專利名稱：一種物質成分和含量的檢測方法
技術領域：
本發明涉及一種電磁波譜技術在識別物質成分和含量上的應用。
背景技術：
目前，識別物質成分和含量的常用方法有原子發射或吸收光譜法、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。原子發射光譜法檢測受激原子或離子的能級躍遷發出的譜線位置和強度識別組成物質的元素及其含量；原子吸收光譜法檢測受激原子的共振吸收波長和衰減識別元素及其含量；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，其原子的內層電子被逐出，發射特征X射線，通過檢測特征X射線的波長和強度來識別組成物質的元素及其含量；紫外或可見光吸收光譜法是通過檢測分子內電子能級的變化而產生的吸收光譜的波長和強度來識別物質及其含量；熒光與磷光光譜法是通過檢測基態分子吸收光能受激處于激發態、激發態返回基態時譜線的波長和強度來識別物質及其含量；紅外光譜法是通過紅外光與被檢測物質的分子內部原子間相對振動的相互作用，監測紅外光吸收波長和強度來識別物質及其含量；拉曼光譜法是基于被檢測物質的分子內部原子間的相對振動對激發光的散射，引起散射光頻率的變化來識別物質；核磁共振波譜法通過檢測被識別物質在靜磁場中的拉莫進動而識別物質。這些識別方法的特點是譜線純度高且穩定，因而識別容易。
公開號為CN1375694A(申請號02107199.3)的中國專利申請公開了一種“諧振裝置，特別是微波諧振裝置和測量裝置”，系涉及一種諧振裝置，特別是一種用于檢測煙草加工業一種物流存在至少一種異物和/或用于測定該物流的質量、密度和/或濕度的微波諧振裝置，它包括一個諧振器外殼和一個該物流的通過孔。此外，該發明涉及一種相應的測量裝置以及一個用于檢測該物流的測量系統和方法。該發明的特征是，該諧振裝置包括至少一個增加電磁波能量密度的元件。該發明測量裝置的特征是，該測量裝置包括至少兩個諧振器外殼，它們分別確定一個測量范圍，其中電磁場包括電場，這些電場在相應的測量范圍內在相互不同的空間方向內取向。該發明測量系統的特征為，至少設置了兩個裝置，用它們可在相互不同的空間方向內測量物流。所述的方法可用于檢測煙草加工業一種物流存在至少一種異物或用于測定該物流的質量、密度或濕度，但該方法未考慮物質的弛豫特性，不能識別物質成分。
發明內容
本發明的目的是提供一種新的識別物質的方法，尤其是提供一種基于物質弛豫特性的在線識別物質成分和含量的檢測方法。
本發明是利用極性物質分子在外加時變電磁場中的弛豫現象(或取向極化現象或極性分子轉動現象)，通過掃頻方法測量物質的弛豫時間和諧振頻偏等參量，在已建立的標準物質電磁特性模型基礎上，通過相關算法處理得到被識別物質的成分和含量。
下面簡單介紹極性物質電磁特性模型和基于物質弛豫特性識別物質的方法及步驟。
本發明所述的基于物質弛豫特性的識別方法如下根據Debye理論和0nsager模型，極性物質的復介電常數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∞為無限大頻率時的相對介電常數；εs為零頻時的相對介電常數；τ為弛豫時間；Pm為單個偶極子的偶極矩；N為單位體積中的偶極子數；ε0為真空中的介電常數；KB為波爾茲曼常數；U為偶極子位能；W為勢壘高度。
對于液體，偶極分子的弛豫時間計算公式為τ=4πr3ηKBTfC]]>上式中，f為與轉動分子形狀有關的摩擦系數；C為表示轉動分子與其周圍環境相互耦合程度的半徑因子；T為溫度；KB為波爾茲曼常數；η為黏度。
由以上分析知物質的介電常數ε(ω)與溫度T有關；弛豫時間τ與物質種類有關。從同一發明人申請的申請號為02125071·5的方法中已知測量電路頻偏Δf和衰減可獲得物質的流量與其成分體積比的關系。故通過建立弛豫時間τ、溫度T、頻偏Δf和衰減的關系，用基于掃頻方法測得的物質電磁波譜特性，經信號處理后可識別物質的成分和測量其含量。
本發明所述的物質成分和含量的檢測方法由以下步驟組成一、事先在不同溫度下對不同的標準物質進行掃頻測量，獲得其電磁特性，對不同的標準物質分別進行掃頻測量，建立標準物質數據庫；二、設計一種能與被識別物質相互作用的電路，通過掃頻方法測量或獲取被識別物質的電磁特性；三、建立混合物質電磁特性模型，獲得物質成分和含量與其電磁特性模型的關系；四、使被識別物質與電路相互作用，通過求解特定邊界條件下的Maxwell方程組，獲得電磁場與物質的關系，從而得到被識別物質的成分和含量。
