1 廊坊师范学院, 河北 廊坊 065000
2 北华航天工业学院, 河北 廊坊 065000
受太阳辐射、 气象等外界不可控因素的影响, 建筑反射隔热涂料的反射隔热性能会逐渐减损。 建筑反射隔热涂料性能在时间维度的变化是评价建筑在特定时段内节能效果的关键基础数据, 明确建筑反射隔热涂料性能在时间维度的减损规律具有重要的现实与理论意义。 建筑反射隔热涂料的反射、 吸收特征是其性能的直观体现, 借助高光谱技术定量分析涂料反射、 吸收特征可正确揭示涂料性能在时间尺度的变化特征。 为研究分析建筑反射隔热涂料性能在时间尺度上的减损规律, 该研究利用高光谱技术, 联合进行室内与外置实验采集涂料样本不同时期的光谱数据, 并结合吸收峰深度、 图谱分析法等光谱处理方法, 定量分析涂料光谱反射特征、 吸收特征在时间维度的变化特征, 以研究分析涂料光谱反射率在外界环境影响下的减损规律。 研究结论如下: （1）在350～2 250 nm波段区间内, 建筑反射隔热涂料的光谱反射率随时间的增加而降低; 光谱反射率的降低幅度在1月—5月内呈增加趋势, 而在5月—10月内呈递减规律, 且光谱反射率在可见光区间的降低幅度明显高于近红外区域。 （2）建筑反射隔热涂料的吸收峰深度随时间的增加而降低, 降低幅度在0~0.163范围内。 （3）涂料厚度对涂料光谱反射率（涂料性能）及其在时间尺度的变化规律具有重要影响, 且该影响拥有较强的稳定性; 涂料厚度对涂料光谱反射率的减弱幅度具有较强影响, 单一厚度的建筑反射隔热涂料的光谱反射率随时间的变化具有一致性, 随时间的增加而变弱。
反射隔热涂料 减损 高光谱 吸收峰深度 Reflective thermal insulation coating Impairment Hyperspectral Absorption peak depth 光谱学与光谱分析
2022, 42(12): 3745
1 钢铁研究总院, 北京 100081
2 钢研纳克检测技术股份有限公司, 北京 100081
拉曼光谱技术作为探究分子、 晶体及其结构特征的有力手段, 具有快速、 无损、 样品用量小、 无需前处理且适应性强等优点, 已被广泛应用于食品安全、 石油化工等领域。 但在拉曼光谱应用中, 常常受到荧光背景干扰, 导致拉曼信号降低, 严重的情况下拉曼信号甚至会淹没在荧光背景中。 为解决拉曼技术在实际应用中荧光背景干扰的问题, 从仪器角度出发, 采用二色镜对多波长拉曼光谱进行光路耦合设计, 研制了近红外拉曼光谱与移频差分拉曼复合一体的多波长消荧光拉曼光谱检测系统, 其中近红外拉曼光谱采用1 064 nm激光光源设计, 移频差分拉曼光谱选取784.5和785.5 nm两组激光光源进行时分复用, 在移频差分拉曼光谱检测的同时, 亦可获得两组单波长拉曼光谱数据。 通过对比同步测试和分时逐次测试的强度及峰位稳定性, 验证了多波长消荧光拉曼光谱仪的同步测试性能; 选取了多种荧光背景强弱不同的样品, 进行了单波长拉曼、 近红外拉曼及移频差分拉曼光谱的对比分析。 针对丙酮、 乙腈等荧光背景较弱的样品, 可采用单波长拉曼光谱对样品进行定量及定性分析; 针对食用油、 红色塑胶微粒等荧光背景与拉曼信号强度相当的样品, 可采用近红外拉曼光谱对样品进行定量及定性分析; 针对红酒、 棕色塑胶微粒等荧光背景较强的样品, 需结合近红外拉曼光谱和差分拉曼光谱对样品进行定性分析。 研究表明: 通过多波长消荧光拉曼光谱检测系统的研制, 在常规单波长拉曼光谱技术的基础上, 将两种抑制荧光干扰技术有机结合, 有效扩充了应用领域及样品检测范围。
拉曼光谱 移频差分拉曼 近红外拉曼 Raman spectra Shift differential Raman Near infrared Raman
1 钢铁研究总院, 北京 100081
2 钢研纳克检测技术股份有限公司, 北京 100081
