1 西北大学物理学院，陕西 西安 710127
2 陕西省油气资源光纤探测工程技术研究中心，陕西 西安 710065
提出了一种基于光纤超声传感技术的岩石含水率检测新方法。在实验中，以压电换能器（PZT）发出的1 MHz超声波作为声源，采用超声波透射法，通过刻写在细芯光纤中的一对光纤光栅检测岩石的超声波信息（包括时域以及频域的结果），并与相同条件下的PZT接收结果进行比较。随着岩石含水率的增加，光纤传感器表现出与PZT相似的响应趋势，且测得的含水率绝对偏差较小，充分证明了光纤探测岩石含水信息的可行性和优越性。
光纤光学 红砂岩 含水率 超声波 光纤检测
中国计量大学 光学与电子科技学院，杭州 310018
以柠檬酸和尿素为前驱体通过水热法制备得到绿色荧光碳点，通过透射电子显微镜、紫外可见吸收光谱、荧光光谱以及时间分辨荧光光谱对碳点进行表征和分析。碳点的粒径为6.5 nm，在252 nm、273 nm和410 nm处存在吸收峰，最佳激发和发射波长分别为400 nm和517 nm，根据已有研究推测碳点的荧光主要来源于4-羟基-1H-吡咯并［3，4-c］吡啶-1，3，6（2H，5H）-三酮。发现不同溶剂中的碳点具有不同的发光特性，包括荧光强度、发射峰位和荧光寿命，因此将碳点作为荧光探针检测质子溶剂乙醇和非质子溶剂二甲基甲酰胺中的水含量。实验结果表明随着水含量的增加，混合溶液中碳点的荧光强度下降，发射峰位红移，发射峰轻微加宽，荧光寿命缩短。碳点的荧光强度、发射峰位以及荧光寿命三者与水含量之间均存在线性响应关系，检测范围宽至0~100%。本方法同样适用于甲醇和乙二醇，具有普适性，该碳点有望成为快速灵敏检测有机溶剂中水含量的潜在探针。
碳点 荧光光谱 荧光寿命 含水量 有机溶剂 Carbon dots Fluorescence spectroscopy Fluorescence lifetime Water content Organic solvent 光子学报
2023, 52(12): 1216001
1 中国地质科学院水文地质环境地质研究所, 河北 石家庄 050061福建省水循环与生态地质过程重点实验室, 福建 厦门 361000
2 北华航天工业学院, 河北 廊坊 065000北京市农林科学院信息技术研究中心, 北京 100097河北省航天遥感信息处理与应用协同创新中心, 河北 廊坊 065000
3 廊坊师范学院, 河北 廊坊 065000
4 北华航天工业学院, 河北 廊坊 065000
5 北京市农林科学院信息技术研究中心, 北京 100097
受大田环境的影响, 田间采集的冬小麦冠层光谱内含有大量与目标信息无关的噪声, 这制约了高光谱数据对冬小麦植株信息的估测能力。 为制约噪声信息对光谱信息的影响, 探寻提升光谱对冬小麦植株水分供给信息估测能力的方法, 通过野外地面实验获取大田冬小麦高光谱数据及其叶片含水量信息, 采用离散小波算法处理分析高光谱数据, 结合相关性分析算法、 偏最小二乘算珐, 定量分析5类小波基对离散小波算法分离光谱信息的影响规律, 离散小波算法在分离可用光谱信息与噪声中的普适规律及小波基对信息分离的影响进行探讨, 从而为田间光谱数据的处理与分析提供理论与方法支撑。 结果表明: (1)与冬小麦含水量敏感的波段多分布于D1-D5尺度, 且敏感波段在各小波基内的分布区间相对一致, 但波段位置与相关强度均存在一定差异, 这表明小波基的选择能影响高频信息与冬小麦叶片含水量的相关强度与波段位置。 (2)可用的光谱信息与噪声信息均随分解尺度的增加而呈先升后降的规律, 噪声信息对高频信息估测能力的干扰强度随尺度的增加而降低, 高频信息对冬小麦叶片含水量的估测能力随尺度的增加而降低。 (3)模型的精度与稳定性是可用光谱信息与噪声信息综合作用的结果, 其中基于meyer小波基的D5尺度构建的估测模型为最优模型, 其建模精度的R2=0.625、 RMSE=1.562, 验证精度的R2=0.767、 RMSE=1.828。 本研究的结论可为基于离散小波算法的光谱处理与分析提供指导, 并为受噪声影响较重的光谱信息的处理与分析提供一定参考, 同时也可为我国西南、 南部等全年水汽含量较高区域内或北方夏季作物叶片含水量的检测提供基础支撑。
