專利名稱：一種物質(zhì)成分和含量的檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電磁波譜技術(shù)在識(shí)別物質(zhì)成分和含量上的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
目前，識(shí)別物質(zhì)成分和含量的常用方法有原子發(fā)射或吸收光譜法、X射線熒光光譜法、紫外或可見光吸收光譜法、熒光與磷光光譜法、紅外光譜法、拉曼光譜法和核磁共振波譜法等。原子發(fā)射光譜法檢測(cè)受激原子或離子的能級(jí)躍遷發(fā)出的譜線位置和強(qiáng)度識(shí)別組成物質(zhì)的元素及其含量；原子吸收光譜法檢測(cè)受激原子的共振吸收波長(zhǎng)和衰減識(shí)別元素及其含量；X射線熒光光譜法原理是受到X射線、高能粒子束或同步輻射源照射的物質(zhì)，其原子的內(nèi)層電子被逐出，發(fā)射特征X射線，通過檢測(cè)特征X射線的波長(zhǎng)和強(qiáng)度來識(shí)別組成物質(zhì)的元素及其含量；紫外或可見光吸收光譜法是通過檢測(cè)分子內(nèi)電子能級(jí)的變化而產(chǎn)生的吸收光譜的波長(zhǎng)和強(qiáng)度來識(shí)別物質(zhì)及其含量；熒光與磷光光譜法是通過檢測(cè)基態(tài)分子吸收光能受激處于激發(fā)態(tài)、激發(fā)態(tài)返回基態(tài)時(shí)譜線的波長(zhǎng)和強(qiáng)度來識(shí)別物質(zhì)及其含量；紅外光譜法是通過紅外光與被檢測(cè)物質(zhì)的分子內(nèi)部原子間相對(duì)振動(dòng)的相互作用，監(jiān)測(cè)紅外光吸收波長(zhǎng)和強(qiáng)度來識(shí)別物質(zhì)及其含量；拉曼光譜法是基于被檢測(cè)物質(zhì)的分子內(nèi)部原子間的相對(duì)振動(dòng)對(duì)激發(fā)光的散射，引起散射光頻率的變化來識(shí)別物質(zhì)；核磁共振波譜法通過檢測(cè)被識(shí)別物質(zhì)在靜磁場(chǎng)中的拉莫進(jìn)動(dòng)而識(shí)別物質(zhì)。這些識(shí)別方法的特點(diǎn)是譜線純度高且穩(wěn)定，因而識(shí)別容易。
公開號(hào)為CN1375694A(申請(qǐng)?zhí)?2107199.3)的中國(guó)專利申請(qǐng)公開了一種“諧振裝置，特別是微波諧振裝置和測(cè)量裝置”，系涉及一種諧振裝置，特別是一種用于檢測(cè)煙草加工業(yè)一種物流存在至少一種異物和/或用于測(cè)定該物流的質(zhì)量、密度和/或濕度的微波諧振裝置，它包括一個(gè)諧振器外殼和一個(gè)該物流的通過孔。此外，該發(fā)明涉及一種相應(yīng)的測(cè)量裝置以及一個(gè)用于檢測(cè)該物流的測(cè)量系統(tǒng)和方法。該發(fā)明的特征是，該諧振裝置包括至少一個(gè)增加電磁波能量密度的元件。該發(fā)明測(cè)量裝置的特征是，該測(cè)量裝置包括至少兩個(gè)諧振器外殼，它們分別確定一個(gè)測(cè)量范圍，其中電磁場(chǎng)包括電場(chǎng)，這些電場(chǎng)在相應(yīng)的測(cè)量范圍內(nèi)在相互不同的空間方向內(nèi)取向。該發(fā)明測(cè)量系統(tǒng)的特征為，至少設(shè)置了兩個(gè)裝置，用它們可在相互不同的空間方向內(nèi)測(cè)量物流。所述的方法可用于檢測(cè)煙草加工業(yè)一種物流存在至少一種異物或用于測(cè)定該物流的質(zhì)量、密度或濕度，但該方法未考慮物質(zhì)的弛豫特性，不能識(shí)別物質(zhì)成分。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種新的識(shí)別物質(zhì)的方法，尤其是提供一種基于物質(zhì)弛豫特性的在線識(shí)別物質(zhì)成分和含量的檢測(cè)方法。