钛合金凭借其强度高、 耐蚀性好、 耐热性高等特点已经被广泛应用于航天、 海洋、 生物医药等诸多领域, 其中Ti-6Al-4V(TC4)合金的耐热性、 强度、 塑性、 韧性、 成形性、 可焊性、 耐蚀性和生物相容性均较好, 已成为钛合金工业中的王牌合金。 钛合金在激光焊接时, 加入表面活性剂可以增加焊缝熔深、 提高焊接效率、 改善焊缝微观组织的不均匀性, 但是可能会改变熔合区和焊缝区中元素含量及其分布状态, 从而可能会对材料的性能产生一定的影响。 运用LIBS分析技术对TC4钛合金焊接试样表面进行面扫描同步获得多元素成分信息, 同时结合原位统计分布分析方法(OPA), 实现了对钛合金母材、 熔合区、 焊缝成分及其分布状态的快速表征, 为活性剂的选择和焊接后钛合金的材料性能提供一种新的评价手段。 选取了两个使用不同活性剂进行焊接的TC4钛合金薄板试样, 选取焊缝纵切面方向作为分析面, 采用320目的氧化铝砂纸进行表面处理, 利用LIBSOPA系统进行成分分布统计表征。 首先, 对激发光斑和剥蚀条件进行条件优化, 最终选择200 μm的激发光斑、 10个预剥蚀脉冲10个剥蚀脉冲进行实验, 并建立了钛合金中C, Al, V, Fe, Si和Ti六个元素的校准曲线(其中Si元素主要来自活性剂); 然后对钛合金焊接样品进行了区域扫描, 并对元素含量和分布状态进行了统计表征。 同时, 在钛合金焊接样品的不同部位进行分区取样, 采用高频红外法分析C元素含量, 并与LIBSOPA结果进行比对, 两种测试方法结果吻合。 元素Al, V, Fe, Si和Ti分布结果与微束X荧光光谱法对应性较好。 运用LIBSOPA 技术实现了对钛合金母材、 熔合区、 焊缝中多元素的成分分布表征, 为快速判定钛合金焊缝中成分及分布状态提供了全新的评价表征手段。
原位统计分布分析 钛合金 焊缝 成分分布分析 Laser-induced breakdown spectroscopy Original position statistic distribution analysis Titanium alloy Weld Components distribution LIBS 光谱学与光谱分析
2021, 41(12): 3869
塑胶微粒原料已渗透到人类衣食住行的方方面面, 并广泛应用于能源、 工业、 农业、 交通乃至航空航天和海洋开发等各重要领域不可或缺的材料。 在利益的诱惑下, 废旧塑胶的走私现象屡禁不止。 我国作为塑胶原料进口大国, 现有检测方法耗时长, 难以实现现场检测, 因此, 开发一种用于现场的废旧塑胶微粒判别方法, 对快速通关和海关缉私有重要意义。 拉曼光谱技术具有快速、 无损、 样品用量小、 无需前处理且适应性强等优点, 已在现场快速鉴别领域得到广泛应用。 在研究塑胶废旧机理的基础上, 将拉曼光谱技术结合化学判别方法, 应用于废旧塑胶原料识别。 选取两类成分相似的实际通关塑胶原料样品, 包含标准品及废旧品各160份, 并对样品的拉曼光谱信息进行了采集。 对比分析了两种塑胶原料的原始拉曼光谱, 并对样品的拉曼光谱特征峰进行了归属分析。 选取1 603 cm-1作为归一化参照峰位, 进一步探究废旧塑胶的成分变化, 对比统计了废旧塑胶原料及标准塑胶原料的相对峰强变化, 结果表明废旧塑胶原料发生了化学老化。 基于主成分分析法(PCA)对原始拉曼光谱及预处理拉曼光谱进行降维处理, 结果表面预处理拉曼光谱的前2主成分空间分离度较好, 通过对原始拉曼光谱数据进行背景扣除及平滑预处理, 可减少荧光背景及噪声对鉴别的影响, 提高鉴别的准确度。 将样品一半划分为校正集用于模型建立, 另一半划分为预测集用于模型验证, 基于偏最小二乘判别分析(PLS-DA), 建废旧塑胶原料鉴别模型, 该模型对建模训练集鉴别正确率为100%, 模型验证集鉴别正确率为99.06%。 研究表明, 基于拉曼光谱技术, 结合测试数据预处理及偏最小二乘判别分析方法, 可以有效地实现塑胶原料的现场、 快速、 准确鉴别, 为开发现场检测装备及方法提供理论参考。
拉曼光谱 ABS塑胶 主成分分析 偏最小二乘判别法 Raman spectroscopy ABS plastic PCA PLS-DA
