角度加权对动态光散射信号噪声影响的抑制作用

在动态光散射技术中,光强自相关数据中信号噪声对测量结果的影响,主要取决于颗粒粒度反演算法。在多角度测量时,角度加权则成为左右噪声对测量结果影响的又一重要因素。本文在多角度动态光散射角度加权机理分析的基础上,研究了光强均值和迭代递归角度加权方法对测量信号噪声影响的抑制作用。结果表明,无信号噪声时,对于单峰小粒度分布,迭代递归方法加权对小颗粒粒度分布略有展宽;对于中、大颗粒,光强均值法进行角度加权所得的峰值误差略有增大;随着噪声的增加,迭代递归法加权所得反演结果的性能指标无显著变化,而光强均值法进行角度加权所得结果的峰值误差和分布误差均呈显著增大的趋势。306/974 nm标准双峰颗粒体系光强均值法和迭代递归法的反演峰值误差分别为0.170/0.121,0.092/0.097,迭代递归法峰值位置更准确,能够验证模拟数据的结论。迭代递归法通过各个散射角逐次反演和比较粒度分布重新计算角度权重,这种通过角度权重更新的“修正”作用,在很大程度上抵消了噪声导致的粒度分布误差,从而显现出抵御噪声影响的“去噪”性能。因此,在测量噪声较大的环境下,宜采用迭代递归方法进行多角度加权。     

动态散斑对比度颗粒测量法

提出了基于线阵CCD相机的动态散斑对比度颗粒测量方法和系统,用于解决动态光散射研究涉及的动态光散射软件相关算法运算量大、实时性较差,以及不能测量高黏度溶液中颗粒的问题。首先,从传统动态光散射理论出发,基于光学统计理论,建立了动态散斑对比度的模型。然后,根据Siegert公式,推导了动态散斑对比度与动态散射光场自相关函数的关系。最后,得到了低浓度和高浓度下动态散斑对比度与颗粒粒径的关系。分别对粒径分布为(490±20)nm的标准乳胶球颗粒水溶液和纳米二氧化钛粉体(粒径分布:450~500nm)甘油溶液进行了测量。结果表明:动态散斑对比度测量法的运算量小,且能测量高黏度溶液中的纳米颗粒,重复测量误差小于2%,满足了动态光散射的国标要求。     

Tikhonov正则化与多重网格技术相结合的动态光散射反演

针对单尺度反演方法中存在的精度偏低问题,结合Tikhonov正则化与瀑布型多重网格技术,提出了一种多尺度Tikhonov正则化(ML-TIK)动态光散射反演方法.该方法利用多重网格技术将原反演问题分解到多尺度的网格空间,按着网格从粗到细的顺序,采用单尺度Tikhonov正则化(TIK)对每个子反演问题进行求解,获取颗粒的粒度分布.分别采用TIK和ML-TIK法对噪声水平为0、0.005、0.01的200～650 nm模拟双峰分布颗粒数据进行了反演.结果表明:ML-TIK法的反演结果与理论分布吻合,平滑性更好;相对于TIK法,ML-TIK法最多可减少粒径峰值误差8.19％,粒径反演误差0.448 2;而TIK法在噪声水平为0.005、0.01时,反演结果双峰特征不明显.因此,ML-TIK方法的反演精度更高、抗干扰能力更强.最后,用60 nm与200nm实测数据的反演结果验证了该结论.     

噪声动态光散射数据Tikhonov与截断奇异值正则化反演

Tikhonov与截断奇异(TSVD)正则化是动态光散射数据反演中的两种重要方法,不同的正则化方法会对噪声DLS数据测量结果产生不同的影响。分别采用二阶差分矩阵的Tikhonov与TSVD方法,在6种噪声水平下,对宽窄不同的单峰与双峰分布颗粒进行了反演研究。结果表明:Tikhonov具有较好的光滑性;对于单峰分布颗粒,TSVD峰值误差更小、对于窄分布以及强噪声宽分布颗粒系反演,其抗噪性能更强、反演误差更小;对于双峰分布颗粒,Tikhonov具有较小的反演误差、较强的双峰分辨能力与抗噪声能力;对于窄分布颗粒的反演,一般TSVD峰值误差更小。在同样噪声情况下,Tikhonov与TSVD的双峰分辨力与颗粒的粒径峰值比有关。Tikhonov双峰分辨力较强,能够分辨出峰值比较低的颗粒。对实测200nm单峰颗粒进行反演,Tikhonov、TSVD的反演峰值误差分别为3%和1.85%,TSVD峰值位置更准确,能够验证模拟数据的结论。     

