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《天津大学》 2007年
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光谱液滴分析系统的设计研究

陈海秀  
【摘要】: 对液体的分析检测在环保、医药、食品、安检等行业都有重要的意义。随着人民生活水平的不断提高,人们对保护其生存环境的意识也日益增强,对污染的控制,对饮食、医药和工业用液的质量检测都提出了更多、更高的要求。运用先进的科学技术,研究建立实用、有效的分析方法和仪器已是势在必行。光谱液滴分析系统将光谱分析方法引入到液滴分析技术中来,对液体进行综合分析,在被测液体形成液滴的过程中,对被测液滴实施监测,从而获得有关该被测液体的物理、化学特性信息,对液体进行定性和量化识别。 光谱液滴分析系统通过融合光谱分析技术和液滴分析技术,将光纤、电容液滴分析方法与小型光谱仪结合起来,既可以得到样品液滴在不同时刻的轮廓与电学、光学信息的关系,也可以同时得到该液体在设定波段的光谱信息,经过数据融合可得到由液体物理、化学及力学等特性综合确定的三维液滴指纹图。由于光纤、电容液滴分析方法对于某些液体来说不适用,在应用上存在一定的局限性。在这种情况下,利用光谱分析方法可帮助我们获取液体的特性信息。同时,在鉴别液体的应用中,对于液滴指纹信息比较相近的液体,可借助液体的光谱信息增强对液体的识别能力。反过来,对设定波段的小型光谱仪无法区分的样品,基于液滴指纹数据可以起到鉴别功能。对于液体中指定成分的定量分析,可借用红外光谱分析中的方法实现,此时需将小型光谱仪的工作波段设定在被测液体有吸收的波长范围内。光谱液滴分析方法将光谱分析的快速便捷与液滴分析的多参数结果的优点结合起来,使液滴分析技术进入到化学成分分析的领域,拓宽了液滴分析技术的应用范围。 由于液体物理、化学特性的差异,从而不同液体在相同条件下形成液滴的轮廓形状不同,因此本文中还研究了图像液滴分析方法,不仅可以解决通过电容液滴分析方法获取液滴体积受液体介电常数影响的问题,而且更重要的意义是对液体的液滴几何轮廓特征进行分析,进一步研究利用了液体的力学特性。图像液滴分析方法可以单独使用,得到液体的液滴轮廓特征指纹图,同时也可以作为对其它液滴分析方法的一种补充。 本文的主要工作和创造性研究包括以下几个方面: 1.将光谱分析理论引入液滴分析,并通过技术融合搭建了一体化的测量仪器。选取工作波段在近红外光谱范围的小型光纤光谱仪用于系统中对液体样品的光谱分析,综合考虑仪器的实用性和结构耦合,设计了仪器的机械结构和光学结构,并对信号检测电路进行了改进设计,设计出整体结构小、便于在线分析的光谱液滴分析系统。 2.在光谱测量中引入了流动比色装置,解决了对不同液体进行光谱测量时的条件一致性问题。由于液滴在生长过程中光程不断变化,直接通过液滴测量光谱时很难保证对不同液体具有相同的光程,从而给定量分析带来困难,而且由于液滴分析的特点与结构限制,使得直接通过液滴测量液体的吸收光谱难以实现,因此在测量装置中加入了流动比色装置,运用固定光程的样品池保证了光谱测量的一致性和可行性。 3.运用光谱液滴分析系统,实现了对液体光谱信号和光纤、电容信号的同步采集,并通过数据融合,得到被测液体的三维液滴指纹图,它包含丰富的液体力学、物理、化学特性信息,从而为精确识别液体提供重要依据。 4.运用CCD摄像机实时记录液滴的生长过程,并进行液滴图像分析,实现了液滴轮廓特征参数的提取和分析。利用液滴轮廓特征参数,可对液体进行鉴别分析。 5.利用光谱液滴分析系统,对不同液体进行了实验分析,根据实验中得到的液体特征数据,建立液体样品特征数据库,实现对数据查询对照和对数据库中数据的管理操作,从而可对液体进行定性鉴别。 6.结合化学计量学方法,实现了光谱数据预处理以及建模测算的定量分析模型的建立,从而可以对液体组分进行定量分析。通过对多组分液体的建模实验,验证了方法的可行性。
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:O657.3

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【参考文献】
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