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透过率起伏相关频谱法水中污染物颗粒检测技术

作　者: 于彬
导　师: 沈建琪
学　校: 上海理工大学
专　业: 热能工程
关键词: 水中污染物颗粒测量透过率起伏相关频谱法颗粒交叠层结构反演算法
分类号: X832
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

近年来，无论是太湖的蓝藻，还是饮用水杂质超标，都引起人们对水处理问题的密切关注。现有的多参数水质检测仪可同时测量pH值、ORP（氧化还原电位）、TDS（溶解性总固体量）、溶解氧、温度、电导率、盐度等参数，但均未提及水中颗粒物的粒径和颗粒浓度的测量，而颗粒粒径和颗粒浓度是水质检测领域十分重要的参数。在水污染处理过程中，一个很重要的环节就是要对水污染物颗粒进行实时、在线检测，为水处理提供相应的参数。目前，国内外的水质检测方法和手段有很多，但主要依靠取样方式，实时、在线检测手段还很少。透过率起伏相关频谱法是一种新的光学颗粒测量方法，可同时测量颗粒粒径分布和浓度。因其光学测量装置简单、操作方便，可实现对水中污染物颗粒的实时、在线检测。本文中将一束激光经分光器分成两束光后照射水中颗粒系统，当水中存在污染物颗粒时，透射光由于颗粒的散射和吸收产生衰减并呈现脉动（起伏）特征。通过对两束光的透过率起伏信号的互相关处理，获得透过率起伏互相关频谱，由此得到颗粒系统的流速，以该流速作为已知参量应用到任何一束光的透过率起伏信号的自相关处理中，再利用反演算法可得到水中低浓度、微米级小颗粒的粒径和浓度的信息。本文共分六章对透过率起伏相关频谱法测量水中污染物颗粒技术进行详尽阐述：第一章主要对颗粒测量技术作了背景介绍，并对水中颗粒物做了简单介绍，还着重介绍了透过率起伏相关频谱法的发展过程及意义。第二章讲述了透过率起伏相关频谱法的一些基本概念和基础知识，为后文对透过率起伏相关频谱法的测量原理打下基础。第三章讨论了透过率起伏互相关频谱法和透过率起伏自相关频谱法的特点，给出数学模型、简单的理论推导和理论计算曲线，并提出本文采用的测量原理。当光束直径为20微米时，测量范围大于1微米，正好满足对水中污染物颗粒的测量要求。以第三章理论计算为基础，在第四章中给出模拟计算结果。首先研究了单层颗粒系统，颗粒之间不存在相互交叠，只考虑层结构效应；然后通过纯颗粒交叠和不同层数的模拟计算数据进行分析比较，此时颗粒浓度很低、层数很大，层结构效应被剔除，仅颗粒交叠效应存在；最后，对三维颗粒系统（即层结构效应和颗粒交叠效应同时存在的情况）进行模拟计算。第五章给出了水中污染物颗粒的测量结果。对实验装置设计做了简要介绍，根据测量原理，以水中加入的豆奶粉为例，得到透过率起伏互相关频谱曲线，从而得到颗粒系统的流速。该流速可在第六章反演计算中作为已知参量。最后，对水中加入的豆奶粉、藕粉和三种不同粒径珍珠粉的透过率起伏信号做自相关处理，得到透过率起伏自相关频谱特征函数曲线。第六章介绍了几种常用的反演算法，针对本课题的特点，采用改进的Chahine循环方法反演计算得到颗粒的粒径分布和浓度信息。本文对低浓度的微米级颗粒的实验数据进行反演、比较，从而得到合理的测量结果。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-14
第一章绪论  14-25
  §1.1 颗粒概述、颗粒测量的重要性  14-15
  §1.2 水中的颗粒物  15-16
  §1.3 水中颗粒物的测量方法  16-20
    §1.3.1 筛分法  16-17
    §1.3.2 沉降分析法  17
    §1.3.3 显微镜法  17-18
    §1.3.4 图像分析法  18
    §1.3.5 电感应法  18
    §1.3.6 光散射法  18-20
  §1.4 透过率起伏相关频谱法的提出及本文的工作  20-25
第二章透过率起伏相关频谱法基础知识  25-34
  §2.1 颗粒粒度及粒度分布  25-29
    §2.1.1 单个颗粒的粒度  25-28
    §2.1.2 颗粒群的平均粒径和粒径分布  28-29
  §2.2 颗粒浓度  29-30
  §2.3 光散射、消光  30-31
  §2.4 消光系数的讨论  31-32
  §2.5 光线的传播和衍射模式  32-34
第三章透过率起伏相关频谱法理论模型  34-50
  §3.1 概述  34
  §3.2 数学模型  34-37
    §3.2.1 层模型  34-35
    §3.2.2 透过率起伏相关信号的描述  35-36
    §3.2.3 单层颗粒的描述  36-37
  §3.3 透过率起伏相关频谱法测量原理  37-44
    §3.3.1 透过率起伏互相关频谱法或空间相关频谱法 (TFS-SC)  37-39
    §3.3.2 透过率起伏自相关频谱法 (TFS-AC)  39-40
    §3.3.3 低浓度的 TFS-AC 原理  40-41
    §3.3.4 本文采用的测量原理  41-44
  §3.4 层结构效应  44-46
  §3.5 颗粒交叠效应  46-49
  §3.6 结论  49-50
第四章透过率起伏相关频谱法的模拟计算  50-58
  §4.1 概述  50
  §4.2 层结构效应的模拟计算  50-51
  §4.3 颗粒交叠效应的模拟计算  51-55
  §4.4 透过率起伏相关频谱模拟计算  55-57
  §4.5 结论  57-58
第五章水中污染物颗粒的测量结果  58-78
  §5.1 概述  58
  §5.2 实验装置设计  58-70
    §5.2.1 光源模块  60-61
    §5.2.2 分光镜  61-62
    §5.2.3 循环系统与样品池  62-65
    §5.2.4 信号采集系统  65-68
    §5.2.5 实验装置调制  68-70
  §5.3 实验测量  70-76
    §5.3.1 理论基础  70-72
    §5.3.2 透过率起伏互相关频谱测量结果  72-73
    §5.3.3 透过率起伏自相关频谱测量结果  73-76
    §5.3.4 比照实验结果  76
  §5.4 结论  76-78
第六章水中污染物颗粒的反演结果  78-90
  §6.1 概述  78
  §6.2 反演算法  78-79
  §6.3 Chahine 循环算法及其改进  79-82
  §6.4 水中污染物颗粒的反演结果  82-88
    §6.4.1 颗粒的粒径分布反演计算  82-85
    §6.4.2 颗粒浓度反演计算  85-88
  §6.5 结论  88-90
第七章总结和展望  90-98
  §7.1 总结  90-91
  §7.2 展望  91-98
    §7.2.1 透过率起伏相关频谱法测量水中污染物颗粒  91-93
    §7.2.2 获得透过率起伏空间相关频谱的方法及其装置  93-98
附录  98-108
  一、符号表  98-103
  二、显微镜法测试报告  103-108
参考文献  108-118
在读期间公开发表的论文和承担科研项目  118-120
后记  120-122
作者简历  122

透过率起伏相关频谱法水中污染物颗粒检测技术

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