胶体多参数测量实验研究及多通道同步数据采集系统设计

论文摘要

近年来，胶体中纳米颗粒倍受研究者的青睐，在研究胶体时，其颗粒相粒度、密度和浓度等参数对胶体性质影响非常大。因此，研究胶体颗粒相粒度、密度和浓度非常重要。本文第一部分内容围绕胶体颗粒相粒度、密度和浓度展开，发展了一种利用超声同时获得胶体颗粒相粒度、密度和浓度的方法。同时，组建了一套胶体多参数测量的实验系统，系统包括硬件和软件两个部分。具体包括如下内容：一：胶体多参数测量实验系统分为硬件和软件两大部分。其中硬件部分主要包括：脉冲超声发射/接收仪、NI-5114高速数据采集板卡、样品池、超声换能器和电脑等设备。软件部分由LabVIEW开发，主要包括数据采集、快速傅立叶变化、曲线拟合、密度浓度和声衰减谱计算等模块。颗粒粒度测量范围为：10nm～10um，质量浓度可高达40%，对颗粒密度没有具体要求，整个测量系统稳定，可靠。二：实验中，以纳米ATO和纳米硫磺为研究对象，每个样品分别测量了四组浓度下的数据。实验结果表明：1超声方法能够同时获得样品的粒度、密度和浓度信息。2样品粒度分布结果和其它纳米颗粒测量方法结果相比较为吻和，说明采用超声衰减谱法测量纳米颗粒的合理性。3样品密度的测量误差均小于1%，而浓度误差则小于10%，主要原因在于浓度测量结果依赖于密度的测量结果，即密度测量结果的误差会通过误差传递的方式带入浓度测量结果。三：探讨了采用脉冲或连续超声波激发对颗粒粒度表征的影响。研究发现：1两种激励方式下的声衰减谱的趋势相同。2连续波激励下的声衰减谱数值上比脉冲波激励下的大10%左右。3结合粒径反演，发现，相比脉冲波激励，连续波激励下的颗粒系特征尺寸D10，D50和D90偏大5%以内，这和连续波激励下测量区之间复杂的声场特性相关。综上所述，不同激励方式下，颗粒粒度表征呈现出很高的一致性。四：同时，还讨论了超声分散在颗粒粒度表征中的作用及超声分散前后胶体的稳定性。为此，利用LabVIEW开发了一个可以实时采集超声信号峰峰值的程序。实验测量了超声分散前、超声分散后、静置1min和静置5min四个状态下的声衰减谱和粒度分布。结果发现：超声分散后的声衰减谱数值上明显小于超声分散前的声衰减谱，颗粒系特征尺寸D10、D50均小于分散前的，说明经过超声分散后，团聚的纳米颗粒被超声波空化效应引起的高温高压能量击碎，形成了更小的纳米颗粒；随着放置时间的增加，声衰减谱不断增大，粒径分布逐渐变窄，相应的D10、D50、D90变大。说明超声分散在一定程度上能分散已团聚的纳米颗粒，然而分散后系统并不稳定，很快纳米颗粒会再次发生团聚。以上测量装置和实验均适用于静态情况。然而，实际工业生产中存在许多两相流及多相流问题。其中，两相流的测量是一大难题，层析成像技术是两相流测量问题的一个较好的解决方案。因此，文中第二部分设计了一套可用于超声层析成像的多通道数据同步采集系统，主要包括扇形束超声换能器阵列、微弱信号放大电路及多通道采集程序三方面的内容：五：设计了一个超声换能器阵列。为了兼顾系统独立测量量个数及复杂程度，该阵列含有16个超声换能器，采用扇形束扫描方式，每次实验可得240个独立测量量。六：微弱信号放大电路是连接换能器阵列和数据采集卡的一个纽带。包括阻抗匹配、两级放大和滤波三个模块。七：利用两块PCI-5105数据板卡和LabVIEW8.5开发了一个多通道（16）同步数据采集程序，利用上述三部分构成了一套多通道同步数据采集系统，并利用此装置进行了换能器阵列信号的同步采集。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1.1 课题背景及意义
• §1.2 纳米颗粒粒度、密度和浓度测量方法综述
• §1.2.1 纳米颗粒粒度测量方法综述
• §1.2.2 密度和浓度测量方法综述
• §1.3 层析成像国内外研究现状
• §1.3.1 层析成像发展
• §1.3.2 层析成像分类及特点
• §1.4 本文研究内容和章节安排
• §1.4.1 本文的研究内容
• §1.4.2 本文的章节安排
• 第二章 胶体多参数测量原理
• §2.1 超声检测基础
• §2.1.1 超声及其产生
• §2.1.2 超声波特征量
• §2.2 纳米颗粒粒度测量理论模型
• §2.2.1 ECAH 理论模型
• §2.2.2 “长波长”简化模型
• §2.2.3 BLBL（Bouguer-Lambert-Beer-Law）模型
• §2.3 纳米颗粒密度和浓度测量模型
• §2.4 本章小结
• 第三章 胶体多参数测量系统及测量方法
• §3.1 硬件系统
• §3.1.1 超声换能器及激励系统
• §3.1.2 数据采集系统
• §3.2 软件系统
• §3.3 声速、声衰减和声阻抗测量方法
• §3.3.1 直接接触式
• §3.3.2 多次回波法
• §3.4 本章小结
• 第四章 胶体多参数测量结果与讨论
• §4.1 胶体多参数测量结果
• §4.1.1 样品准备
• §4.1.2 测量步骤
• §4.1.3 纳米 ATO 测量结果
• §4.1.4 纳米硫磺测量结果
• §4.2 不同激励方式对颗粒粒度表征的影响
• §4.3 颗粒团聚对颗粒粒度表征的影响
• §4.4 测量范围探讨
• §4.5 本章小结
• 第五章 超声层析成像基础
• §5.1 超声层析成像的发展
• §5.1.1 几何声学近似
• §5.1.2 基于波动理论
• §5.2 超声波在非均匀两相介质中的传播特性
• §5.2.1 波动方程的基本形式
• §5.2.2 齐次波动方程
• §5.2.3 非齐次波动方程
• §5.3 超声层析成像技术面临的几大问题
• §5.4 本章小结
• 第六章 多通道同步采集系统设计
• §6.1 扇形束超声传感器阵列设计
• §6.1.1 扫描方式的选择
• §6.1.2 超声传感器晶片形式及个数的确定
• §6.1.3 超声传感器的设计
• §6.1.4 超声换能器的制作
• §6.1.5 超声换能器的测试
• §6.2 放大电路设计与制作
• §6.2.1 阻抗匹配模块
• §6.2.2 两级放大模块
• §6.2.3 两阶带通滤波模块
• §6.2.4 电路仿真分析
• §6.2.5 PCB 板设计及测试
• §6.3 多通道同步采集程序设计
• §6.4 层析成像实验
• §6.5 本章小结
• 第七章 总结和展望
• §7.1 本文总结
• §7.2 本文展望
• 附录一 多参数测量程序使用说明书
• 附录二 PCB板设计图及实物图
• 主要符号表
• 参考文献
• 在读期间公开发表的论文及承担项目及取得成果
• 致谢
• 后记