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拉曼光谱传递与定量分析技术研究及其工业应用

作　者: 董学锋
导　师: 戴连奎
学　校: 浙江大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 拉曼光谱光谱传递定量分析光谱合成在线分析仪温度校正
分类号: O657.37
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

拉曼光谱技术是一种重要的分析手段,正在得到越来越广泛的应用。本文对拉曼光谱的标准化以及不同仪器之间的传递进行了深入研究,对传统定量分析方法进行了改进,相关研究成果被应用于分体式在线拉曼分析仪的数据分析软件。本文主要研究内容包括：(1)色散型拉曼光谱仪容易受到环境温度的影响,使测得的光谱重复性变差,产生波数漂移以及分辨率变化的现象。为此,本文提出了一种基于高斯函数卷积的光谱校正方法。该方法利用标准物质获得光谱仪在不同温度下的仪器响应函数,并以此构造高斯函数,通过卷积运算对温度造成的波数漂移以及分辨率变化进行校正。该方法直接基于拉曼谱分析,机理性强,无需选择一组传递样本。实验结果表明,该方法能有效去除温度对色散型拉曼光谱仪的影响,使得不同温度下测得的光谱一致性大幅提高。(2)本文研究了基于仪器信号响应函数的拉曼光谱传递,提出了一个将拉曼光谱从高分辨率传递至低分辨率光谱仪的简便方法。该方法无需选择一组有代表性的样本建立统计模型,只需构建一个高斯函数进行卷积运算,就能消除源机与目标机在分辨率上的区别；同时,结合现有的波数校正方法与相对拉曼强度校正方法,即可实现拉曼光谱的传递。实验结果表明,该方法借助于校正光源与标准荧光片,就能较好的实现拉曼光谱在一台仪器上或者不同仪器之间的传递。(3)为了实现拉曼数据库在不同仪器之间的应用,本文提出了一种基于分段直接标准化(PDS)的拉曼光谱传递方法。该方法无需对光谱仪信号响应进行机理分析,只要通过少数传递样本建立统计模型,就能获得不同仪器间的拉曼光谱转换系数。对于传递样本的选择,使用了基于马氏距离的Kennard-Stone样本选择方法。实验将离线分析仪测得的汽油样本光谱传递至在线分析仪上,建立了辛烷值(RON)的拉曼分析模型。结果表明,传递模型达到了与重建模型相近的性能,基于PDS的拉曼光谱传递方法具有实际应用价值。(4)针对常用软建模、硬建模方法的各自局限,本文提出了一种基于拉曼光谱合成的定量分析方法。该方法利用各组分光谱的线性叠加拟合混合物的拉曼光谱,并以此计算组分的浓度。建立定量模型时无需获得大量真实样本,计算方便,适合于工艺稳定、变化缓慢的分析对象。将拉曼光谱合成模型应用于甲醇汽油的甲醇含量分析,并与PLS方法进行了比较。结果表明,在建模样本数量有限时,拉曼光谱合成模型的整体预测性能与PLS模型接近,但在外推时具有更低的风险。(5)本文介绍了一种基于拉曼光谱的在线分析仪表,适用于甲醇汽油的调和过程。在线分析仪的主机安置于远离现场的操作室,利用长光纤与工业现场的拉曼探头连接。采用分体式的设计使得工业现场无电气信号,主机无需防爆设计,大大简化了系统。分析软件中,结合了先进的光谱数据预处理以及定量分析算法,对油样进行质量分析。现场运行结果表明,该分析仪能对调和成品油中的甲醇含量进行连续监控,具有分析速度快、精度高、维护简便的优点,为企业稳定、优化生产提供了一个重要手段。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
1 绪论  12-22
  摘要  12
  1.1 引言  12-13
  1.2 拉曼光谱分析技术  13-18
    1.2.1 拉曼光谱原理  13-14
    1.2.2 拉曼光谱技术特点  14-15
    1.2.3 拉曼光谱仪系统结构  15-18
  1.3 拉曼技术应用现状  18-20
  1.4 本文的研究内容和创新点  20-22
2 拉曼光谱分析方法综述  22-34
  摘要  22
  2.1 引言  22-23
  2.2 光谱数据预处理  23-24
  2.3 拉曼光谱定量分析方法  24-28
    2.3.1 软建模方法  25-27
    2.3.2 硬建模方法  27-28
  2.4 拉曼光谱传递方法  28-34
    2.4.1 建模传递方法  29-30
    2.4.2 光谱校正传递方法  30-34
3 色散型拉曼光谱仪温度校正方法  34-48
  摘要  34
  3.1 引言  34-35
  3.2 基于M函数卷积的校正算法  35-36
  3.3 基于高斯函数卷积的校正算法  36-39
  3.4 色散型拉曼光谱仪温度校正实验  39-46
    3.4.1 实验仪器  39-40
    3.4.2 样本来源  40
    3.4.3 程序计算与评价指标  40-41
    3.4.4 构造传递函数  41-42
    3.4.5 标准样本的温度校正  42-43
    3.4.6 测试样本的温度校正  43-46
  3.5 小结  46-48
4 基于光谱信号校正的拉曼光谱传递方法  48-64
  摘要  48
  4.1 引言  48-50
  4.2 方法介绍  50-53
    4.2.1 拉曼位移校正方法  50-51
    4.2.2 拉曼相对强度校正方法  51-53
  4.3 FT型光谱仪上的拉曼光谱传递实验  53-56
    4.3.1 实验仪器与样本  53-54
    4.3.2 实验结果  54-56
  4.4 色散型光谱仪之间的拉曼光谱传递实验  56-61
    4.4.1 实验仪器与样本  56
    4.4.2 实验结果  56-61
  4.5 小结  61-64
5 基于分段直接标准化的拉曼光谱传递方法  64-76
  摘要  64
  5.1 引言  64-66
  5.2 方法介绍  66-69
    5.2.1 分段直接标准化方法  66-67
    5.2.2 Kennard-Stone标样选择方法  67-68
    5.2.3 基于分段直接标准化的拉曼光谱传递方法  68-69
  5.3 实验  69-74
    5.3.1 实验仪器与样本  69-70
    5.3.2 光谱数据预处理  70-71
    5.3.3 传递样本选择与传递结果  71-74
  5.4 小结  74-76
6 基于拉曼光谱合成的定量分析方法  76-86
  摘要  76
  6.1 引言  76-77
  6.2 拉曼光谱合成方法  77-80
    6.2.1 拉曼光谱合成模型  77-79
    6.2.2 合成模型参数辨识  79
    6.2.3 未知样本含量预测  79-80
  6.3 基于拉曼光谱合成的定量分析方法  80-84
    6.3.1 实验仪器与样本数据  80-81
    6.3.2 基础油已知时的结果  81-83
    6.3.3 基础油未知时的结果  83-84
  6.4 小结  84-86
7 分体式在线拉曼分析仪的开发应用  86-102
  摘要  86
  7.1 引言  86-87
  7.2 分体式在线拉曼分析仪设计  87-89
    7.2.1 硬件设计  87-88
    7.2.2 软件设计  88-89
  7.3 甲醇汽油拉曼分析方法  89-98
    7.3.1 光谱预处理方法  89-97
    7.3.2 定量分析方法  97-98
  7.4 在线拉曼分析仪的现场应用  98-100
  7.5 小结  100-102
8 总结与展望  102-106
  8.1 研究工作总结  102-103
  8.2 研究工作展望  103-106
参考文献  106-118
致谢  118-120
作者读博期间发表的论文  120
作者读博期间参与的科研项目  120

拉曼光谱传递与定量分析技术研究及其工业应用

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