1 长春理工大学理学院, 吉林 长春 130022
2 长春工业大学机电工程学院, 吉林 长春 130012
3 包头师范学院物理科学与技术学院, 内蒙古 包头 014030
近年来, 激光诱导击穿光谱(LIBS)与算法相结合分类、 识别生物组织逐渐兴起。 由于猪肉各部位组织光谱特性相似, 仅通过分析光谱信息很难达到准确识别的效果, 采用来自于同一个体、 四个不同部位的猪肉进行研究, 并将其进行切片、 压平, 应用LIBS技术对4种部位的组织(里脊, 梅花, 前腿, 五花)进行了样品光谱的采集, 每种样品采集100幅光谱进行分析, 选取Ca, Na, K等6条谱线进行了初步光谱分析, 观测谱线发现除脂肪含量较多的五花组织C—N以及C含量较其他组织高以外, 其他组织很难区分, 进一步对这6个成分进行主成分分析(PCA), 得到PC1, PC2, PC3累计贡献率达到95%, 通过特征分数作为支持向量机(SVM)模型输入源, 建立SVM分类模型, 得到几种部位样品的混淆矩阵图, 通过观察混淆矩阵可以清楚分辨出每个种类样品的分类整准确率, 发现四种样品准确率分别为96%, 98%, 97%, 100%, 平均准确率达到了97%以上。 研究证明LIBS结合PCA-SVM可作为一种快速鉴别猪肉不同组织部位的检测方法。
激光诱导击穿光谱 主成分分析 支持向量机 猪肉组织 Laser-induced breakdown spectroscopy Principal component analysis Support Vector Machines Pork tissue 光谱学与光谱分析
2021, 41(11): 3572
1 上海飞机制造有限公司，上海 201324
2 哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001
针对表面涂有150 μm厚环氧基底漆涂层的2024铝合金，采用不同脉冲频率的纳秒脉冲激光进行激光清洗试验，分析了激光清洗后试样的表面形貌、表面粗糙度、清洗厚度以及清洗机理等。试验结果表明：表面粗糙度（Ra）受频率的影响较小且在3 μm左右。计算了不同脉冲频率下的清洗深度，结果发现，当频率为10 kHz时，清洗深度约为130 μm。通过数值模拟分别研究了激光清洗过程中脉冲频率对烧蚀机制中烧蚀量和剥离机制中热应力的影响。数值模拟结果表明：烧蚀量随着频率的增大而降低，在5~25 kHz范围内烧蚀量的最大降幅超过9%；通过最大热应力与脉冲能量密度的线性拟合计算得到剥离机制的触发阈值约为1.64 J/cm2；在脉冲能量密度高于1.64 J/cm2的条件下，频率越高，越难积热，从而使得烧蚀机制越弱；越大的频率使得热应力超过结合力的频次更多，剥离机制增强，能获得更好的清洗效果。
激光技术 激光清洗 脉冲频率 有限元分析 物理机制 激光与光电子学进展
2021, 58(19): 1914009
1 上海飞机制造有限公司， 上海 201324
2 哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室， 黑龙江 哈尔滨 150001
采用不同脉冲频率和脉冲宽度的纳秒激光开展了2024铝合金表面150 μm厚环氧基底漆涂层的激光清洗研究，分析了激光清洗试样表面的宏观和微观形貌，探讨了不同激光参数下的除漆效果以及基材表面的损伤情况，并计算得到了在脉冲宽度为60 ns、脉冲频率为20 kHz下的基材损伤阈值为556.17 W。试验结果表明：当激光功率、脉冲宽度和脉冲频率分别为500 W、60 ns和20 kHz时，试样表面的油漆涂层被完全去除，且基材表面未发生熔化；在该参数下清洗后，试样表面氧元素的质量分数为43.44%，与原始基材表面氧元素的质量分数（42.51%）接近，说明基体表面的阳极氧化膜在激光清洗过程中未受损伤；在激光功率为500 W、脉冲宽度为60 ns、脉冲频率为20 kHz的激光参数下除漆后，基材表面的显微硬度为168.34 HV，接近原始基材表面显微硬度的99.1%，说明采用该参数清洗未影响基材表面的显微硬度。
激光技术 激光清洗 铝合金 油漆 损伤 表面形貌 激光与光电子学进展
2021, 58(5): 0514001
长春工业大学电气与电子工程学院, 吉林 长春 130012
