油剂乳浊液颗粒测试系统的研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 1.42MB 47 页 15积分

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摘要

在颗粒检测中，光散射法一直是近来研究的热点，其中，全散射法有着明显

的优势，其原理简单，测量方便，对仪器设备的要求较低，价格便宜。多数情况

下，利用一般的分光光度计即可完成测量，测量范围较宽，下限为数十个纳米，

上限约为 10 微米左右，测量结果准确，重复性好，测量速度也快。为此，在胶体

化学、高分子化学以及粉体工程中得到了广泛的应用。然而，虽然全散射法在颗

粒测量中有着得天独厚的优势，但仍存在着一些有待改进的地方，如针对样品池

的“池壁”效应可以考虑改善样品池的结构，在计算方法上有待引入更为科学严

密,高效快捷的处理手段。

为此，本文特对测试样品池做了结构上的创新，并在计算方法上做了进一步

的改进。主要工作为提出并实验了一种新的光纤型样品池，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。并且较为详细地介绍了 Mie 散射理论，用解释性语言 MATLAB 语言编制了

Mie 理论的相关计算公式，与传统的 C语言编程相比大大简化了计算的过程，避

免了繁琐的编程步骤。在宽带光谱测试数据处理方面，采用擅长全局优化的遗传

算法手段提高信息处理质量，并用 MATLAB 语言编写了遗传算法程序。选用公称

粒径分别为 1.00m和2.06m的聚苯乙烯乳胶球标准颗粒做了验证比对实验，测

量了颗粒粒径、粒径分布，并给出了分析，最后制造了光纤样品池。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。

关键词：光全散射法；颗粒测量；样品池；粒径分布；遗传算法

ABSTRACT

In the particle measurement, the light scattering method has been a focus studied

recently all the time, among them, the total scattering law has obvious advantages, its

principle is simple, measurement is convenient, the requirements for instrument and

equipments are relatively low, the price is cheap. Under most situations, utilizing the

general spectrophotometer to finish measurement, the measurement range is wide, lower

limit is several dozen pieces of nanometer, upper limit is about 10 microns, the result is

accurate, the repetitiveness is good, it is also fast to finish measurement. For this reason,

it is widely used in colloid chemistry, polymer chemistry and Powder Engineering.

However, though there is a gifted advantage in the total scattering law, still exists some

place to improve, such as directing against " pool wall " effect in the sample pool, it can

be considered to improve the structure of the sample pool, the more scientific and strict,

high-efficient and swift means can be introduced to computing technology

For this reason, this text has specially done structural innovation in testing the

sample cell, and has done further improvement on the computing technology. A new

optical fibre sample cell was proposed and experimented to be applied to measurement

of particle size and particle size distribution with the total light scattering method, the

outstanding characteristic of the sample cell is eliminating the cell wall scattering

effects and easily realizing the stable multi-wavelength test. Introducing Lorentz classic

dispersion formula and multi-wavelength processing method in particle refractive index

treatment, improved rigorous, rationality and practicability of the theory. Introduced

MIE scattering theory in detail comparatively, worked out calculating formulae

relevantly of MIE theory in explaining language, MATLAB, simplified the course of

calculation greatly in comparing with traditional C language programming, avoided the

tedious programming step. In the respect of test data processing in the broadband

spectrum, adopted genetic algorithm means which is good at the overall situation

optimizes to improve the quality of information process and write the genetic algorithm

procedure in MATLAB language. Did Comparison experiment by polystyrene latex

spheres standard particles which nominal values are 1.00µm and 2.06µm. Measured

particle size and particle size distribution, provided analysis and made the sample pool

of optic fiber finally. The experiment result indicates that optical fibre sample cell

works stably and data processing indicates mean deviation and repeatability are less

than 5% which is better than conventional index valuation method, shows the

improvement effect and practical value.

Key words: total light scattering; particle sizing; sample cell; particle size

distribution; genetic algorithm

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ........................................................ 1

§1.1 颗粒测量的意义 ............................................................................................... 1

§1.2 颗粒测量技术概要 ........................................................................................... 1

§1.3 本课题的意义与本文工作 ............................................................................... 5

第二章光散射法颗粒测量技术 ......................................... 6

§2.1 颗粒的特征及性质 ............................................................................................ 6

§2.1.1 颗粒的形状 .................................................................................................6

§2.1.2 颗粒的密度 .................................................................................................6

§2.1.3 颗粒的比表面积 .........................................................................................7

§2.2 颗粒粒径 ............................................................................................................ 7

§2.2.1 粒径 .............................................................................................................7

§2.2.2 颗粒系的粒径分布 ...................................................................................10

§2.3 光散射现象 ...................................................................................................... 11

§2.4 光散射基本知识 .............................................................................................. 12

§2.4.1 不相关散射与相关散射 ...........................................................................12

§2.4.2 单散射和多重散射 ...................................................................................12

§2.5 常用散射物理量 .............................................................................................. 13

§2.6 MIE 散射理论及数值计算方法 ......................................................................14

