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采用太赫兹技术检测物质中金属颗粒含量的方法.pdf

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采用 赫兹 技术 检测 物质 金属 颗粒 含量 方法
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摘要
申请专利号:

CN201910035609

申请日:

20190115

公开号:

CN109580443A

公开日:

20190405

当前法律状态:

公开

有效性:

审中

法?#19978;?#24773;: 公开
IPC分类号: G01N15/06;G01N21/3586 主分类号: G01N15/06;G01N21/3586
申请人: 上海理工大学
发明人: 杨张帆;彭滟;王现英;曹子阳;朱亦鸣;蒋宗铧;陈铭彤;胡翕甜
地址: 200093 上海市杨浦区军工路516号
优先权:
专利代理机构: 31001 代理人: 徐颖
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法律状态
申请(专利)号:

CN201910035609

授权公告号:

法律状态公告日:

20190405

法律状态类型:

公开

摘要

本发明涉及一种采用太赫兹技术检测物质中金属颗粒含量的方法,对样品腔进行干燥处理,使腔内湿度降至3%以下,将多组不同已知金属颗粒含量的非极性材料样本放入太赫兹时域光谱仪的样品腔,一一进行检查,记录其各自对应在时域谱上幅值的峰值数据;将金属颗粒含量和峰值数据对应拟合绘制成一条连续的曲线,作为模拟数据库;待测未知金属颗粒含量的非极性材料样本放入同样太赫兹时域光谱仪的样品腔内进行检查,测出其峰值数据放入模拟数据库中作对比,可得待测金属颗粒含量。能够快速精确的检测到物质内部金属颗粒的含量;不会对被测物质造成损伤,使该样本可以重复使用,是一种安全、快速、高效?#39029;杀镜?#24265;的新型检测方式。

权利要求书

1.一种采用太赫兹技术检测物质中金属颗粒含量的方法,其特征在于,对样品腔进行干燥处理,使腔内湿度降至3%以下,将多组不同已知金属颗粒含量的非极性材料样本放入太赫兹时域光谱仪的样品腔,一一进行检查,记录其各自对应在时域谱上幅值的峰值数据;将金属颗粒含量和峰值数据对应拟合绘制成一条连续的曲线,作为模拟数据库;待测未知金属颗粒含量的非极性材料样本放入同样太赫兹时域光谱仪的样品腔内进行检查,测出其峰值数据放入模拟数据库中作对比,可得待测金属颗粒含量。

说明书


采用太赫兹技术检测物质中金属颗粒含量的方法
技术领域


本发明涉及一种检测技术,特别涉及一种采用太赫兹技术检测物质中金属颗粒含
量的方法。


背景技术


太赫兹辐射是一种振荡频率在10
12Hz左右的电磁辐射,这一波段位于微波与红外
之间,具有携带信息量丰富、高时空相干性、低光子能量等特性,在天文、生物、计算机、通信
等科学领域有着巨大的应用价值。在过去,由于没有高效的太赫兹发射和探测器件,太赫兹
领域的研究一度处于空白阶段,因此这个波段的波也被称为“太赫兹鸿沟?#20445;?#36817;几十年来,随
着光电器件的发展,太赫兹辐射的产生及检测手?#25105;?#26085;趋成熟,而这个波段优秀透?#26377;浴?#23433;
全性以及光谱分辨本领等特性也被逐渐发掘出来,并开?#21152;?#29992;在现代社会的生产生活之
中。如今,太赫兹波的主要应用在太赫兹时域光谱技术、太赫兹?#19978;?#25216;术、安全检查、太赫兹
雷达、天文学、通信技术等领域。


近年来,在?#25345;?#26448;料中掺杂金属颗粒的技术得到快速发展。在材料应用方面,在材
料中加入金属颗粒可以增加材料的强度;在材料检测方面,金属颗粒的掺杂可以大大增强
该物质的在拉曼光谱检测中的表现。在检测这种有金属颗粒掺杂的物质时,由于传统的检
测方式如红外、可见光等波段无法穿透大多数物质,故研究只能停留在物质的表面,而对于
物质内部的金属颗粒分布情况则无法得知;如果利用X射线,虽然可?#28304;?#36879;样本,但X射线能
量极强,会对被测样本造成无法修复的损伤。