本發(fā)明是利用極性物質(zhì)分子在外加時(shí)變電磁場(chǎng)中的弛豫現(xiàn)象(或取向極化現(xiàn)象或極性分子轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象)，通過掃頻方法測(cè)量物質(zhì)的弛豫時(shí)間和諧振頻偏等參量，在已建立的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)電磁特性模型基礎(chǔ)上，通過相關(guān)算法處理得到被識(shí)別物質(zhì)的成分和含量。
下面簡(jiǎn)單介紹極性物質(zhì)電磁特性模型和基于物質(zhì)弛豫特性識(shí)別物質(zhì)的方法及步驟。
本發(fā)明所述的基于物質(zhì)弛豫特性的識(shí)別方法如下根據(jù)Debye理論和0nsager模型，極性物質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)ε(ω)可用如下方程表示ϵ(ω)=ϵ′-jϵ′′=ϵ∞+ϵs-ϵ∞1-jωτ]]>ϵ′=ϵ∞+ϵs-ϵ∞1+ω2τ2,]]>ϵ′′=(ϵs-ϵ∞)ωτ1+ω2τ2]]>3(ϵs-ϵ∞)(2ϵs+ϵ∞)ϵs(ϵ∞+2)2T=NPm23ϵ0KB]]>N＝N0exp(-U/KBT)τ＝τ0exp(-W/KBT)上式中，ε∞為無限大頻率時(shí)的相對(duì)介電常數(shù)；εs為零頻時(shí)的相對(duì)介電常數(shù)；τ為弛豫時(shí)間；Pm為單個(gè)偶極子的偶極矩；N為單位體積中的偶極子數(shù)；ε0為真空中的介電常數(shù)；KB為波爾茲曼常數(shù)；U為偶極子位能；W為勢(shì)壘高度。
對(duì)于液體，偶極分子的弛豫時(shí)間計(jì)算公式為τ=4πr3ηKBTfC]]>上式中，f為與轉(zhuǎn)動(dòng)分子形狀有關(guān)的摩擦系數(shù)；C為表示轉(zhuǎn)動(dòng)分子與其周圍環(huán)境相互耦合程度的半徑因子；T為溫度；KB為波爾茲曼常數(shù)；η為黏度。
由以上分析知物質(zhì)的介電常數(shù)ε(ω)與溫度T有關(guān)；弛豫時(shí)間τ與物質(zhì)種類有關(guān)。從同一發(fā)明人申請(qǐng)的申請(qǐng)?zhí)枮?2125071·5的方法中已知測(cè)量電路頻偏Δf和衰減可獲得物質(zhì)的流量與其成分體積比的關(guān)系。故通過建立弛豫時(shí)間τ、溫度T、頻偏Δf和衰減的關(guān)系，用基于掃頻方法測(cè)得的物質(zhì)電磁波譜特性，經(jīng)信號(hào)處理后可識(shí)別物質(zhì)的成分和測(cè)量其含量。
本發(fā)明所述的物質(zhì)成分和含量的檢測(cè)方法由以下步驟組成一、事先在不同溫度下對(duì)不同的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行掃頻測(cè)量，獲得其電磁特性，對(duì)不同的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)分別進(jìn)行掃頻測(cè)量，建立標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)；二、設(shè)計(jì)一種能與被識(shí)別物質(zhì)相互作用的電路，通過掃頻方法測(cè)量或獲取被識(shí)別物質(zhì)的電磁特性；三、建立混合物質(zhì)電磁特性模型，獲得物質(zhì)成分和含量與其電磁特性模型的關(guān)系；四、使被識(shí)別物質(zhì)與電路相互作用，通過求解特定邊界條件下的Maxwell方程組，獲得電磁場(chǎng)與物質(zhì)的關(guān)系，從而得到被識(shí)別物質(zhì)的成分和含量。
上述的電磁特性主要是復(fù)介電常數(shù)和復(fù)導(dǎo)磁率，尤其是物質(zhì)的弛豫特性，或稱偶極子的取向極化損耗特性，如前面介紹的復(fù)介電常數(shù)ε(ω)與εs、ε∞、T、τ等參數(shù)的關(guān)系；步驟(一)中所述的電路為集中參數(shù)電路或分布參數(shù)電路，具體的說是一種可調(diào)諧寬帶電路；被識(shí)別物質(zhì)與所述電路相互作用時(shí)可發(fā)生多諧振現(xiàn)象，從而產(chǎn)生多個(gè)諧振吸收峰，尤其是微波、毫米波和亞毫米波頻段的吸收峰，通過掃頻方法可測(cè)量或者獲取被識(shí)別物質(zhì)的電磁特性；所述的掃頻測(cè)量為現(xiàn)有的掃頻測(cè)量；所述的建立電磁特性模型，系采用所獲得諧振頻率、諧振帶寬和諧振吸收峰等電磁特性參數(shù)，用現(xiàn)有技術(shù)建立電磁特性參數(shù)與物質(zhì)成分和含量的關(guān)系。由于本掃頻方法獲得的被識(shí)別物質(zhì)電磁特性與溫度有關(guān)，所以測(cè)量時(shí)必須恒溫或進(jìn)行溫度修正。識(shí)別精度與混合物質(zhì)電磁特性模型密切相關(guān)，改進(jìn)物質(zhì)電磁特性模型可提高識(shí)別精度。
