是一种快速准确的甲醇汽油中甲醇含量分析方法。     

基于SiPM和TCMPC的时间分辨拉曼散射测量技术研究

报道了一种基于硅光电信增管(SiPM)的时间相关多光子计数(TCMPC)技术并将其应用于时间分辨拉曼散射测量。相比于常规基于光电倍增管(PMT)或单光子雪崩二极管(SPAD)的时间相关单光子(TCSPC)技术,由于SiPM可以分辨信号脉冲的具体光子数,基于SiPM的TCMPC技术消除了信号脉冲包含的光子数必须小于等于1的限制,光子计数效率提高了10倍以上,大大节省了测量时间。此外,多光子测量比单光子测量能够得到更好的时间分辨率,时间分辨拉曼散射系统的仪器响应函数(IRF)从单光子81.4 ps缩短至双光子59.7 ps,因而可以用更窄的时间门限抑制荧光本底等噪声对拉曼散射测量的影响。使用TCMPC技术测量CCl₄在0.5和1.5 p.e.两个不同光子数阈值的拉曼峰的峰本比,后者较高的光子数阈值能进一步降低SiPM暗计数噪声的影响,增加了拉曼信号测量的信噪比,测量得到的CCl₄ 459 cm-1拉曼峰的峰本比是前者的6.4倍。将所述新的拉曼散射测量技术与基于PMT和锁相放大器(LIA)的传统拉曼散射测量技术进行了比较研究,前者由于可以使用仅有数十皮秒的测量门限,可以有效抑制荧光、环境杂散光和SiPM暗计数等噪声的影响,所得光谱具有更好的峰本比,测得CCl₄的459 cm-1拉曼峰和Si的一阶拉曼峰的峰本比分别是后者的3.9倍和5.5倍。     

Quantitative analysis of ethanol–methanol–water ternary solutions using Raman spectroscopy

Raman spectroscopy was used for rapid in-situ measurement of alcohols in ethanol-methanol-water ternary systems. Mass fractions of the individual components were determined using calibration curves for binary systems of ethanol-water, methanol-water, and ethanol-methanol. Calibration curves were constructed by calculating the ratio of the Raman peak intensity of a component and that of an external standard (acetonitrile). Assuming additivity of the spectra, simultaneous equations were written, and mass fractions of ethanol, methanol, and water in the ternary solutions were determined by solving the system of equations through calculating an inverse matrix. The relative errors between the mass fractions obtained from the Raman spectra and those obtained from mass measurements were <0.6%.     

Rapid detection of gasoline by a portable Raman spectrometer and chemometrics

Identification of the gasoline purity is important for quality control and detection of gasoline adulteration. Principal component analysis and Raman spectroscopy were used to authenticate gasoline adulterated with methyl tert‐butyl ether (MTBE) and benzene. Gasoline could be clearly distinguished from gasoline adulterated with MTBE and benzene by a plot of the first principal component (x‐axis) against the second principal component (y‐axis). And the radial basis function neural network was used for quantitative prediction of the volume percentages of MTBE and benzene in gasoline based on Raman Spectra. The correlation coefficient (r) and mean absolute percentage error between predictive values and spiked values were 0.9907 and 0.9934 and 15.73 and 8.19%, respectively. Moreover, the Raman spectra of the samples were obtained with a portable Raman spectrometer. Therefore, the method is simple, effective, fast, does not require sample pre‐processing, and is promising for rapid gasoline detection. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于净信号的乙醇含量拉曼光谱分析方法研究

拉曼光谱检测技术由于其快速、无损等优点可以满足工业现场测量的要求,因此已经广泛地应用于各种定量定性的分析领域。酒精度即乙醇含量的体积比是酒类产品品质检测中的关键参数,开发乙醇含量实时、便捷的检测系统对酒类产品生产具有重要的意义。将净信号分析方法应用于乙醇水溶液拉曼光谱的定量分析中,将乙醇的净信号与其浓度建立一元线性回归模型。结果表明,基于净信号回归的乙醇拉曼光谱定量分析方法,相比较于特征峰强一元线性回归模型和偏最小二乘回归模型,不仅提高了模型的预测精度,增强了模型的稳健性,便于模型传递,而且模型算法简洁、稳定,便于实现便携式仪器的开发。     

混合溶液中CARS过程的非共振信号实验研究

相干反斯托克斯拉曼散射是一种非线性四波混频效应,但是通过探测共振信号不易进行物质成分的定量光谱分析。本文利用单频相干反斯托克斯拉曼散射光谱分析法,对不同体积比混合的乙醇溶液在远离双光子共振跃迁及其远离溶质与溶剂的特征拉曼共振态位置进行了光谱探测。通过对实验结果进行分析发现,在共振位置2 876 cm-1的信号强度随混合溶液中的乙醇的体积比增加而增加,呈二次方关系。而在远离共振态位置的非共振信号强度随混合溶液中乙醇的体积比增加而增加,且呈线性关系,进而说明了非共振信号强度随着分子数浓度N呈线性变化关系。因此,通过探测非共振信号强度与分子数浓度关系可以为混合物中特定成分的定量光谱分析提供一种研究途径。