专利名称：一种物质成分和含量的检测方法
技术领域：
本发明涉及一种电磁波谱技术在识别物质成分和含量上的应用。
背景技术：
目前，识别物质成分和含量的常用方法有原子发射或吸收光谱法、X射线荧光光谱法、紫外或可见光吸收光谱法、荧光与磷光光谱法、红外光谱法、拉曼光谱法和核磁共振波谱法等。原子发射光谱法检测受激原子或离子的能级跃迁发出的谱线位置和强度识别组成物质的元素及其含量；原子吸收光谱法检测受激原子的共振吸收波长和衰减识别元素及其含量；X射线荧光光谱法原理是受到X射线、高能粒子束或同步辐射源照射的物质，其原子的内层电子被逐出，发射特征X射线，通过检测特征X射线的波长和强度来识别组成物质的元素及其含量；紫外或可见光吸收光谱法是通过检测分子内电子能级的变化而产生的吸收光谱的波长和强度来识别物质及其含量；荧光与磷光光谱法是通过检测基态分子吸收光能受激处于激发态、激发态返回基态时谱线的波长和强度来识别物质及其含量；红外光谱法是通过红外光与被检测物质的分子内部原子间相对振动的相互作用，监测红外光吸收波长和强度来识别物质及其含量；拉曼光谱法是基于被检测物质的分子内部原子间的相对振动对激发光的散射，引起散射光频率的变化来识别物质；核磁共振波谱法通过检测被识别物质在静磁场中的拉莫进动而识别物质。这些识别方法的特点是谱线纯度高且稳定，因而识别容易。
公开号为CN1375694A(申请号02107199.3)的中国专利申请公开了一种“谐振装置，特别是微波谐振装置和测量装置”，系涉及一种谐振装置，特别是一种用于检测烟草加工业一种物流存在至少一种异物和/或用于测定该物流的质量、密度和/或湿度的微波谐振装置，它包括一个谐振器外壳和一个该物流的通过孔。此外，该发明涉及一种相应的测量装置以及一个用于检测该物流的测量系统和方法。该发明的特征是，该谐振装置包括至少一个增加电磁波能量密度的元件。该发明测量装置的特征是，该测量装置包括至少两个谐振器外壳，它们分别确定一个测量范围，其中电磁场包括电场，这些电场在相应的测量范围内在相互不同的空间方向内取向。该发明测量系统的特征为，至少设置了两个装置，用它们可在相互不同的空间方向内测量物流。所述的方法可用于检测烟草加工业一种物流存在至少一种异物或用于测定该物流的质量、密度或湿度，但该方法未考虑物质的弛豫特性，不能识别物质成分。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的识别物质的方法，尤其是提供一种基于物质弛豫特性的在线识别物质成分和含量的检测方法。
本发明是利用极性物质分子在外加时变电磁场中的弛豫现象(或取向极化现象或极性分子转动现象)，通过扫频方法测量物质的弛豫时间和谐振频偏等参量，在已建立的标准物质电磁特性模型基础上，通过相关算法处理得到被识别物质的成分和含量。
下面简单介绍极性物质电磁特性模型和基于物质弛豫特性识别物质的方法及步骤。
本发明所述的基于物质弛豫特性的识别方法如下根据Debye理论和0nsager模型，极性物质的复介电常数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∞为无限大频率时的相对介电常数；εs为零频时的相对介电常数；τ为弛豫时间；Pm为单个偶极子的偶极矩；N为单位体积中的偶极子数；ε0为真空中的介电常数；KB为波尔兹曼常数；U为偶极子位能；W为势垒高度。
对于液体，偶极分子的弛豫时间计算公式为τ=4πr3ηKBTfC]]>上式中，f为与转动分子形状有关的摩擦系数；C为表示转动分子与其周围环境相互耦合程度的半径因子；T为温度；KB为波尔兹曼常数；η为黏度。
由以上分析知物质的介电常数ε(ω)与温度T有关；弛豫时间τ与物质种类有关。从同一发明人申请的申请号为02125071·5的方法中已知测量电路频偏Δf和衰减可获得物质的流量与其成分体积比的关系。故通过建立弛豫时间τ、温度T、频偏Δf和衰减的关系，用基于扫频方法测得的物质电磁波谱特性，经信号处理后可识别物质的成分和测量其含量。
本发明所述的物质成分和含量的检测方法由以下步骤组成一、事先在不同温度下对不同的标准物质进行扫频测量，获得其电磁特性，对不同的标准物质分别进行扫频测量，建立标准物质数据库；二、设计一种能与被识别物质相互作用的电路，通过扫频方法测量或获取被识别物质的电磁特性；三、建立混合物质电磁特性模型，获得物质成分和含量与其电磁特性模型的关系；四、使被识别物质与电路相互作用，通过求解特定边界条件下的Maxwell方程组，获得电磁场与物质的关系，从而得到被识别物质的成分和含量。
