新疆师范大学物理与电子工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830054
贵金属纳米颗粒具有局域表面等离子体共振特性而引起了广泛的关注, 其中Au-Ag合金纳米颗粒具有良好的结构稳定性、 光热性能以及潜在的抗癌功效而得到普遍研究。 在众多应用中的特性与其粒径和浓度密切相关, 然而目前常用的电子显微镜观察法和动态光散射法不能同时获得粒径和浓度信息, 因此采取有效手段测量颗粒粒径和浓度信息至关重要。 基于光谱消光法, 利用非负的Tikhonov正则化方法解决反演问题, 并根据Mie理论计算消光矩阵。 针对噪声问题, 采取两种情况研究多分散Au-Ag合金纳米球粒径分布与浓度的反演问题。 未添加噪声情况下, 颗粒系Ⅰ的反演相对误差小于颗粒系Ⅱ, 在波长范围300~500 nm之间的反演相对误差最小, 对应平均粒径、 粒径标准差和颗粒数浓度的反演相对误差分别为0%,-0.03%和0%。 添加随机噪声情况下, 将0.5%和1.0%的随机噪声添加进颗粒系Ⅰ中的消光谱, 经过数据比较发现在波长范围200~600 nm之间的反演相对误差最小。 当添加0.5%的随机噪声时, 粒径分布、 粒径标准差和颗粒数浓度的变化范围分别为79.76~80.15 nm, 5.60~6.61 nm和0.995 8×1010~1.005 9×1010个·cm-3; 当添加1.0%的随机噪声时, 粒径分布、 粒径标准差和颗粒数浓度的变化范围分别为78.87~80.27 nm, 5.36~9.00 nm和0.992 4×1010~1.027 7×1010个·cm-3。 反演结果随着随机噪声的增大, 变化范围也明显增大即反演相对误差增大, 并且每次添加相同随机噪声后的反演结果不同。 为了减少随机噪声导致的不稳定性, 对100次反演结果进行平均得到平均粒径、 粒径标准差和颗粒数浓度。 当随机噪声从0.5%增大至1.0%时, 其反演结果的相对误差均增大, 但是反演得到的粒径分布、 粒径标准差和颗粒数浓度相对误差均小于6%, 这说明通过反演算法得到的反演结果具有较好的稳定性。 研究表明, 光谱消光法为反演多分散Au-Ag合金纳米球粒径分布与浓度提供了一种简单、 快速的表征手段, 也对研究非球形纳米颗粒有启示作用。
消光法 光谱分析 复合纳米材料 局域表面等离子体共振 Mie理论 Tikhonov正则化 Light extinction Spectroscopic analysis Nanocomposites Localized surface plasmon resonance Mie theory Tikhonov regularization 光谱学与光谱分析
2022, 42(10): 3039
上海理工大学上海市介入医疗器械工程研究中心，上海 200093
提出一种基于连续透射消光光谱的粒径测量方法。基于Mie散射理论和人工蜂群算法对颗粒粒径进行反演，结果表明，单峰分布时颗粒的体积频率分布曲线相对均方根误差（RRMSE）低至0.08%，双峰分布时颗粒的体积频率分布曲线RRMSE低至3.49%。用编号为GBW120134、GBW120024和GBW120041的聚苯乙烯乳胶标准颗粒进行了对比实验。结果表明，单峰分布时D50粒径的相对误差在10%以内，双峰分布时D50粒径的相对误差在20%以内。
散射 消光法 光谱 粒径测量 人工蜂群算法 激光与光电子学进展
2022, 59(21): 2129002
1 上海理工大学 能源与动力工程学院，上海市动力工程多相流动与传热重点实验室，上海 200093
2 中国航发四川燃气涡轮研究院，成都 610500
采用蒙特卡罗方法模拟光子在散射介质中传输的物理过程，研究发散光束对消光法粒径测量的影响。将平行入射光条件下数值结果与Lambert-Beer模型进行对比验证，分析了入射光发散角变化对消光光谱的影响。搭建基于发散光束的消光实验平台，分别在入射光平行和发散条件下测得三种聚苯乙烯乳胶球标准颗粒消光光谱，其与蒙特卡罗模拟结果变化趋势基本一致。数值和实验消光谱的粒径反演结果表明：随发散角增大，测得粒径与标称值误差越大，发散角为5°时粒径的反演误差均在4.62%以内，但发散角为20°时标称粒径0.2、0.8、2.88 μm的颗粒样品测量误差分别为4.25%、12.75%、-9.55%。进行误差修正，通过蒙特卡罗方法建立的发散光束数值模型构造系数矩阵，对粒径0.8 μm的颗粒在发散角为5~20°的实验消光谱反演，误差在2.00%以内。
颗粒测量 消光法 蒙特卡罗方法 发散光束 反演 Particle sizing Light extinction method Monte Carlo method Divergent beam Inversion
1 新疆师范大学物理与电子工程学院，新疆 乌鲁木齐 830054
2 新疆矿物发光材料及其微结构重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830054
