超声波纳米颗粒粒度分布测量误差分析优化

超声衰减谱测量结果与CPS离心沉降纳米粒度测量仪检测结果列于表7.5。

表7.5　超声波测量结果与离心沉降测量结果对比

分析上述测量结果，超声波检测所获得纳米TiO2、ATO、Ag三种颗粒粒度分布与CPS离心沉降纳米粒度测量仪所得结果都呈单峰分布状态。将纳米Ag颗粒超声波所测结果与TEM测量结果相比较，可发现超声波法测量结果综合了TEM长、短轴粒度分布的结果，由于超声波法测量是基于等效球形颗粒基础之上，而纳米颗粒在两相介质中的状态非常复杂，其所造成的超声衰减也较为复杂，因此会出现等效椭球长轴径球形颗粒或椭球短轴径球形颗粒；而离心沉降测量结果与TEM测量中短轴粒度分布结果较为吻合，这主要与离心沉降仪高速旋转过程中椭球形纳米颗粒的力学性质有关。

将纳米ATO颗粒与纳米TiO2颗粒的超声波测量结果与离心沉降测量结果比对发现，两种方法所检测的平均粒径以及峰值粒径吻合较好，同时离心沉降纳米粒度测量仪所测粒度分布范围较宽，此外离心沉降纳米粒度测量仪所测结果存在频度分布极低的大颗粒。结合透射电镜测量结果分析，造成这种现象的可能原因如下：

（1）由于超声波法在反演计算过程中为增加求解病态方程的稳定性，约束了求解粒度分布的范围。

（2）颗粒分散没有做到最佳，产生颗粒团聚。

（3）离心旋转盘存在某些未知污染。

严格来说，任何一次测量都不可避免地存在误差，即使用准确的仪表仔细测量，所得结果也不一定就是被测物理量的真值，而只能是近似值。根据产生误差的来源，可以把测量误差分为仪器误差、人为误差和外界误差；根据误差产生规律的特点，可以把测量误差分为系统误差、随机误差和差错。系统误差可以识别并加以校准，而单个随机误差则是认不出来的，但可以通过多次重复测量使随机误差的大小降低，当然也不能完全消除。(www.xing528.com)

1）系统误差

系统误差的产生因素是比较多的，测量环境中的一些因素，例如换能器检测灵敏度、换能器有限尺寸、电缆噪声等都可能会引起系统误差。在本书试验中，各种不同频率的超声波交替发生，尽管换能器本身具有一定的滤波作用，但还是不可避免会出现声波相互干扰。高频信号在传输过程中，也极易受到其他电磁信号的干扰。由于样品池是一个有限容器，可能出现声波的样品经样品池壁面多次反射后由换能器接收的情况，这与理论模型的推导假设是不一致的。

另外当测量系统有高频相位畸变时，瞬态波就能产生过冲，测得的瞬时值会大于实际数值。而某些相位失真可能改变一些波形（例如复杂周期波）的外貌，使相位失真对测得的幅度分布函数产生误差，对某些波形相位失真也可能会改变其频谱形状。噪声如测量系统的电噪声或换能器的固有噪声能形成系统误差，在测量幅值时会干扰测量结果。由于非线性效应引起的谐波畸变能产生原来信号中没有的谱分量，避免这种误差的最好方法是知道测量系统的非线性特性。

而对试验中样品不当的处理，也极有可能导致测量中较大系统误差的产生。由于很多样品是非球形，甚至是无规则的，其形状因素对声波动的影响显然是目前几乎所有理论不能描述的，而这种影响对于大颗粒尤其明显。某些样品极易发生团聚，如何减少团聚概率，减轻团聚影响带来的误差，有时对测量成败是至关重要的。

除了测量装置和测量过程的因素外，数据处理、理论模型描述和计算也极有可能引起系统误差，它是由于所用公式、常数有误而产生的。发现和消除这类系统误差只能通过各种可能途径，如试验结果对比、数值分析方法等找出公式、常数或其他因素引起的误差加以改正。由于超声波颗粒测量理论中，很依赖于连续相和颗粒的一些物理参数，尤其对一些敏感的参数，它们的准确与否在一定程度上会影响最终测量结果。这在将理论研究转化为仪器研制时是需要引起注意并加以解决的。

2）随机误差

由于大量随机因素干扰而产生的误差称为随机误差。在同样条件下，对同一物理量做多次重复测量发现，随机误差遵循随机过程的统计规律。大多数随机误差是正态分布，由重复测得的数值可以导出概率密度分布函数，以检查测得的数据是否符合正态分布。对于正态分布，随机误差与测量的次数有关，随着测量次数的增加，随机误差的算术平均值趋向于零。因此真值靠近分布的峰，用统计方法还可计算置信度以及定量地描述真值落在给定区间的概率。

总体上来说，本书中试验的主要目的是通过选择合适的理论模型并结合反演算法在实测纳米颗粒两相介质超声衰减谱基础上得到纳米颗粒的粒度分布。但由于技术水平和条件的限制，试验过程还比较粗糙，测量中的各种误差因素难以避免。对试验的改进及对各种误差的控制要通过测量技术的提高、检测系统硬件设备的改进，对试验条件和环境进行更加严格的控制，使之更加接近理想情况，与理论假设更为一致；同时在数据处理方法的研究、增加理论模型的适应性方面，也是有大量工作可以继续做的。