本發(fā)明所述的方法系為一種無損檢測(cè)，即不破壞物質(zhì)的成分和含量；并且是快速動(dòng)態(tài)檢測(cè)，即被識(shí)別物質(zhì)與電路相互作用后，獲得結(jié)果僅需幾毫秒。本發(fā)明方法識(shí)別物質(zhì)穩(wěn)定性好、精度高，能在線識(shí)別物質(zhì)成分和含量，適用范圍廣。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下在圖1所示的實(shí)驗(yàn)條件下被測(cè)物質(zhì)的介電常數(shù)εγ’、εγ”與頻偏Δf1、諧振頻率f1和駐波比ρ的關(guān)系為ϵγ′=1+2(Δf1f1)·laπds2]]>ϵγ′′=Δ(1QL)·laπds2]]>Δ(1QL)=1QL-1Q0]]>QL=f1Δf1,]]>Q0=(ρ1+1)(ρ2+1)QL(ρ1ρ2-1)]]>上式中，ds為樣品管直徑(3mm)；a×b×l為腔體的寬×高×長(zhǎng)，本實(shí)驗(yàn)條件下為22.86×10.16×100(mm3)；f1為腔體的諧振頻率；Δf1為腔體諧振時(shí)的3dB帶寬；ρ1是腔體輸出端接匹配負(fù)載時(shí)輸入端的駐波比；ρ2是腔體輸入端接匹配負(fù)載時(shí)輸出端的駐波比。
在圖1所示的實(shí)驗(yàn)條件下，測(cè)量得到水的弛豫時(shí)間τ與溫度T的關(guān)系見表1；幾種物質(zhì)的弛豫時(shí)間τ見表2。
表1水的弛豫時(shí)間τ與溫度T的關(guān)系

表2幾種物質(zhì)的弛豫時(shí)間τ(25℃)



圖1為本發(fā)明提供的實(shí)驗(yàn)條件。
圖2為實(shí)施例中的系統(tǒng)框圖。
圖3為實(shí)施例中的電路框圖。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)上面的方法和步驟，本專業(yè)的普通技術(shù)人員就可以實(shí)施本發(fā)明技術(shù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的。
如圖2所示，本實(shí)施例包括一個(gè)電路與物質(zhì)相互作用區(qū)、阻抗變換器、檢測(cè)器、掃頻信號(hào)發(fā)生器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。本發(fā)明設(shè)計(jì)的電路可以是集中參數(shù)電路，也可以是分布參數(shù)電路。本發(fā)明是通過掃頻方法獲取被識(shí)別物質(zhì)的電磁特性，在已建立的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)電磁特性模型的基礎(chǔ)上，通過相關(guān)算法識(shí)別被測(cè)物質(zhì)的成分和含量。如實(shí)驗(yàn)結(jié)果部分介紹εγ’、εγ”、與ρ1、ρ2、f1、Δf1和ds等參數(shù)的關(guān)系。
本發(fā)明方法步驟如下如圖3所示，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)12控制A/D轉(zhuǎn)換器1輸出模擬掃頻電壓，模擬掃頻電壓驅(qū)動(dòng)壓控振蕩器2輸出掃頻微波，掃頻微波經(jīng)單向器3和阻抗變換器4進(jìn)入微波電路5。在微波電路中，樣品管6內(nèi)的被識(shí)別物質(zhì)與微波電路相互作用，改變微波電路的諧振頻率、幅度和帶寬等參數(shù)，攜帶有被識(shí)別物質(zhì)特征的微波經(jīng)阻抗變換器8和單向器9進(jìn)入檢測(cè)器10，檢測(cè)器輸出經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器11進(jìn)入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)12。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將獲得的信息與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)13比較，即可識(shí)別物質(zhì)的成分和含量。7為溫度測(cè)量電路，用于修正由于溫度變化而引起測(cè)量參數(shù)的變化。