基于Mie理论分析单分散Au-Ag合金纳米球消光特性随粒径和波长的变化情况。在理论计算中，根据金属纳米颗粒中自由电子平均自由程的缩短效应对Au-Ag合金纳米颗粒的介电函数进行修正。基于消光特性提出了三种确定粒径和浓度的拟合公式，包括共振波长法、双波长消光法和改进的双波长消光法。结果表明，只要测得颗粒的消光谱，就能利用拟合公式反演颗粒的粒径和浓度。此外，对比三种方法的灵敏度和粒径范围发现，相比其他方法，共振波长法的原理更简单、速度更快。
散射 Mie理论 消光法 Au-Ag合金纳米球 局域表面等离激元共振 反演 激光与光电子学进展
2022, 59(7): 0729001
1 上海理工大学上海市动力工程多相流动与传热重点实验室, 上海 200093
2 上海航天动力技术研究所发动机技术发展研究室, 上海 201109
基于多波长消光法和图像法颗粒测量原理,提出了跨微米尺度混合颗粒粒径同步测量方法,建立了亚微米-十微米尺度颗粒粒径消光光谱反演算法及十微米以上尺度颗粒粒径图像处理算法;采用分光棱镜,搭建了消光光谱与背光图像同步测量装置,利用500 nm~76.9 μm粒径范围内的10种标准颗粒配成跨微米尺度混合颗粒样品并开展实验研究。结果表明:利用所提方法开展跨微米尺度混合颗粒粒径同步测量时,亚微米-十微米尺度颗粒消光光谱与十微米以上尺度颗粒背光图像的相互影响可忽略,可同步测量得到跨微米尺度混合颗粒粒径;利用消光法和图像法分别开展亚微米-十微米、十微米以上尺度颗粒粒径测量,与标准颗粒粒径相比,相对误差均小于8%,且测量重复性较好,这为跨微米尺度混合颗粒提供了一种有效的粒径测量手段。
测量 多波长消光法 图像法 跨微米尺度 混合颗粒 粒径测量
山东理工大学 电气与电子工程学院, 山东 淄博 255049
为了实现同时兼顾大、小颗粒测量的液体颗粒计数, 在分析细小光束照射下球形颗粒脉冲信号波形特征的基础上, 提出了一种颗粒粒径信息提取方法, 该方法通过对脉冲信号积分将颗粒脉冲信号的幅度与持续时间结合, 可更加准确地提取颗粒的等效粒径信息.对理想脉冲信号进行数值模拟, 并采用乳胶微粒标准物质进行实验测试, 结果表明, 该方法能够有效地提取大颗粒和小颗粒的粒径信息, 从而拓宽了仪器检测范围.同时, 分析了流速和噪声对该方法提取粒径准确性的影响, 结果表明当流速波动小于10%时, 测量误差小于5.41%; 当噪声小于1%时, 测量误差小于0.50%.
颗粒计数器 信息提取 光阻法 颗粒粒径 脉冲信号 Particle counters Information extraction Light extinction Particle size Pulse signals
天津大学 精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
利用单波长激光通过扬尘空间发生散射消光衰减的特性, 设计了开放光程的颗粒物浓度检测方法及系统。该方法利用双峰正态分布模型模拟颗粒物粒径分布, 实时计算一定空间范围内的扬尘颗粒物浓度, 具有响应速度快、测量动态范围宽的优点, 适合浓度高、变化快、空间范围大的扬尘颗粒物浓度测量。通过水溶胶模拟实验与烟尘实验验证了该方法的可行性。实验数据表明, 系统量程可达0~400mg/m3, 分辨率为0.05mg/m3, 响应时间小于1 s。
消光法 Mie散射 开放光程 扬尘浓度 在线测量 light extinction Mie scattering open path fugitive dust concentration online measurement
上海理工大学颗粒与两相流测量技术研究所, 上海 200093
对多波长消光法颗粒测量方法中非球形颗粒形状的影响进行研究。采用广义米散射理论数值模拟计算了不同长短轴椭球颗粒在不同入射角度下的消光截面和消光系数，并与等效球形颗粒的消光特性进行比较, 结合Lambert-Beer定律计算消光谱，采用正则化算法反演椭球颗粒粒径，进而分析椭球颗粒形状对粒径测量结果的影响。结果表明，与球形假设相比，椭球颗粒的形状改变使得粒径反演结果产生较大偏差。本算例中，对于亚微米颗粒，当形状参数a/b=5时，其相对偏差可能超过90%。
散射 消光法 非球形颗粒 广义米氏理论 消光谱 反演 激光与光电子学进展
2016, 53(9): 092901
上海理工大学颗粒与两相流测量研究所, 上海 200093
提出了采用彩色相机RGB 信号实现三波段消光法测量微米级颗粒粒度分布的方法。当一束平行白光入射到弥散细微颗粒时，测量不同波长的透射光强信号，用多波长消光法理论反演可以测得被测弥散细微颗粒粒度。当用彩色相机拍摄透射光，得到的图像实际是RGB 三个波段的透射光信号，该信号与相机的RGB 响应曲线、光源光谱特性、被测颗粒粒径及颗粒浓度有关。对RGB 三波段信号用消光法理论进行分析和反演计算，可以得到细微颗粒的粒度分布。通过数值模拟与实验验证，表明用彩色相机RGB 三波段消光法可以测量亚微米到3 mm 大小的颗粒粒度分布。将该方法与图像法颗粒粒度测量相结合，可以将彩色相机测量颗粒粒度的范围拓展到从亚微米到数百微米。
测量 彩色相机 三波段消光法 颗粒粒度
