【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光学，具体涉及一种基于消光法的粒径与浓度二维分布测量方法及装置。
技术介绍
1、测量粒径分布和浓度在材料特性研究、生物医学应用、环境监测、煤矿工业、食品和制药业等行业中十分关键，为科学研究、产品设计和生产过程提供了重要的数据支持，有助于改进材料性能、优化工艺和保护环境健康等。针对颗粒尺寸和分布的测量，目前常用的方法包括筛分法、沉降法、显微镜法、表面透气法、电阻法、激光法、超声波法等。激光法包括光散射法和消光法。其中消光法是一种常用于颗粒大小和分布测量的光学技术。该方法通过测量样品对特定波长的光的散射和吸收来推断颗粒的尺寸和浓度分布。消光法通常用于分析颗粒、胶体、悬浮液等样品中的颗粒尺寸和浓度分布，适用于纳米至微米尺度范围内的颗粒。消光法作为测量粒径分布的一种光学技术，具备非侵入性、快速测量、宽测量范围、高灵敏度以及多角度测量等优点，为科学研究和工程应用提供了强大的工具。在粒径分布测量中，选择合适的方法取决于样品的特性和测量需求，而消光法的优势使其在许多领域中得到广泛应用。
2、在中国专利号为cn 116359086 a，专利技术名称为“一种基于测量装置的煤粉粒径与质量浓度测量方法”的专利技术专利中，公开了一种粒径与浓度测量方法，利用超声法测粒径分布消除粒径分布对消光法测量浓度的影响。然而，该方法使用超声法和消光法两种方法实现粒径分布和浓度的测量，使得原理和系统的复杂性较高，并且此方法仍然是建立于假设颗粒分布是均匀的这一基础之上。
3、虽然，利用消光法测量粒径分布的研究有很多，但是截止目前为止
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种基于消光法的粒径与浓度二维分布测量方法，此方法只需要应用消光法结合神经网络算法便可实现粒径与浓度二维分布的同时测量，原理和系统复杂度低。并且此方法打破了颗粒均匀分布的假设，普适性更强，重要的是解决了粒径二维分布光学测量方法缺失这一重大技术问题。
2、一种基于消光法的粒径与浓度二维分布测量方法，包括：
3、步骤s1：产生波段包含多个波长的初始激光，将初始激光分成多路，一部分光路横向穿过探测二维场(4)，另一部分光路纵向穿过探测二维场(4)，在探测二维场(4)发生包含吸收和散射的消光后，得到每一条光路的光谱信号；
4、步骤s2、设整个二维探测场划分为n″×n″个网格，每一行网格至少有一条横向光路穿过，每一列网格有一条纵向光路穿过；从第1行到第n″行光路上得到的波长为λj的吸光度可表示为：
5、
6、其中，n1q*表示在第1行第q列网格的颗粒介质数目浓度，l1q表示第1行第q列网格的光程，w1q,i表示第1行第q列网格的第i个粒径区间下的颗粒粒径概率频度分布，d1q,i表示第1行第q列网格的第i个粒径区间下的粒径，kext(λj,d1q,i,mi)表示在波长为λj，第1行第q列网格的第i个粒径区间及第i个颗粒折射率mi下的消光系数；以此类推，nn”q*表示在第n″行第q列网格的颗粒介质数目浓度，ln”q表示第n″行第q列网格的光程，wn”q,i表示第n″行第q列网格的第i个粒径区间下的颗粒粒径概率频度分布，dn”q,i表示第n″行第q列网格的第i个粒径区间下的粒径，kext(λj,dn”q,i,mi)表示在波长为λj，第n″行第q列网格的第i个粒径区间及第i个颗粒折射率mi下的消光系数；
7、按照公式(1)得到第1列到第n″列光路上得到波长为λj的吸光度的多个方程；
8、用log-normal分布表征概率密度函数w；
9、
10、式中，μ和σ为log-normal分布中的均值参数和标准差参数；则每个方程中的未知数为颗粒介质数目浓度n*、μ和σ；
11、步骤s3、搭建人工神经网络模型，拟合吸光度到浓度n*、分布参数μ和σ的映射关系；训练数据集通过仿真生成模拟数据的方式来构建，首先划分n″×n″个网格，并给每个网格随机分配多组浓度n*、光程l、颗粒折射率及粒径分布参数μ和σ数据作为输出，最终模拟生成在各波长范围下对应的多组吸光度矩阵作为输入，对神经网络模型进行训练；
12、步骤s4：将测量得到的输入数据吸光度矩阵输入到训练好的神经网络模型，得到每一网格内的浓度颗粒介质数目浓度n*、分布参数μ和σ，继而得到颗粒粒径概率频度分布。
13、较佳的，构建的人工神经网络模型包含多层隐藏层，1层输入层和1层输出层；初始化每一层的权重，每一层的输出都添加relu激活函数以引入非线性因素来拟合输入和输出的非线性映射关系；输入层和输出层的神经元个数分别为k×n′和n″×n″×3，分别对应着k条光路n′个波长对应的吸光度输入数据和n″×n″个网格内的浓度n*、分布参数μ和σ输出数据，其中k×n′≥n″×n″×3；对训练数据集中的输入数据进行正向传播，计算激活输出值和损失函数值，其中mse函数被选取为损失函数，采用adam算法和反向传播算法结合来更新神经网络的权重，通过计算损失函数的梯度，沿着梯度下降的方向调整权重参数，重复上述操作，直到模型满足精度误差要求为止。