基于动态光散射信号分形的颗粒测量技术研究

颗粒的动态光散射信号具有分形特征，通过对其特征值的分析，可以得到颗粒粒径信息。采用100nm、200nm、500nm和1000nm4种亚微米粒径范围的标准聚苯乙烯乳胶颗粒样品，分别求取了它们的动态光散射信号的分形维数。实验结果表明，颗粒粒径越小，对应的动态散射光分形维数越大；粒径越大，分形维数越小。从而证明了用分形维数表征颗粒粒径的可行性。与相关方法相比，分形方法具有所需的采样数据少、计算简便、适于实时测量等特点。     

主成分分析在光全散射特征波长选择中的应用

为了能在用光全散射法测量颗粒粒径时选择对粒径影响较显著的特征波长进行测量,通过在可见及可见-红外波段内对粒径服从单峰R-R分布颗粒系的消光光谱,一阶微分以及二阶微分消光光谱进行主成分变换,提出一种特征波长选择方法。该方法首先对颗粒系的一阶微分消光光谱进行主成分变换,然后将每个波长下的一阶微分消光谱对主成分贡献率的大小作为特征波长选择的主要依据,并将光谱范围的边界波长也作为特征波长。分别对粒径服从单峰及双峰R-R分布的颗粒系进行数值仿真,并采用标准颗粒的实测数据进行验证。验证结果显示,采用基于主成分分析的波长选择方法计算方便、易于实现,得到的标准颗粒粒径反演误差均小于3%,表明采用提出的波长选择方法能够保证选出的光谱消光值具有较高的信息量。     

矩方法在粒径分布测量中的应用

在利用光全散射法测量颗粒粒度的研究中,如何正确选择并使用反演算法来对颗粒粒径分布信息进行重建是非常关键的。根据光全散射法的相关基本原理,提出了一种基于矩方法的反演算法,对多组光源下的消光值进行多项式拟合,提取系数得到对应矩阵方程的形式,从而求得粒径分布函数的各阶原点矩mk。实际上,球形颗粒粒径分布的各阶原点矩与粒径分布的许多特性相关,并且可以为球形颗粒系统的粒径分布反演提供一个尺度,这样将原有的复杂反演方法转换为求解矩阵方程。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。     

用动态光散射时间相干度法测量纳米颗粒粒径

针对传统动态光散射法测量纳米颗粒粒径算法复杂、速度慢、成本高等问题,提出了一种通过改变动态散射光信号时间相干度来测量纳米颗粒粒径的方法,并对其所采用的算法和测量系统进行研究.首先,介绍了动态光散射测量法的基本原理,并引出系统相干度的概念(包括时间相干因子和空间相干因子).接着,从光电探测器的统计特性出发,通过对光子计数...     

基于改进神经网络集成算法的软测量建模

为提高神经网络集成中成员网络的精度、增加成员网络间的差异度,提出一种改进的Bagging神经网络集成算法.通过分析初始样本集中样本间的欧式距离提取各子训练集,子训练集的元素在样本空间具有良好的遍历性和代表性;集成策略采用加权平均法,用粒子群优化算法求解成员网络的集成权重.几个典型回归分析型数据集的测试表明,本算法有效提高了训练样本质量,增强了集成泛化能力.最后将改进算法用于工业乙烯收率神经网络软测量建模,应用结果表明该软测量模型泛化性能好,测量精度高.     