上述的電磁特性主要是復介電常數和復導磁率，尤其是物質的弛豫特性，或稱偶極子的取向極化損耗特性，如前面介紹的復介電常數ε(ω)與εs、ε∞、T、τ等參數的關系；步驟(一)中所述的電路為集中參數電路或分布參數電路，具體的說是一種可調諧寬帶電路；被識別物質與所述電路相互作用時可發生多諧振現象，從而產生多個諧振吸收峰，尤其是微波、毫米波和亞毫米波頻段的吸收峰，通過掃頻方法可測量或者獲取被識別物質的電磁特性；所述的掃頻測量為現有的掃頻測量；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，用現有技術建立電磁特性參數與物質成分和含量的關系。由于本掃頻方法獲得的被識別物質電磁特性與溫度有關，所以測量時必須恒溫或進行溫度修正。識別精度與混合物質電磁特性模型密切相關，改進物質電磁特性模型可提高識別精度。
本發明所述的方法系為一種無損檢測，即不破壞物質的成分和含量；并且是快速動態檢測，即被識別物質與電路相互作用后，獲得結果僅需幾毫秒。本發明方法識別物質穩定性好、精度高，能在線識別物質成分和含量，適用范圍廣。
實驗結果如下在圖1所示的實驗條件下被測物質的介電常數εγ’、εγ”與頻偏Δf1、諧振頻率f1和駐波比ρ的關系為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，本實驗條件下為22.86×10.16×100(mm3)；f1為腔體的諧振頻率；Δf1為腔體諧振時的3dB帶寬；ρ1是腔體輸出端接匹配負載時輸入端的駐波比；ρ2是腔體輸入端接匹配負載時輸出端的駐波比。
在圖1所示的實驗條件下，測量得到水的弛豫時間τ與溫度T的關系見表1；幾種物質的弛豫時間τ見表2。
表1水的弛豫時間τ與溫度T的關系
表2幾種物質的弛豫時間τ(25℃)
圖1為本發明提供的實驗條件。
圖2為實施例中的系統框圖。
圖3為實施例中的電路框圖。
具體實施例方式
根據上面的方法和步驟，本專業的普通技術人員就可以實施本發明技術，實現發明目的。
如圖2所示，本實施例包括一個電路與物質相互作用區、阻抗變換器、檢測器、掃頻信號發生器和數據處理系統。本發明設計的電路可以是集中參數電路，也可以是分布參數電路。本發明是通過掃頻方法獲取被識別物質的電磁特性，在已建立的標準物質電磁特性模型的基礎上，通過相關算法識別被測物質的成分和含量。如實驗結果部分介紹εγ’、εγ”、與ρ1、ρ2、f1、Δf1和ds等參數的關系。
本發明方法步驟如下如圖3所示，數據處理系統12控制A/D轉換器1輸出模擬掃頻電壓，模擬掃頻電壓驅動壓控振蕩器2輸出掃頻微波，掃頻微波經單向器3和阻抗變換器4進入微波電路5。在微波電路中，樣品管6內的被識別物質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，攜帶有被識別物質特征的微波經阻抗變換器8和單向器9進入檢測器10，檢測器輸出經D/A轉換器11進入數據處理系統12。數據處理系統將獲得的信息與標準物質數據庫系統13比較，即可識別物質的成分和含量。7為溫度測量電路，用于修正由于溫度變化而引起測量參數的變化。
以上實施例僅對發明作進一步的說明，而本發明的范圍不受所舉實施例中電磁特性模型和算法的局限。
權利要求
1.一種物質成分和含量的檢測方法，其特征在于由以下步驟組成(一)、事先在不同溫度下對不同的標準物質進行掃頻測量，獲得其電磁特性，對不同的標準物質分別進行掃頻測量，建立標準物質數據庫；(二)、設計一種能與被識別物質相互作用的電路，通過掃頻方法測量或獲取被識別物質的電磁特性；(三)、建立混合物質電磁特性模型，獲得物質成分和含量與其電磁特性模型的關系；(四)、使被識別物質與電路相互作用，通過求解特定邊界條件下的Maxwell方程組，獲得電磁場與物質的關系，從而得到被識別物質的成分和含量。
2.按照權利要求1所述的檢測方法，其特征在于所述的電磁特性是復介電常數和復導磁率。
3.按照權利要求2所述的檢測方法，其特征在于所述的電磁特性是物質的弛豫特性。
4.按照權利要求1所述的檢測方法，其特征在于步驟(一)中所述的所述的電路為集中參數電路或分布參數電路。
5.按照權利要求4所述的檢測方法，其特征在于所述的電路是可調諧寬帶電路。
6.按照權利要求1所述的檢測方法，其特征在于測量時恒溫或進行溫度修正。
全文摘要
本發明涉及一種電磁波譜技術在識別物質成分和含量上的應用。本發明所述方法由以下步驟組成一.事先在不同溫度下對不同的標準物質進行掃頻測量，獲得其電磁特性，對不同的標準物質分別進行掃頻測量，建立標準物質數據庫；二.設計一種能與被識別物質相互作用的電路，通過掃頻方法測量或獲取被識別物質的電磁特性；三.建立混合物質電磁特性模型，獲得物質成分和含量與其電磁特性模型的關系；四.使被識別物質與電路相互作用，通過求解特定邊界條件下的Maxwell方程組，獲得電磁場與物質的關系，從而得到被識別物質的成分和含量。
文檔編號G01N27/00GK1710412SQ20041004002
公開日2005年12月21日 申請日期2004年6月17日 優先權日2004年6月17日
發明者黃銘, 彭金輝, 王威廉, 宗容, 楊明華, 辜曉茹 申請人:昆明金匯通無線與微波技術研究所