§2.7 本章小结 .......................................................................................................... 18

第三章全散射法折射率处理改进方案 ..................................19

§3.1 光全散射颗粒测量法基本原理 ...................................................................... 19

§3.2 光全散射法折射率的一般处理方法 ............................................................. 20

§3.2.1 粒径分布算法 ...........................................................................................20

§3.2.2 平均粒径算法 ...........................................................................................21

§3.3 改进的折射率处理方法 ................................................................................. 23

§3.3 本章小结 .......................................................................................................... 27

油剂乳浊液颗粒测试系统研究

第四章实验装置及实验验证 .......................................... 28

§4.1 实验装置及仪器简介 ..................................................................................... 28

§4.2 新型光纤样品池结构 ..................................................................................... 31

§4.3 实测过程 ......................................................................................................... 33

§4.4 实验结果及分析 ............................................................................................. 36

§4.5 本章小结 ......................................................................................................... 39

第五章总结 ....................................................... 40

参考文献 ........................................................... 41

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................... 44

致谢 ...............................................................45

第一章绪论

§1.1 颗粒测量的意义

颗粒是处于分割状态下的微小固体、液体和气体，也可以是具有生命力的微

生物和细菌等。一般情况下，颗粒是指固体颗粒，而液体和气体的颗粒相应地称

为液滴和气泡。由许多颗粒组成的颗粒群称为颗粒系。颗粒有在自然条件下形成

的，更多的则是在各种不同的工农业生产过程中产生的。它们的形态很不相同，

颗粒也在很大的范围内变化。分割状态下的液滴和气泡，在表面张力的作用下，

绝大多数保持为球形(粒径较小时)或椭球形(粒径较大时)，对它们的表征比较简

单。与此相反，固体颗粒除极少数情况外，大都为非球形，具有复杂的形状，且

各颗粒之间的形状也不相同。随着科学技术的迅猛发展，在国民经济的诸多领域，

如能源，光电，机械，医药，化工，建材等行业中都出现了越来越多的与细微颗

粒密切相关的技术问题有待解决，颗粒粒径的尺寸分布及浓度的测量则是其中最

基本也是最重要的一个方面，颗粒粒径的大小及分布往往关系到许多生产过程中

最终产品的使用性能，在动力工程中关系到能源消耗率，如火力发电厂煤粉的粒

度大小对燃烧过程有着直接的影响；各种涂料中的颜料颗粒，其粒度以及形状对

于涂料的着色力，遮盖力，成膜能力以及稳定性影响很大；混凝土的凝结时间和

机械性能与水泥颗粒大小有密切关系；牙膏、墨汁、录音带、照相底版、陶瓷品

等轻工产品的性能均与颗粒粒度有关。牙膏中的二氧化硅颗粒的大小影响着牙膏

的洁齿作用；录音带上的磁性颗粒粒度影响着录音质量；照相底版上的卤化银粉

末的大小决定了其解像的能力；制陶粉末的粒度大小直接决定了成品工艺的质量；

大气中含有的颗粒悬浮物，人们一旦吸入后健康将受到很大的影响。资料表明，

空气中飘尘浓度增至 100µg/m3时，慢性呼吸道的发病率有明显的上升，当浓度增

大到 300µg/m3时，会加剧呼吸道的恶化，当浓度增大到 800µg/m3时，可能导致心

脏病患者死亡率的上升；此外，若大气中烟尘浓度达到 1.1mg/m3，使地面太阳紫

外线辐射强度降低 5%，致使儿童患软骨病比例上升[1]。

§1.2 颗粒测量技术概要

通过以上分析可以看出，有关颗粒测量的各种研究，对改善产品品质，控制

环境污染，保障人体健康都有着重大的经济意义和深远的社会意义。迄今为止，

人们想出了多种测量方法，制造了数以百计的测量仪。按照测量原理划分可分为

筛分法、沉降法、显微镜法、电感应法、超声法、光散射法等[2,3]。

筛分法简单直接，成本低，但测量精度也低，适用于易于分散、粒径较大（大

于100µm）的颗粒；沉降法是通过测量某一物理量在颗粒悬浮液某高度处随时间

的变化或沿液体高度的变化，获取包含颗粒最终沉降速度的信息，再由 Stokes 公

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摘要在颗粒检测中，光散射法一直是近来研究的热点，其中，全散射法有着明显的优势，其原理简单，测量方便，对仪器设备的要求较低，价格便宜。多数情况下，利用一般的分光光度计即可完成测量，测量范围较宽，下限为数十个纳米，上限约为10微米左右，测量结果准确，重复性好，测量速度也快。为此，在胶体化学、高分子化学以及粉体工程中得到了广泛的应用。然而，虽然全散射法在颗粒测量中有着得天独厚的优势，但仍存在着一些有待改进的地方，如针对样品池的“池壁”效应可以考虑改善样品池的结构，在计算方法上有待引入更为科学严密,高效快捷的处理手段。为此，本文特对测试样品池做了结构上的创新，并在计算方法上做了进一步的改进。主要工作为...

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