铝合金材料凭借其易加工、 耐腐蚀、 可循环利用等良好性能, 在众多工业领域都得到了广泛的应用, 已成为仅次于钢铁的第二大金属材料。 面对矿产资源的日益匮乏以及大量铝产品到达服役年限, 因此铝合金的回收利用就尤为重要, 再生循环铝对经济、 环境和能源的可持续发展都具有重要意义。 目前, 由于废旧铝合金种类混杂、 形态各异, 很难高效对其分类, 导致优质铝合金降级使用直接铸造成铝锭。 航空航天用铝以2xxx系列和7xxx系列铝合金为主, 由于特殊的使用环境, 其产品质量好、 价值高, 降级使用会造成巨大的浪费。 本文以航空用铝2xxx系列、 7xxx系列以及铸铝A356三个系列的铝合金自动分类为研究目标, 基于激光诱导击穿光谱技术搭建自动化分类检测实验平台, 通过图像识别方式完成对动态样品的定位, 使其准确被激光诱导击穿光谱(LIBS)捕获完成测试, 对于单脉冲LIBS光谱信号, 结合密度分布函数思想, 分别建立三个系列铝合金的多维高斯概率密度分布判别函数, 实现了对2xxx系、 7xxx系以及铸铝A356的高效、 高精度、 连续分类检测。 实验结果表明: 系统完成对1.2 m·s-1传送过程中物料的识别时间为18 ms, 定位激光激发控制偏差小于20.83 ms, 传送中测试样品的最小尺寸为25 mm; 对于高度差异3 mm以内的三个系列铝合金样品, 多维高斯概率密度分布方法的平均预测分类识别准确率可达到99.15%, 平均建模时间仅需7 ms, 与应用广泛的支持向量机(SVM)分类方法相比, 预测准确率相当, 建模时间提高了一个数量级, 该方法分类预测的泛化能力较好, 建模效率高。 该研究验证了基于激光诱导击穿光谱技术对铝合金进行自动化快速分类检测的有效性, 为全自动废旧金属分拣系统的建立提供了理论和技术基础。
激光诱导击穿光谱 铝合金 分类 多维高斯分布 LIBS Aluminium alloy Sorting Multi-dimensional Gaussian distribution 光谱学与光谱分析
2020, 40(12): 3901
1 廊坊师范学院, 河北 廊坊 065000
2 北京航天自动控制研究所, 北京 100038
3 北华航天工业学院, 河北 廊坊 065000
反射隔热涂料是一类新型建筑材料, 具有隔热、 节能、 环保等功能, 已广泛用于建筑外部结构。 反射隔热涂料性能的高低主要决定于其与太阳辐射相互作用, 即反射隔热涂料对太阳辐射的反射、 吸收能力可直接反映其隔热、 保温性能的优劣。 对于特定反射隔热涂料, 其光谱特性主要取决于其施工厚度参量, 施工厚度的变异可直接影响反射隔热涂料的光谱特征且施工厚度的变异又对其施工效率具有较大影响, 因此探析反射隔热涂料的光谱特性随厚度参量的变化规律, 明确最佳反射隔热涂料施工厚度, 对于减少耗材, 优化施工工艺具有重要的现实与理论意义。 为定量分析施工厚度参量对反射隔热涂料的光谱特征的影响规律, 利用0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 mm共5类涂料厚度的光谱数据为数据源, 采用去包络线、 吸收峰深度、 减法方法处理分析光谱数据, 定量分析厚度参量对反射隔热涂料反射性能、 吸收性能的作用规律, 研究结果表明: (1)除紫外-蓝光外, 涂料对光的反射作用随波长增加整体呈减弱趋势, 即涂料对短波波段具有较强的反射作用, 而对长波波段的吸收作用则较强, 这表明涂料具有一定的隔热、 保温性能; (2)涂料厚度增加有助于涂料隔热性能的提升, 但无助于增强涂料的保温性能, 厚度提升有助于增强涂料的反射特性, 但涂料反射率的增长幅度却呈先升高后降低的趋势, 吸收峰深度的变化幅度呈先增加后减小的趋势, 其中在厚度达到1.0 mm时涂料反射率增强趋向饱和; (3)涂料厚度对吸收谷深度具有明显影响, 对吸收谷(峰)值位置具有一定作用, 在涂料厚度在达到1.0 mm时, 吸收谷(峰)的波形发生变化。
反射隔热涂料 高光谱 厚度 吸收峰 Reflective thermal insulation coatings Hyperspectral Thickness Absorption peak 光谱学与光谱分析
2020, 40(5): 1420
1 钢铁研究总院, 北京 100081
2 钢研纳克检测技术股份有限公司, 北京 100094
3 北京海关技术中心, 北京 100094
4 北方工业大学, 北京 100144