上述的电磁特性主要是复介电常数和复导磁率，尤其是物质的弛豫特性，或称偶极子的取向极化损耗特性，如前面介绍的复介电常数ε(ω)与εs、ε∞、T、τ等参数的关系；步骤(一)中所述的电路为集中参数电路或分布参数电路，具体的说是一种可调谐宽带电路；被识别物质与所述电路相互作用时可发生多谐振现象，从而产生多个谐振吸收峰，尤其是微波、毫米波和亚毫米波频段的吸收峰，通过扫频方法可测量或者获取被识别物质的电磁特性；所述的扫频测量为现有的扫频测量；所述的建立电磁特性模型，系采用所获得谐振频率、谐振带宽和谐振吸收峰等电磁特性参数，用现有技术建立电磁特性参数与物质成分和含量的关系。由于本扫频方法获得的被识别物质电磁特性与温度有关，所以测量时必须恒温或进行温度修正。识别精度与混合物质电磁特性模型密切相关，改进物质电磁特性模型可提高识别精度。
本发明所述的方法系为一种无损检测，即不破坏物质的成分和含量；并且是快速动态检测，即被识别物质与电路相互作用后，获得结果仅需几毫秒。本发明方法识别物质稳定性好、精度高，能在线识别物质成分和含量，适用范围广。
实验结果如下在图1所示的实验条件下被测物质的介电常数εγ’、εγ”与频偏Δf1、谐振频率f1和驻波比ρ的关系为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为样品管直径(3mm)；a×b×l为腔体的宽×高×长，本实验条件下为22.86×10.16×100(mm3)；f1为腔体的谐振频率；Δf1为腔体谐振时的3dB带宽；ρ1是腔体输出端接匹配负载时输入端的驻波比；ρ2是腔体输入端接匹配负载时输出端的驻波比。
在图1所示的实验条件下，测量得到水的弛豫时间τ与温度T的关系见表1；几种物质的弛豫时间τ见表2。
表1水的弛豫时间τ与温度T的关系
表2几种物质的弛豫时间τ(25℃)
图1为本发明提供的实验条件。
图2为实施例中的系统框图。
图3为实施例中的电路框图。
具体实施例方式
根据上面的方法和步骤，本专业的普通技术人员就可以实施本发明技术，实现发明目的。
如图2所示，本实施例包括一个电路与物质相互作用区、阻抗变换器、检测器、扫频信号发生器和数据处理系统。本发明设计的电路可以是集中参数电路，也可以是分布参数电路。本发明是通过扫频方法获取被识别物质的电磁特性，在已建立的标准物质电磁特性模型的基础上，通过相关算法识别被测物质的成分和含量。如实验结果部分介绍εγ’、εγ”、与ρ1、ρ2、f1、Δf1和ds等参数的关系。
本发明方法步骤如下如图3所示，数据处理系统12控制A/D转换器1输出模拟扫频电压，模拟扫频电压驱动压控振荡器2输出扫频微波，扫频微波经单向器3和阻抗变换器4进入微波电路5。在微波电路中，样品管6内的被识别物质与微波电路相互作用，改变微波电路的谐振频率、幅度和带宽等参数，携带有被识别物质特征的微波经阻抗变换器8和单向器9进入检测器10，检测器输出经D/A转换器11进入数据处理系统12。数据处理系统将获得的信息与标准物质数据库系统13比较，即可识别物质的成分和含量。7为温度测量电路，用于修正由于温度变化而引起测量参数的变化。
以上实施例仅对发明作进一步的说明，而本发明的范围不受所举实施例中电磁特性模型和算法的局限。
权利要求
1.一种物质成分和含量的检测方法，其特征在于由以下步骤组成(一)、事先在不同温度下对不同的标准物质进行扫频测量，获得其电磁特性，对不同的标准物质分别进行扫频测量，建立标准物质数据库；(二)、设计一种能与被识别物质相互作用的电路，通过扫频方法测量或获取被识别物质的电磁特性；(三)、建立混合物质电磁特性模型，获得物质成分和含量与其电磁特性模型的关系；(四)、使被识别物质与电路相互作用，通过求解特定边界条件下的Maxwell方程组，获得电磁场与物质的关系，从而得到被识别物质的成分和含量。
2.按照权利要求1所述的检测方法，其特征在于所述的电磁特性是复介电常数和复导磁率。
3.按照权利要求2所述的检测方法，其特征在于所述的电磁特性是物质的弛豫特性。
4.按照权利要求1所述的检测方法，其特征在于步骤(一)中所述的所述的电路为集中参数电路或分布参数电路。
5.按照权利要求4所述的检测方法，其特征在于所述的电路是可调谐宽带电路。
6.按照权利要求1所述的检测方法，其特征在于测量时恒温或进行温度修正。
全文摘要
本发明涉及一种电磁波谱技术在识别物质成分和含量上的应用。本发明所述方法由以下步骤组成一.事先在不同温度下对不同的标准物质进行扫频测量，获得其电磁特性，对不同的标准物质分别进行扫频测量，建立标准物质数据库；二.设计一种能与被识别物质相互作用的电路，通过扫频方法测量或获取被识别物质的电磁特性；三.建立混合物质电磁特性模型，获得物质成分和含量与其电磁特性模型的关系；四.使被识别物质与电路相互作用，通过求解特定边界条件下的Maxwell方程组，获得电磁场与物质的关系，从而得到被识别物质的成分和含量。
文档编号G01N27/00GK1710412SQ20041004002
公开日2005年12月21日 申请日期2004年6月17日 优先权日2004年6月17日
发明者黄铭, 彭金辉, 王威廉, 宗容, 杨明华, 辜晓茹 申请人:昆明金汇通无线与微波技术研究所