而太赫兹波由于其穿透性好以及能量低等特点,可?#28304;?#36807;大部?#22336;?#26497;性物质,并
且不会对被测物质造成损伤。而对金属材料而言,太赫兹波是被全反射的,无法透射。所以
当使用太赫兹波对材料进行检测时,如果材料中含有金属颗粒,金属颗粒就会对太赫兹波
产生散射,故可以将物质内部金属颗粒的浓度信息以太赫兹光谱强度的形式清晰的反应出
来,从而轻易的解决传统方法无法观察到样本内部金属颗粒含量的难题。


发明内容


本发明是针对现有技术手段无法有效检测材料中掺杂金属颗粒浓度的问题,提出
了一种采用太赫兹技术检测物质中金属颗粒含量的方法,能够快速实?#22336;?#26497;性材料中掺杂
金属颗粒浓度的检测。


本发明的技术方案为:一种采用太赫兹技术检测物质中金属颗粒含量的方法,对
样品腔进行干燥处理,使腔内湿度降至3%以下,将多组不同已知金属颗粒含量的非极性材
料样本放入太赫兹时域光谱仪的样品腔,一一进行检查,记录其各自对应在时域谱上幅值
的峰值数据;将金属颗粒含量和峰值数据对应拟合绘制成一条连续的曲线,作为模拟数据
库;待测未知金属颗粒含量的非极性材料样本放入同样太赫兹时域光谱仪的样品腔内进行
检查,测出其峰值数据放入模拟数据库中作对比,可得待测金属颗粒含量。


本发明的有益效果在于:本发明采用太赫兹技术检测物质中金属颗粒含量的方
法,能够快速精确的检测到物质内部金属颗粒的含量;并且由于太赫兹波的能量极低,只有
几毫电子伏特,故不会对被测物质造成损伤,使该样本可以重复使用,是一种安全、快速、高
效?#39029;杀镜?#24265;的新型检测方式。


附图说明


图1为太赫兹波透过待测物质对金属颗粒含量进行检测的原理图;


图2为采用本发明的方法?#28304;?#27979;样本进行检测的太赫兹时域光谱图;


图3为对实例中所得到的幅值数据进行拟合的曲线,其中虚线箭头为待测样品。


具体实施方式


以下结合具体实施例对本发明做进一步的描述。实施例仅仅是对该发明的举例说
明,不是对本发明的限定,实施例中未作具体说明的步骤均是已有技术,在此不做详?#35813;?br>述。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提?#28388;?#33719;得的
所有其它实施例,都属于本发明保护的?#27573;А?br>

大部?#22336;?#26497;性材料均对太赫兹波吸收良好,而材料中的金属颗粒会对太赫兹波造
成如图1所示的强烈散射,从而使得太赫兹波可以清楚的测量出材料中的金属颗粒浓度高
低。太赫兹波穿过掺杂有金属颗粒的物质后,产生的载波信号被太赫兹探测器采集,在其时
域光谱中获得相应的峰值信息;对多组不同已知金属含量的样本进行检测,记录其各自的
对应峰值信息,并将这些峰值数据拟合成一条连续的曲线,建成完备的数据库;当需要对金
属含量不同的样本进行检测时,只需测出其峰值数据并与数据库中的信息对比再进行简单
计算,即可判断出该物质中金属颗粒的含量。


本发明此处提供一种应用实例,为采用太赫兹技术检测石墨烯薄膜样本中纳米银
颗粒的方法,能够快速、低成本、高效的检测出石墨烯样本中纳米银颗粒的含量。


实验所用样本是通过把石墨烯溶液与纳米银颗粒均?#28982;?#21512;,再在pc薄膜上抽滤而
成的薄膜,每个样品用到的溶液总量为2ml,厚度均为3μm;