14、较佳的，所述网格为非均匀网格。
15、较佳的，所述神经网络模型采用bp-神经网络、卷积神经网络、transformer或者循环神经网络。
16、一种基于消光法的粒径与浓度二维分布测量方法的装置，包括激光光源(1)、第一光开关(2)、信号发生器(3)、探测二维场(4)、第二光开关(5)、光谱仪(6)以及数据采集系统(7)；
17、所述激光光源(1)用于产生波段包含多个波长的初始光强，初始光强经过第一光开关(2)按一定频率切换从k条光路输出，其中，一部分光路横向穿过探测二维场(4)，另一部分光路纵向穿过探测二维场(4)，在探测二维场(4)发生包含吸收和散射的消光后，多条光路得到的透射光强由同型号的第二光开关(5)切换输出，进而透射光强信号由光谱仪(6)接收并获得对应波段下的光谱信号，最终由数据采集系统(7)采集并处理；其中第一光开关(2)和第二光开关(5)的控制信号是同一信号发生器(3)产生的同频同相的开关信号，即两个光开关在某一时刻只允许一条光路穿过探测二维场(4)，以保证光谱仪(6)只接收一条光路的信号；
18、所述数据采集系统(7)实施步骤s1-s4的方法，得到颗粒粒径概率频度分布。
19、较佳的，两个光开关可用自由空间分束器、光纤耦合器或者半透半反镜代替实现。
20、较佳的，，光谱仪(6)采用光栅式光谱仪、傅里叶变换光谱仪或者光电探测器与标准具组合设备实现。
21、本专利技术具有如下有益效果：
22、1、本专利技术通过将二维探测场网格化以及多条光路的分束实现了对二维探测场的分割，将每一网格空间内的颗粒浓度、光程、粒径分布等参数细化，打破了之前对整个探测场都进行均匀化处理的操作，能够实现每一网格区域内的颗粒浓度和粒径分布的测量，而不是只本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于消光法的粒径与浓度二维分布测量方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的一种基于消光法的粒径与浓度二维分布测量方法，其特征在于，构建的人工神经网络模型包含多层隐藏层，1层输入层和1层输出层；初始化每一层的权重，每一层的输出都添加Relu激活函数以引入非线性因素来拟合输入和输出的非线性映射关系；输入层和输出层的神经元个数分别为k×n′和n″×n″×3，分别对应着k条光路n′个波长对应的吸光度输入数据和n″×n″个网格内的浓度N*、分布参数μ和σ输出数据，其中k×n′≥n″×n″×3；对训练数据集中的输入数据进行正向传播，计算激活输出值和损失函数值，其中MSE函数被选取为损失函数，采用ADAM算法和反向传播算法结合来更新神经网络的权重，通过计算损失函数的梯度，沿着梯度下降的方向调整权重参数，重复上述操作，直到模型满足精度误差要求为止。
3.如权利要求1所述的一种基于消光法的粒径与浓度二维分布测量方法，其特征在于，所述网格为非均匀网格。
4.如权利要求1所述的一种基于消光法的粒径与浓度二维分布测量方法，其特征在于，所述神经网络模型采
5.一种实现权利要求1所述的一种基于消光法的粒径与浓度二维分布测量方法的装置，其特征在于，包括激光光源(1)、第一光开关(2)、信号发生器(3)、探测二维场(4)、第二光开关(5)、光谱仪(6)以及数据采集系统(7)；
6.如权利要求5所述的一种基于消光法的粒径与浓度二维分布测量装置，其特征在于，两个光开关可用自由空间分束器、光纤耦合器或者半透半反镜代替实现。
7.如权利要求5所述的一种基于消光法的粒径与浓度二维分布测量装置，其特征在于，光谱仪(6)采用光栅式光谱仪、傅里叶变换光谱仪或者光电探测器与标准具组合设备实现。
...【技术特征摘要】
1.一种基于消光法的粒径与浓度二维分布测量方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的一种基于消光法的粒径与浓度二维分布测量方法，其特征在于，构建的人工神经网络模型包含多层隐藏层，1层输入层和1层输出层；初始化每一层的权重，每一层的输出都添加relu激活函数以引入非线性因素来拟合输入和输出的非线性映射关系；输入层和输出层的神经元个数分别为k×n′和n″×n″×3，分别对应着k条光路n′个波长对应的吸光度输入数据和n″×n″个网格内的浓度n*、分布参数μ和σ输出数据，其中k×n′≥n″×n″×3；对训练数据集中的输入数据进行正向传播，计算激活输出值和损失函数值，其中mse函数被选取为损失函数，采用adam算法和反向传播算法结合来更新神经网络的权重，通过计算损失函数的梯度，沿着梯度下降的方向调整权重参数，重复上述操作，直到模型满足精度误差要求为止。
3.如权利要求1所述的一种基于...
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