冬小麦 叶片含水量 离散小波 噪声信息 高光谱 Winter wheat Leaf water content Discrete wavelet Noise information Hyperspectral 光谱学与光谱分析
2023, 43(9): 2902
1 河海大学力学与材料学院，南京 211100
2 中国长江电力股份有限公司，宜昌 443000
3 浙江省水利河口研究院，杭州 310020
为研究新型水泥基材料本征传感器，本文制备了二维过渡金属碳/氮化物(MXene)水泥基复合材料。利用四电极法测试复合材料的电阻率变化，研究MXene掺量、湿度、温度对电阻率的影响，并通过扫描电子显微镜(SEM)观察复合材料的微观形貌。结果表明：MXene水泥基复合材料电阻率随MXene掺量的变化符合渗流理论，相对含水量的增加和环境温度的升高均会降低其电阻率，在多次升降温循环后复合材料仍具有良好的温敏性能。SEM测试表明MXene水泥基复合材料的电阻率主要由MXene导电网络的分布和接触情况决定。
水泥基复合材料 电阻率 导电网络 相对含水量 温度 MXene MXene cement-based composites electrical resistivity conductive network relative water content temperature
华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206
泥料含水量是陶瓷生产中的重要参数，会影响陶瓷的收缩率、抗弯强度等性能。以电厂粉煤灰为主要原材料、糊精为造孔剂、羧甲基纤维素为黏结剂，采用挤出成型法制备了管状多孔陶瓷膜支撑体。通过控制陶瓷泥料用水量和烧结保温时间制备了不同支撑体，并对支撑体进行性能表征，考察了泥料含水量和烧结保温时间对支撑体微观结构、收缩率、孔隙率、孔径以及机械强度等性能的影响。结果表明：在水/固质量比质量为0.19时，1 150 ℃保温烧结2 h获得孔隙率40.5%、抗弯强度23.6 MPa、平均孔径0.41 ?m的支撑体。制备的支撑体应用于脱硫废水微滤处理，固体悬浮物截留率99.98%。为制备低成本粉煤灰陶瓷膜支撑体提供研究基础，有利于膜法水处理的扩大化应用。
粉煤灰 陶瓷膜 含水量 制备 废水 微滤 coal fly ash ceramic membrane water content preparation wastewater microfiltratio
中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院, 北京 100083
沉积岩石的强度往往会受到水的影响, 含水量不同其影响程度也不相同。 因此, 沉积岩石的含水量测定对于后续评估其物理力学特性具有重要的价值。 在岩石含水量测定方面, 传统的方法往往费时、 费力, 而且破坏了工程结构的完整性。 近红外光谱分析技术是一种非常有潜力的方法, 具有实时、 无损等优点。 基于近红外光谱分析技术对砂岩的光谱特征以及含水量的反演进行了研究。 首先, 通过室内试验获取了砂岩试样不同饱和度的近红外光谱曲线; 然后, 对原始光谱曲线进行了异常曲线剔除以及一阶导数预处理, 消除噪声、 环境等因素的影响; 其次, 对R1(1 400 nm)和R2(1 900 nm)附近的两个吸收峰进行光谱特征变量提取以及归一化处理, 消除量纲和域值的影响; 接着, 基于最大信息系数对提取的光谱特征变量进行分析和筛选; 最后, 基于筛选后的光谱特征变量采用自行搭建的BP神经网分类器对砂岩的含水量进行了反演。 结果表明: (1)含水砂岩的近红外光谱吸收曲线在1 400和1 900 nm附近有着明显的吸收峰, 位于1 400 nm附近的吸收峰, 谱带比较宽缓, 位于1 900 nm附近的吸收峰, 谱带比较尖锐; 随着含水量的增加, 近红外光谱曲线在1 400和1 900 nm附近吸收峰的吸收强度也在增加, 具有明显的正相关性, 可作为砂岩含水量分析、 反演的主要谱段。 (2)根据计算的最大信息系数值, 1 400 nm附近的峰高与含水量的相关性最强, 同样1 900 nm附近的峰高与含水量的相关性最强; 1 400 nm附近的峰面积、 峰高和1 900 nm附近的峰高、 峰面积、 半高宽、 右肩宽, 共6个光谱特征变量, 其最大信息系数值>0.9, 可作为BP神经网络反演砂岩含水量的特征变量。 (3)利用最大信息系数筛选出1 400和1 900 nm附近两个吸收峰的特征变量进行BP神经网络建模, 所建立的砂岩含水量反演模型训练集准确率为90.3%, 测试集的准确率为83.9%, 说明基于近红外光谱分析技术砂石含水量的反演方法是可行的。