实验对样本组进行检测,选定的样本组包括6个样本,包括纯石墨烯薄膜样本,以
及分别与2.4X10
12个、4.2X10
12个、6.0X10
12个、7.8X10
12个和9.6X10
12个的纳米银颗粒均匀
混合的石墨烯溶液经过抽滤而制成的5种薄膜样本。由于薄膜样本极薄,所以对样本进行检
测前需要固定样本防止其损坏。而太赫兹信号对石英的透过性极强,太赫兹波穿过石英晶
体造成的信号损失很小,所以选用两片石英片将石墨烯样本夹在其中进行检测。实验步骤
如下:


(1)对样品腔进行干燥处理,使腔内湿度降至3%以下,使水对太赫兹波的吸收可
忽略不计;


(2)先将两片厚度为0.5毫米的石英片前后重叠放置,并放入太赫兹时域光谱仪中
进行检测,测得的结果作为背景信号,来消除后续步骤的检测实验中石英片对检测结果的
影响,其在时域谱中的幅值可作为;


(3)?#28304;?#30707;墨烯薄膜样本进行检测,按图1所示方法操作,用两片石英片夹住石墨
烯样本,并放入太赫兹时域光谱仪中进行检测,检测在时域谱上幅值的峰值数据分别为
37.7,对数据进行保存并作为参考信号,用来与掺杂了纳米银颗粒的石墨烯薄膜样本的数
据进行对比;


(4)取选定的均?#28982;?#21512;有纳米银颗粒的5种比例不同但厚度均为3微米的样本,同
样如步骤(3)用两片石英片夹住选定样本,并放入太赫兹时域光谱仪中进行一一检测;记录
每个样本的峰值,按纳米银所占比例递增的顺序进行?#21028;潁?#35760;录各个样本在时域谱上幅值
的峰值数据分别为:27.1、24.8、20.1、13.3以及6.5;


(5)将步骤(2)、(3)、(4)中所得数据绘制成图2,其中,横轴为纳米银颗粒的含量,
纵轴为样本在时域谱中幅值。由于此处只是举例,并未将所有的实验数据放入图2中进行拟
合而只取了6个样本,仅对6个样本的数据进行曲线拟合无法精确的展示出样本信息,故此
处获得数据仅为展示本发明所用的方法,数据信息仅供参考;


(6)提取样本在时域谱中幅值的峰值数据和对应的纳米银颗粒的含量,将实验数
据拟合成一条曲线,作为此实例中的样本空间,用来模拟样本数据库,如图3所示;


(7)取样本厚度为3微米,纳米银颗粒含量未知的待测样本进行检测,测得并记录
该样本的时域谱峰值为16.6;


(8)将步骤(7)中所得数据放入步骤(6)所述的模拟数据库中,可以得出当纵坐标
为16.6时横坐标为7.2,即该待测样本中纳米银颗粒的个数为7.2X10
12个;


由于此处仅为实例,仅用来证明本发明所述方法的可行性。根据本发明中提出的
方法,样本数据库越充分则检测结果越精确,而当数据库中的样本量达到一定数量时,检测
结果将会十分精确。


待测物质可以是内部掺杂有金属颗粒的大多数非极性材料,如硅片、石英、橡胶
等;由于太赫兹波会透过多数非极性材料并会被金属材料散射的特点,可以在待测物质的
时域光谱上清晰的观察到物质内部的信息,样本中的金属颗粒越多,得到的时域信号越弱;
物质中金属颗粒不同,其对应在太赫兹时域光谱上产生的峰值也不同。利用这一方法,对大
量样本的峰值信息进行处理并建立数据库,可以快速检测出物质中的金属颗粒含量。


以上所述,仅是本发明的较好实例,并非对本发明作任何形式上的限制,任何未脱
离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实例所作的任何简单修改等同变化
与修饰,均仍属于本发明技术方案的?#27573;?#20869;。


关于本文
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