滑石超细粉末颗粒群特性的定量体视学分析与测量

本文介绍了应用定量体视学图象分析方法,对滑石超细粉末进行粒径检测的原理,给出了试验结果及影响检测精度的因素。研究结果表明:应用定量体视学图象分析方法,能准确检测出超细滑石粉的平均粒径、最大粒径、最小粒径和粒度分布,且可同时给出粒度分布的直方图。与其他测量方法的测量结果相比,其测量精度高,重复性好,测量速度快。     

Methods for Digital Particle Image Sizing (DPIS): Comparisons and improvements

This paper explores the accuracy of particle image sizing using direct processing of digitally recorded images. Traditional methods for particle image sizing were considered and, four new algorithms were developed to deliver improved accuracy and robustness. Statistical error analysis was performed using Monte Carlo simulations in order to quantify the dependence of these methods on noise, discretization, and particle size distribution. The performance of these methods were compared against Phase Doppler Analyzer measurements of spray atomization.We introduce a novel two-dimensional four-point Gaussian estimator and an alternative Gaussian estimator based on a local least squares (LLS) fit. These methods were further advanced to account for pixel discretization effects using integral formulations (continuous methods). All new methods were compared against conventional pixel counting and the established three-point Gaussian estimator. The new methods significantly reduced the total error in the diameter estimation compared to the three-point Gaussian estimator and pixel counting. The least squares Gaussian estimator and its continuous version demonstrated almost identical results and superior performance for diameters over 4 pixels. For smaller diameters, the continuous four-point Gaussian estimator delivered the highest accuracy. For uniform particle size distribution between 2–14 pixels image diameter, the least squares estimators delivered error less than 5% with respect to the true diameter for 80% of the particles. The remaining methods demonstrated error of 5% (or better) for less than 60% of the particles. Validation in an experiment of high-pressure spray atomization showed that the Gaussian local least squares methods and the continuous four-point method delivered similar particle size distribution compared to PDA. The particle mean diameter estimated by the two methods differed only by 3% and 6% respectively with respect to the PDA measurements.The novel particle image sizing schemes developed here can deliver accurate, robust, and computationally efficient apparent diameter measurement, thus providing a viable, simple and inexpensive solution for performing sizing on conventional particle image velocimetry images. This capability enables simultaneous measurements of both velocity and particle size for a wide range of multi-phase flows.     

On-line measurement of particle size distribution and mass flow rate of particles in a pneumatic suspension using combined imaging and electrostatic sensors

This paper presents a novel instrumentation system that uses a combination of electrostatic and digital imaging sensors. An inferential approach is adopted for the mass flow measurement of particles, velocity and volumetric concentration of particles being measured independently. The velocity of particles is determined by cross correlating two signals derived from a pair of electrostatic sensors and the volumetric concentration of particles is obtained using a novel digital imaging sensor, which also provides particle size distribution data. The basic principles and limits of operation of the imaging sensor are discussed and explained. Results obtained from a pneumatic conveyor are presented which demonstrate good performance of the measurement system for both mass flow metering (accurate to about ±6%) and particle sizing (reliable to around ±2.5%). Particle size distribution results are also included and the insensitivity of particle sizing to changes in velocity and concentration is assessed. In addition, on-line sizing results are compared to off-line results, measured using an accepted laser diffraction based instrument, and good agreement is observed. In general, the results obtained are encouraging and the system shows great promise.     

单颗粒气溶胶质谱仪自动粒径校正方法

单颗粒气溶胶质谱仪通常采用空气动力学透镜进样,通过测量透镜出口每一个颗粒物的速度来推算颗粒物的空气动力学直径。然而,颗粒物速度受透镜前端压力的影响较大,该压力发生微小变化就会导致颗粒物粒径检测发生偏差。本研究提出一种适用于单颗粒气溶胶质谱仪的自动粒径校正方法,预先记录几组一定透镜前端压力范围内的粒径校准参数,然后根据进样压力的变化,使软件自动通过插值算法拟合相应的粒径校正方程对颗粒物粒径测量值进行校正,从而保证在指定的压力波动范围内粒径测量结果的准确性。实验结果表明,当透镜前端压力在164.92~352.45 Pa范围变化时,该方法对于152~3100 nm颗粒物的测径偏差大部分都在10 nm以内。模拟结果表明,该方法能够保证仪器在海拔8 km范围内粒径测量的准确性,可以应用到所有采用空气动力学进样及激光颗粒物粒径测量的仪器中,能够极大地增加仪器对外界环境的适应性并提高数据结果的可靠性。     