常见的玩具材料有聚氯乙烯(PVC)、 聚丙烯(PP)、 聚苯乙烯(PS)等。 为了使玩具塑料有更好的延展性, 有利于塑料成型, 在加工过程中会加入一定量的塑化剂。 邻苯二甲酸酯类(PAEs)塑化剂种类繁多, 用途最为广泛, 是玩具塑料中最普遍使用的塑化剂。 常见的PAEs有邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯(DEHP)、 邻苯二甲酸二丁酯(DBP)和邻苯二甲酸丁苄酯(BBP)。 研究表明, PAEs的分子结构与雌性激素类似, 被称作“环境荷尔蒙”。 长期或高浓度接触可造成内分泌紊乱, 影响男性生殖能力、 促使女性早熟、 危害儿童生殖系统。 北京海关指出, 由于PAEs增塑剂含量超标导致玩具不合格的占比最大。 在玩具进出口环节, 必须进行抽检PAEs增塑剂的含量以保证安全通关。 现行玩具塑料中PAEs的检测方法, 存在前期处理过程复杂、 检测设备昂贵、 对操作人员的专业要求较高等缺点, 不利于PAEs的快速检测, 迫切需要开发一种快速准确检测玩具塑料中PAEs含量的方法。 以DEHP, DBP和BBP为研究对象, 建立激光拉曼光谱快速筛查PAEs塑化剂的方法。 首先, 采用密度泛函理论(DFT)计算了三类塑化剂分子振动光谱, 并与其在拉曼光谱仪上测得分子拉曼光谱比对认定, 表明该方法对PAEs分子拉曼光谱特征峰的归属正确, 能够用于玩具塑料样品的定性分析。 其次, 研究了拉曼光谱仪快速直接定量检测塑料中PAEs含量的方法。 结果表明DEHP, DBP和BBP的含量与其特征峰强度呈线性相关, 相关系数分别为0.98, 0.99和0.99, 表明PAEs定量分析的准确度较高。 最后, 采用该方法在不经任何前处理的条件下, 测试市售玩具样品。 通过优化采集过程中的背景扣除方法, 获得拉曼光谱, 确认了PAEs的种类为DEHP, 并计算出DEHP的含量。 同时, 采用气相色谱-质谱法(GC-MS)准确检测样品中PAEs的种类及含量, 两种方法的一致性令人满意。 因此, 采用激光拉曼技术, 通过优化处理过程, 可快速、 无损检测塑料玩具中PAEs的种类及含量, 能够大大缩短检测时间, 节约测试成本。 并有望应用于海关现场, 提高通关速度。
激光拉曼 邻苯二甲酸脂 密度泛函理论 定量分析 Laser Raman Phthalate esters Density functional theory(DFT) Quantitative analysis 光谱学与光谱分析
2020, 40(6): 1929
1 廊坊师范学院, 河北 廊坊 065000
2 北华航天工业学院, 河北 廊坊 065000
3 石家庄铁道大学交通运输学院, 河北 石家庄 050043
4 北京农业信息技术研究中心, 北京 100097
作为一类新型建筑涂料, 反射隔热涂料凭借其节能、 环保等优势已广泛应用于建筑的施工建设; 建筑反射隔热涂料性能的高、 低直接影响建筑节能、 环保性能的优劣, 且对建筑室内环境具有较大影响。 建筑反射隔热涂料主要通过对太阳辐射（可见光-近红外）与建筑辐射（热红外）的反射、 吸收等作用实现其节能、 环保作用。 对于特定建筑反射隔热涂料, 其与光的相互作用主要取决于涂料的施工参量, 如涂料施工厚度。 利用高光谱技术定量分析建筑反射隔热涂料的反射、 吸收特性, 研究涂料施工参量（厚度）对建筑反射隔热涂料性能的影响规律, 为涂料施工检测提供科学技术支撑。 研究借助高光谱技术, 测定涂料不同施工厚度的光谱数据, 分析涂料光谱特征随施工厚度增加的演变规律, 研究可表征涂料施工厚度的涂料指数, 并将涂料光谱数据及由其构建的涂料指数分别与涂料厚度进行相关性分析, 提取并筛选对涂料施工厚度敏感的指标, 构建涂料施工厚度检测模型, 探寻适用于涂料施工厚度检测的方法。 研究表明: （1）位于420～1 070 nm区间的光谱数据对0.1～2.5 mm的涂料厚度较为敏感且其与涂料施工厚度的相关系数r均较高且相对稳定, 表明该光谱区间对涂料厚度的敏感性较好, 可用于涂料厚度的检测; （2）与原始光谱相比, 涂料指数可有效提升光谱对涂料厚度的敏感性, 在5类涂料指数中由484和479 nm构建的RCI指数是表征涂料厚度的最佳参量; （3）在5类涂料指数中, 基于RCI指数构建的涂料厚度检测模型的精度最高, 为最优模型, 其R2=0.973, RMSE=0.185, RPD=4.018。
高光谱 反射隔热涂料 涂料指数 吸收峰深度 Hyperspectral Reflective thermal insulation coatings Coating index Absorption peak depth 光谱学与光谱分析
2020, 40(8): 2552