以上實(shí)施例僅對(duì)發(fā)明作進(jìn)一步的說明，而本發(fā)明的范圍不受所舉實(shí)施例中電磁特性模型和算法的局限。
權(quán)利要求
1.一種物質(zhì)成分和含量的檢測(cè)方法，其特征在于由以下步驟組成(一)、事先在不同溫度下對(duì)不同的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行掃頻測(cè)量，獲得其電磁特性，對(duì)不同的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)分別進(jìn)行掃頻測(cè)量，建立標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)；(二)、設(shè)計(jì)一種能與被識(shí)別物質(zhì)相互作用的電路，通過掃頻方法測(cè)量或獲取被識(shí)別物質(zhì)的電磁特性；(三)、建立混合物質(zhì)電磁特性模型，獲得物質(zhì)成分和含量與其電磁特性模型的關(guān)系；(四)、使被識(shí)別物質(zhì)與電路相互作用，通過求解特定邊界條件下的Maxwell方程組，獲得電磁場(chǎng)與物質(zhì)的關(guān)系，從而得到被識(shí)別物質(zhì)的成分和含量。
2.按照權(quán)利要求1所述的檢測(cè)方法，其特征在于所述的電磁特性是復(fù)介電常數(shù)和復(fù)導(dǎo)磁率。
3.按照權(quán)利要求2所述的檢測(cè)方法，其特征在于所述的電磁特性是物質(zhì)的弛豫特性。
4.按照權(quán)利要求1所述的檢測(cè)方法，其特征在于步驟(一)中所述的所述的電路為集中參數(shù)電路或分布參數(shù)電路。
5.按照權(quán)利要求4所述的檢測(cè)方法，其特征在于所述的電路是可調(diào)諧寬帶電路。
6.按照權(quán)利要求1所述的檢測(cè)方法，其特征在于測(cè)量時(shí)恒溫或進(jìn)行溫度修正。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電磁波譜技術(shù)在識(shí)別物質(zhì)成分和含量上的應(yīng)用。本發(fā)明所述方法由以下步驟組成一.事先在不同溫度下對(duì)不同的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行掃頻測(cè)量，獲得其電磁特性，對(duì)不同的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)分別進(jìn)行掃頻測(cè)量，建立標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)；二.設(shè)計(jì)一種能與被識(shí)別物質(zhì)相互作用的電路，通過掃頻方法測(cè)量或獲取被識(shí)別物質(zhì)的電磁特性；三.建立混合物質(zhì)電磁特性模型，獲得物質(zhì)成分和含量與其電磁特性模型的關(guān)系；四.使被識(shí)別物質(zhì)與電路相互作用，通過求解特定邊界條件下的Maxwell方程組，獲得電磁場(chǎng)與物質(zhì)的關(guān)系，從而得到被識(shí)別物質(zhì)的成分和含量。
文檔編號(hào)G01N27/00GK1710412SQ20041004002
公開日2005年12月21日 申請(qǐng)日期2004年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月17日
發(fā)明者黃銘, 彭金輝, 王威廉, 宗容, 楊明華, 辜曉茹 申請(qǐng)人:昆明金匯通無線與微波技術(shù)研究所