Airborne particles detection and sizing at single particle level by a novel electrical current pulse sensor

A novel method for detecting and sizing airborne particles at single particle level is presented in this paper. When a particle hits a metal electrode which is grounded, electrostatic charges will be transferred between the particle and the electrode. As a result, an electrical current pulse will be generated in the measurement system. The number of the signal pulse represents the number of particles in the sample. To determine the effect of the particle size on the magnitude of the signal, the correlation between the magnitude of the signal and the size of particle was experimentally investigated. The results show that the magnitude of the measured signal is linearly proportional to the square of particle’s diameter. Such a correlation can be used to evaluate particle size from the measured signal. The airborne particle detection method presented in this paper can be used for counting and sizing airborne particles at single particle level.     

基于ICP-MS的二氧化硅亚微米粒子特征参数分析

将电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）配合外部质谱信号采集存储装置,用于研究表征亚微米颗粒粒径和浓度参数。在模拟采集模式下,以300~2 000 nm粒径的SiO₂粒子为例,通过优化进样系统及仪器的工作参数,分析了样品提取速率和雾化气流速对单颗粒质谱信号强度的影响。在优化的实验条件下,SiO₂颗粒粒径部分检测限为233 nm,对300~900 nm粒径粒子测量的线性相关系数大于0.99,但对1 500、2 000 nm粒径粒子的检测结果出现明显偏差。论证了利用样品传输效率测量悬浮液粒子浓度的可行性,并将ICP-MS的粒径测量结果与扫描电镜法（SEM）、光子相关光谱法（PCS）的测量结果进行比较,3种方法对于粒径小于900 nm粒子的测定结果基本一致,且具有相似的测量精度。该方法分析速度快、结果准确,可用于SiO₂亚微米粒子粒径、浓度参数的测量。     

WQL粒度仪的软硬件研制

颗粒度分布是反映粉体特性的重要指标,因此,颗粒度分布测量具有重要意义。WQL粒度仪利用离心沉降法根据Stokes定律测量样品的颗粒度分布。该仪器采用电路硬件和程序软件配合控制的方法处理电机转速的调节与稳定,保证了WQL各种性能指标完全满足样品测量的范围和精度。PVC行业中颗粒特性直接影响PVC的使用性能和加工性能,WQL粒度仪在大量实验数据基础上为PVC行业开发了专用软件,受到了用户的欢迎。     

激光散射法测量非球形粒子尺寸的方法

介绍了激光散射法粒度测量的基本原理。提出了非球形粒子,如线状、柱状粒子的测量方法。通过对几种尺寸粒子的计算机分析表明,用线形、矩形衍射数迭代上述粒子,可获得与实际情况一致的结果。     

柴油发动机超细颗粒物数量检测方法研究进展

柴油机的颗粒物排放是城市大气超细颗粒物的主要来源,对环境质量和人体健康有严重的负面影响。近年来,排放法规对颗粒物排放的控制愈加严格,并对颗粒数量测量仪器的性能提出了更高的要求。总结了5种颗粒数量测量仪器的测量原理和特点,在特定测量需求和场合下对这些设备的性能进行了对比并针对下一阶段排放法规的测量需求,分析了以上测量设备的适用性。结果表明,冷凝颗粒计数器对粒径>10 nm颗粒具有更快的响应速度,能够满足未来法规中对城市RDE测试循环的需求。然而,冷凝颗粒计数器无法测量粒径分布,不适用于针对10～23 nm颗粒控制技术的研发。但发动机排气粒度仪可给出粒径低至5.6 nm颗粒的粒径分布,可为冷凝颗粒计数器的检测结果提供补充信息。