论文题目: 牛奶成分近红外测量的光学基础理论与实验研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 测试计量技术及仪器
作者: 韩永辉
导师: 徐可欣
关键词: 漫射近似,倍增法,蒙特卡罗方法,积分球方法,浑浊介质,光学参数,最佳探测距离
文献来源: 天津大学
发表年度: 2005
论文摘要: 本文将组织光学的方法引入牛奶成分浓度测量,对光与牛奶成分相互作用的机理及牛奶的光学特性进行了深入研究。相对于单一采用“黑匣子”方法的近红外光谱法,组织光学方法的应用是开始从“内部”看问题,为牛奶成分测量提供了新的研究方法和手段。本文以组织光学的研究为核心,以牛奶等浑浊介质为研究对象,深入探讨了组织光学在牛奶中成分检测的理论和应用,采取理论分析、计算机模拟与实验研究相结合的方法,完成了包括光与浑浊介质相互作用理论研究、实验方法分析与比较、数据处理方法的优化选择、牛奶中成分的光学参数与浓度的关系研究、牛奶成分浓度变化与光分布变化关系研究、牛奶成分反射和透射测量方式下的不同解决方案及对比等工作。具体内容包括:1.研究了光与浑浊介质的相互作用相关理论。介绍了Boltzmann传输方程及其近似理论,对稳态漫射方程的成立条件和漫射近似解的成立条件进行了分析。同时,详细介绍了应用于求解组织光学逆问题的倍增法,系统描述了其基本概念和相关理论。2.研究了Henyey-Greenstein和Mie散射相位函数对浑浊介质光学特性参数测量的影响。蒙特卡罗模拟发现,两种相位函数在单次散射角分布上有较大差异,但经过多次散射后,这种差异会大大减弱,影响减小。3.完成了实验系统准备,设计了相关实验装置,进行了实验方法比较及数据处理方法的比较。设计了实验系统,给出了详细误差分析。利用不同实验方法测得组织模拟液光学参数,以之进行蒙特卡罗模拟,并与漫反射测量结果进行比较,得到:积分球测量方法更准确、方便,并选择作为实验的主要方法。对用于积分球测量数据处理的逆倍增法(IAD)和逆蒙特卡罗(IMC)处理方法进行了模拟比较,提出了IAD与IMC相结合的数据处理方法,同时保证了数据处理的速度和准确性。4.首次给出了牛奶不同成分的吸收吸收、散射系数等光学参数与浓度的定量关系,为研究光在牛奶中的分布以及牛奶成分浓度测量提供了一手的数据资料和基础。5.研究了牛奶成分浓度与光分布的关系。基于测得的牛奶成分的光学参数与浓度的关系,利用蒙特卡罗模拟,得到牛奶各种成分单独改变时对漫反射或漫透射能量分布的影响,根据最大能量变化,得到葡萄糖、蛋白质和脂肪的漫反射和漫透射最佳光程长。
论文目录:
中文摘要
英文摘要
第一章 绪论
1.1 牛奶成分测量的意义与研究现状
1.2 组织光学的发展概况及在牛奶成分测量中的应用
1.2.1 组织光学的发展概况
1.2.2 组织光学在牛奶成分测量中的应用
1.3 本论文的主要工作
第二章 光与浑浊介质的相互作用理论基础
2.1 光在浑浊介质中的传输及其近似理论
2.1.1 常见浑浊介质光学参数介绍
2.1.2 光在浑浊介质中的传输方程
2.1.3 漫射近似理论
2.2 倍增方法(ADDING DOUBLING)原理
2.3 不同相位函数对浑浊介质光学特性参数测量的影响分析
2.3.1 H-G 相位函数蒙特卡罗模拟
2.3.2 MIE 相位函数蒙特卡罗模拟
2.3.3 两种相位函数比较
2.4 小结
第三章 牛奶成分光学参数与浓度的关系研究
3.1 实验方法与数据处理方法研究
3.1.1 准直透射方法测量组织模拟液衰减系数实验研究
3.1.2 双光纤连续移动测量光密度径向分布实验研究
3.1.3 双积分球方法测量组织模拟液光学特性参数实验
3.1.4 实验方法及数据处理方法的验证与比较分析
3.2 牛奶中葡萄糖光学参数与浓度关系研究
3.2.1 葡萄糖光学特性参数
3.2.2 葡萄糖浓度对散射影响的实验及理论研究
3.3 牛奶中脂肪光学参数与浓度关系研究
3.4 牛奶中蛋白质光学参数与浓度关系研究
3.5 小结
第四章 牛奶成分漫反射测量最佳方案研究
4.1 牛奶成分浓度变化对漫反射光强的影响
4.2 最佳光程长的漫射理论研究
4.2.1 光学特性参数对漫反射率的影响
4.2.2 最佳探测距离的评价函数及理论计算
4.3 牛奶中葡萄糖漫反射测量的最佳光程长研究
4.3.1 吸收系数变化对漫反射光强的影响
4.3.2 散射系数变化对漫反射光强的影响
4.3.3 漫反射最佳光程长实验验证
4.4 牛奶中脂肪漫反射测量的最佳光程长研究
4.5 牛奶中蛋白质漫反射测量的最佳光程长研究
4.6 脂肪、蛋白质浓度测量的最佳光程长验证
4.6.1 样品的配置
4.6.2 建模验证
4.6.3 牛奶成分反射测量方案的确定
4.7 小结
第五章 牛奶成分透射测量最佳方案研究
5.1 牛奶成分浓度变化对透射光强的影响
5.1.1 光在牛奶中的分布
5.1.2 蒙特卡罗模拟牛奶成分变化对透射光强的影响
5.2 最佳探测距离的评价标准
5.3 牛奶中葡萄糖透射测量最佳光程长研究
5.3.1 光学参数变化范围确定
5.3.2 波长范围的选择
5.3.3 1150NM 下最佳光程长蒙特卡罗模拟
5.3.4 1330NM 下最佳光程长蒙特卡罗模拟
5.3.5 牛奶中葡萄糖透射测量的最佳光程长实验验证
5.4 牛奶中脂肪测量的最佳光程长研究
5.4.1 光学参数变化范围确定
5.4.2 波长范围的选择
5.4.3 1550NM 下最佳光程长蒙特卡罗模拟
5.5 牛奶中蛋白质的最佳光程长研究
5.6 脂肪、蛋白质浓度透射测量的最佳光程长验证
5.7 牛奶成分测量的最佳方案比较
5.8 小结
第六章 总结与展望
6.1 本论文完成的主要工作
6.2 本论文的主要创新点
6.3 下一步工作展望
参考文献
发表论文和参加科研的情况说明
附录 倍增加法原理
致谢
发布时间: 2006-05-24
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