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...     

动态光散射颗粒分布软测量

考虑传统动态光散射颗粒粒度分布测量用的反演算法复杂、精度不够、抗噪能力差,本文基于大数据思想,提出了一种动态光散射颗粒分布软测量方法。该方法通过调节颗粒粒度分布形状参数获得大量自相关函数及其对应颗粒分布的数据;使用这些数据对子学习机进行训练。最后,针对训练数据维数较高的特点对传统Bagging算法进行改进,并利用改进的Bagging集成算法集成子学习机以提高软测量模型的精度及泛化能力。通过模拟单峰数据和对300nm标准粒径进行软测量开展了验证实验。结果表明,该方法能够较好地测量出不同动态光散射颗粒分布的峰值及分布宽度,模拟单峰数据测量峰值精度可达1nm,300nm和503nm,标准粒径测量精度分别可达3nm和4nm,优于一般的反演算法。该软测量方法为动态光散射颗粒分布测量开辟了新的途径。     

提高动态光散射测量系统信噪比的一种方法

通过对光电倍增管计数统计特性的分析,提出了由于光电倍增管的光电子发射是一个随机过程,在计算光子自相关函数时,就会引入一个Poisson噪声.因此,根据Wiener-Khintchine定理,将时域自相关函数转换为频域的功率谱密度,采用数字滤波的方法滤除Poisson噪声及无效直流信号,可明显提高系统的信噪比,并通过实验证实了该方法的合理性.     

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。     

用光子相关光谱法测量多分散颗粒系的颗粒粒度分布

光子相关光谱 ( Photon Correlation Spectroscopy,简称 PCS)技术是测量亚微米及纳米颗粒粒度的有效方法 ,其测量原理始基于颗粒的布朗运动。设计完成了 PCS颗粒粒度测量装置 ,并进行多分散颗粒系的粒度分布测量 ,测量结果与样品标称值相吻合     

PCS颗粒测量技术中软件相关方法的研究

数字相关是PCS颗粒测量技术中的一个关键环节，自相关函数的估计质量直接影响颗粒测量的结果。自相关函数的估计可以通过硬件或软件方法得到。在软件数字相关方法中，利用相关计算时可以得到全部的采样数据这一与硬件相关所不同的特点，能去除采样数据中的均值，并在分析偏差的基础上，采用无偏估计，可有效地提高信噪比，从而获得更好的相关估计值。     

基于FFT的动态散射光谱密度测量技术研究

为了研究动态光散射纳米颗粒测量技术,提出了基于FFT的动态散射光AR模型功率谱密度测量法。首先采用FFT建立信号的AR功率谱密度模型,然后通过计算信号自相关矩阵的秩得到AR模型的阶数P,由于任何信号的自相关与其频域的功率谱密度是一个傅里叶变换对,因此,信号功率谱密度的衰减宽度等价于其自相关函数的衰减宽度,这样通过计算动态光散射信号的功率谱密度衰减宽度,进而得到待测颗粒的粒径,最后将此方法的实验结果与传统的光子相关光谱法实验所测得的数据进行了比较。结果表明：该技术具有误差小、重复性好的优势,有着很大的实用价值。     

动态线偏振光散射纳米颗粒粒度测量法的研究与分析

多重散射是传统动态光散射法测量纳米颗粒溶液浓度上限受到限制的主要原因。为此文中提出了动态线偏振光散射纳米颗粒粒度测量法,通过改变颗粒入射光和散射光的偏振状态,降低颗粒间多重散射的影响。现利用Mie散射理论分析了入射光与散射光偏振状态之间的关系,并通过实验方法探知偏振光在散射介质中的传输特性,揭示了在动态光散射中使用垂直偏振光作为入射光的实验依据。最后对动态线偏振光散射颗粒测量法和传统光子相关光谱测量法进行了实验及分析,通过两种方法的比较,验证了上述理论的正确性。     

PCS颗粒测量技术中数字相关器的研究

介绍光子相关光谱法的基本原理，讨论了数字相关器的内部结构，最后提出一种实现数字相关器的新方法。该方法计算精度较高，系统实现灵活。满足对光子相关光谱法中相关函数计算的高精度、实时性的要求。     

PCS颗粒测量技术中数字相关器的研究

数字相关技术是纳米颗粒测量技术中的一个关键环节,自相关函数的估计质量直接影响颗粒测量结果.PCS理论较为复杂,数据运算量大,因此实现较为困难.文中介绍光子相关光谱法的基本原理,讨论数字相关器的内部结构,最后提出实现数字相关器的新方法,该方法计算精度较高,系统实现灵活,满足对光子相关光谱法中相关函数计算的高精度、实时性的要求.     

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.     

基于面阵CCD的散射式激光粒度测量方法研究

研究了基于CCD传感的激光粒度测量方法和优化。在系统设计和实验参数优化基础上,设计了CCD传感器的光环尺寸,并基于Mie散射理论,建立了理论计算模型,计算了待测颗粒的理论光能分布。对标称粒径为10.9μm和57.9μm的聚苯乙烯乳胶标准颗粒进行实验,获得颗粒散射光能分布图像,提出了一种新的光环中心确定方法,并由编写的图像处理程序分析散射光能分布。颗粒粒径的反演结果与标称尺寸比较表明,用此测量方法得到的颗粒散射光能分布与其理论分布较一致,稳定性与重复性较好。     

光全散射法颗粒粒径分布测量的改进研究

提出并实验了一种新的光纤型样品池,用于光全散射法测量颗粒粒径及其分布,该样品池的突出特点是消除了池壁散射影响以及容易实现稳定的多波长测试。在颗粒折射率处理方面,引入了洛伦兹色散关系和多波长处理方法,提高了理论的严密性、合理性和实用性。选用公称粒径分别为1.00μm和2.06μm的聚苯乙烯乳胶球标准颗粒做了验证比对实验。结果表明光纤型样品池工作稳定,数据处理显示均值偏差和重复性都小于5%,且优于常规折射率估值方法,体现了改善效果和实用价值。     

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。     

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。     

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。     

基于经典谱估计改进方法的涡街流量计

针对涡街流量计高精度、高量程比的要求,在分析涡街信号及其噪声特点的基础上,提出一种采用自适应采样频率和Welch功率谱估计相结合的涡街信号分析处理方法。该方法首先使用经典功率谱估计的FFT算法计算出信号频率的区间范围,然后将信号通过相应截止频率的低通滤波器以防止发生混叠现象,采用信号抽取的方法降低采样频率从而减小频谱的最小频率分辨率,最后采用Welch功率谱估计的方法进行谱分析提高信噪比、减少谱失真。仿真及实验结果表明:所提出的涡街信号处理方法能有效地抑制噪声,实现高精度的功率谱计算,对于提升和改进涡街流量计的性能有良好的效果。