猪肉内部结构成分复杂, 各部位的成分相似, 分辨较为困难。 结合激光诱导击穿光谱技术, 通过光谱分析的方式提高分类精度。 以5种不同部位的长白山黑猪肉(里脊肉、 梅花肉、 后腿肉、 前腿肉、 五花肉)作为待测样品, 通过冷藏、 切片等预处理方法, 探究激光诱导击穿光谱技术鉴别猪肉脂肪与肌肉及其不同部位的可行性。 首先通过采集猪肉脂肪样品与肌肉样品的LIBS谱线信息发现, 猪肉中Mg, K, Fe, Cu, Ca和Na等元素较为丰富, 并在脂肪样品光谱中发现C—N键, 与肌肉样品LIBS谱线信息相比, 脂肪样品受其内部水分、 有机质成分影响致使其谱线信息背景和噪声信号干扰较大, 二者谱线信息存在一定差异, 说明LIBS可对脂肪组织与肌肉组织进行鉴别。 通过对目标元素Ca, Na, Mg, K和Al其LIBS特征谱线强度进行检测, 计算Mg/Ca, Al/Ca, Na/Ca和K/Ca比值, 发现与Al/Ca和Mg/Ca相比, Na/Ca和K/Ca各部位元素比值分布差异明显, 在此基础上, 根据Na/Ca和K/Ca比值, 计算猪肉各部位元素分布决策阈值[(1-α)=90%]。 发现与Al/Ca和Mg/Ca比值相比, Na/Ca和K/Ca更能明显的反应出各部位元素分布的不同。 其比值分布阈值基本可对猪肉各部位进行区分。 以前腿肉与后腿肉为例, 前腿肉Na/Ca和K/Ca比值分别分布在1.29~1.58和0.31~0.42, 后腿肉Na/Ca和K/Ca比值分别分布在0.98~1.18和0.15~0.23。 其元素比值分布无明显重叠。 最后, 为提高LIBS技术对猪肉不同组织分类的可靠性, 将光谱元素强度比值数据与主成分分析法相结合, 基本可以实现对猪肉各部位的分类, 说明元素特征谱线强度比值在对猪肉各部位分类时具有一定的预测精度。 该工作证明, 使用激光诱导击穿光谱技术对猪肉进行分类识别等定性分析时具有一定可行性, 有望适用于其他生物组织检测分析。
激光诱导击穿光谱 猪肉分类 元素强度比 主成分分析 Laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) Classification of pork parts Element intensity ratio Principal component analysis
1 长春工业大学电气与电子工程学院, 吉林 长春 130012
2 长春理工大学理学院, 吉林 长春 130022
为促进LIBS技术在土壤微量重金属元素检测中的应用, 提高特征谱线的光谱强度和信背比, 对实验参数进行优化, 并对Cr元素进行分析。 首先对激光器激发能量、 样品距透镜距离和光谱仪采集延时等实验参数进行优化。 对比激光器能量从60 mJ到110 mJ的谱线强度和信背比, 当选用90 mJ的激发能量时可以得到最佳实验结果。 其次, 选择不同样品到透镜的距离, 对比从焦前5 mm到焦后5 mm得到的实验结果, 得出样品与透镜距离为焦后1 mm(即聚焦位置121 mm)时, Cr元素的特征谱线和信背比达到最佳。 最后, 分析对比光谱仪采集延时对谱线强度和信背比的影响, 结果显示, 与能量对等离子辐射强度的影响趋势大致相同, 当采集延时为1 000 ns时, 实验结果最佳。 在最佳实验条件下(即激光器能量90 mJ、 聚焦位置121 mm、 采集延时1 000 ns), 对12种含有重金属Cr元素的土壤样品进行了光谱检测, 为减弱外界环境的干扰, 对同一样品的10个激光烧蚀位置得到的光谱做平均值预处理, 选择Cr(Ⅰ)357.86 nm, Cr(Ⅰ)425.44 nm, Cr(Ⅰ)427.49 nm为特征谱线, 通过建立样品掺杂浓度和光谱强度的定标曲线, 得到了三条谱线的检测限LOD分别为74.62, 64.07和67.49 mg·kg-1, 拟合优度值R2分别为0.98, 0.97和0.99, 均方根误差值RMSE分别为0.41, 0.33和0.35。 同时, 引入偏最小二乘法及支持向量机算法进一步提高了定标模型精度。 研究表明, 通过对实验参数进行优化及改善LIBS技术对微量元素的定量探测参数, 得到了最优的光谱强度和信背比, 并通过对Cr元素进行定量分析, 计算定标曲线的Lorenz拟合得到检测限、 拟合优度和均方根误差等实验参数, 提高了LIBS对土壤中重金属元素的检测精度, 这对于利用LIBS技术检测微量重金属元素具有重要的参考意义。
激光诱导击穿光谱 检测限 拟合优度 均方根误差 Laser induced breakdown spectroscopy Limit of detection The goodness-of-fit values RMSE
1 哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 上海飞机制造有限公司, 上海 201324
3 中车长春客车轨道股份有限公司, 吉林 长春 130062