岩石 含水量 近红外光谱 光谱特征 人工神经网络 Rock Water content Near-infrared spectroscopy Spectral characteristics Artificial neural network 光谱学与光谱分析
2022, 42(11): 3368
1 中国港湾工程有限责任公司，北京 100027
2 江苏省水利科学研究院材料结构研究所，扬州 225000
3 河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210024
泥炭土具有高含水率、高有机质含量、大孔隙比和低剪切强度等特点。化学固化常用于提升泥炭土地基承载力和抵抗变形能力。通过开展单向固结试验，研究了含水率、有机质含量、pH值、水泥掺量和掺料粒径对水泥固化泥炭土压缩模量和固结系数的影响。研究表明，随着水泥掺量和养护龄期增加，水泥水化反应生成的凝胶不断增长，固化土压缩模量随之增长。泥炭土初始含水率从600%降至300%后，固化土压缩模量增加了3.5倍。有机质含量从40%增至80%（质量分数）时，固化土压缩模量降低了50%。pH值从7.0降至3.5时，固化土压缩模量降低了15.8%。固化泥炭土的压缩模量和固结系数受含水率、水泥掺量影响最大，有机质含量次之，pH值影响最小。掺石英砂能提升固化泥炭土的压缩模量，且石英砂粒径越小，固化土压缩模量增幅越大。
高含水率 泥炭土 固化 压缩模量 固结系数 地基工程 high water content peat solidification compression modulus consolidation coefficient foundation engineering
1 安徽农业大学资源与环境学院, 安徽 合肥 230036
3 中国林业科学研究院林业研究所, 北京 100091
减少叶面滞尘对茶树叶片水分有效光谱信息提取的干扰, 有利于建立更加稳健的茶树叶片水分高光谱估算模型。 以“舒茶早”为研究对象, 通过田间随机采集鲜叶样品, 测定叶片原始光谱反射率、 含水量以及滞尘率。 比较分析滞尘对茶树叶片原始光谱的影响, 分别基于归一化计算与比值计算方法构建新波段植被指数, 并利用相关系数法筛选叶片水分含量相关性最高的新波段植被指数, 结合相对变率分析获取滞尘对叶片水分估算影响不敏感的待选指数。 通过分析不同滞尘条件下新建植被指数和已有水分指数与滞尘的响应关系, 筛选出滞尘影响下茶树叶片水分估算的最优植被指数, 最终构建茶树叶片水分估算的高精度模型。 结果表明: (1)位于711~1 378 nm波段范围的叶片光谱反射率受滞尘影响呈现显著降低的趋势, 随着滞尘率增大光谱反射率减小, 且无尘叶片反射率与有尘状态反射率具有明显聚类现象, 相同状态下的不同叶片反射率差异性极显著。 (2)新波段植被指数、 已有水分指数与茶树叶片含水量之间的相关性以及基于该指数构建的茶树叶片水分估算模型的精度, 在滞尘影响下均呈现明显的下降趋势。 (3)在滞尘混合状态下, 以1 298和1 325 nm为中心波段的新建比值植被指数对滞尘敏感性最低, 且与叶片含水量相关性高, 为最优植被指数, 其建立的茶树叶片水分高光谱估算模型具有较高的预测精度(y=0.245x-0.241, R2=0.854, RMSE=0.001), 并且实测值与预测值具有较好的一致性。 因此, 该研究可为茶树的水分精细化管理提供依据, 并可为基于高光谱信息构建复杂环境条件下的水分估算高精度模型提供新思路。
滞尘 高光谱模型 植被指数 叶片水分含量 Dust retention Hyperspectral model Vegetation index Water content of tea leaf 光谱学与光谱分析
2021, 41(11): 3532