分别采用毫秒级和纳秒级脉冲宽度的激光对2024铝合金表面环氧油漆涂层进行激光清洗实验,使用高速摄像机对激光清洗过程进行监测,分析了清洗后试样表面的宏观与微观形貌。结果表明这两种激光在合适的工艺参数下均能有效去除涂层,获得清洁的基材表面,但二者的除漆特性有较大区别。纳秒脉冲激光除漆的能量效率远高于毫秒脉冲激光。经毫秒级CO2激光清洗后试样表面残留一层黑色炭灰,该物质为油漆涂层的燃烧产物,清洗过程中基材表面不容易发生熔化。纳秒脉冲激光清洗过程中产生了较强的等离子体,有大块的漆层碎片从基材表面剥离,当激光功率高于250 W时基材表面发生明显重熔。结合热弹性振动模型与热传导模型,对两种激光除漆过程的物理机制进行了探讨,发现毫秒脉冲激光除漆的主要机制为气化与燃烧效应,而纳秒脉冲激光除漆的主要机制为热弹性振动效应。
激光技术 激光清洗 脉宽 油漆涂层 表面形貌 清洗质量 物理机制
长春工业大学电气与电子工程学院, 吉林 长春 130012
为了提高土壤重金属激光诱导击穿光谱特征谱线的稳定性, 进而提高土壤定量分析的精度, 将图像寻优与激光诱导等离子体技术相结合对土壤中的Cu元素进行分析。 通过实验对比分析了 Cu Ⅰ 324.75 nm与 Cu Ⅰ 327.40 nm两条谱线的特性, 最后选取了Cu Ⅰ 324.75 nm作为分析谱线。 利用小波变换对光谱进行了降噪处理, 排除了基底效应对结果的影响, 提高了光谱的稳定性。 随后对不同延时下等离子体图像进行实时采集, 分析了延迟时间对光斑面积与光谱强度的影响, 确定了最佳延时为900 ns。 在最佳延时、 相同能量下, 对不同浓度土壤有寻优模型的光谱数据RSD与无寻优光谱数据的RSD进行了对比。 通过图像寻优模型选取最优的等离子体图像, 利用选取后的谱线数据进行计算, 发现不同浓度土壤的RSD都有较大改善, 无寻优条件下, 各浓度的RSD分别为5.39%, 6.22%, 7.56%, 8.42%和9.63%; 寻优条件下, 各浓度的RSD分别为3.24%, 4.47%, 5.32%, 6.13%和7.21%。 图像寻优的方法有效抑制了连续背景辐射, 提高了光谱的稳定性和重复性。 与没有经过图像寻优的数据相比, 经过图像寻优模型的谱线RSD分别下降了2.15%, 1.75%, 2.24%, 2.29%和2.42%。 大大提高了土壤中Cu元素含量的检测稳定性。 最后, 利用内标法对土壤重金属进行定量分析, 相比于无寻优条件下, 有寻优条件下定标模型的精确度和稳定性都有提高, R2由0.978提高到了0.995。 由以上数据可知图像寻优技术大大提高了光谱的稳定性, 在土壤重金属LIBS检测中图像寻优技术可以很大程度地提高LIBS技术对元素检测的定量分析能力。
激光诱导等离子体技术 土壤 图像寻优 内标法 Laser-induced plasma technology Soil Image optimization Internal standard method 光谱学与光谱分析
2020, 40(10): 3282
成都信息工程大学电子工程学院，四川成都 610200
设计了一种具备金属隔条屏蔽作用的立体微带电磁材料，可在射频通信系统调试中使用。与金属隔条相比，该材料具有轻薄、体积小、使用频段可调的优点，利于实现产品小型化和轻便化设计。该材料由水平电磁带 隙 (EBG)结构和垂直周期 “7”型结构组成， EBG结构具备抑制特定频段串扰信号作用，其上方垂直放置的周期“7”型接地结构，可将耦合电流引入地板，达到增强抑制和进一步净化金属腔体内部电磁环境的作用。通过改 变内嵌在材料中的电感值，可以实现对不同频率的高频串扰信号的抑制。实验结果表明，该电磁材料可对 15~19.25 GHz,19.4~21 GHz和21.2~24 GHz频段的串扰信号实现抑制度大于 35 dBc。
信号串扰 屏蔽 电磁材料 电感 signal crosstalk shielding electromagnetic material inductance 太赫兹科学与电子信息学报
2020, 18(3): 439
哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150001
采用干式/液膜辅助式激光清洗方法对高强钢表面的锈蚀层进行处理,研究了激光功率对试样表面状态的影响规律,并对两种方法的除锈机理进行了对比分析。结果表明:两种清洗方法都能有效去除试样表面的锈蚀层,且低功率下液膜辅助式激光清洗效果比干式激光清洗效果更好。优化的液膜辅助式激光除锈工艺参数为:激光功率400 W,脉冲频率10 kHz,脉宽30 ns,此时试样表面氧元素的质量分数为3.38%,试样的表面粗糙度为3.04 μm。
激光技术 锈蚀层 干式激光清洗 液膜辅助激光清洗 表面质量
