本文關(guān)鍵詞： 激光誘導(dǎo)擊穿光譜 測(cè)控系統(tǒng) 主成分分析(Principal component analysis) 偏最小二乘回歸(PLS-DA)　出處：《吉林大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)技術(shù)是一種利用原子發(fā)射光譜進(jìn)行物質(zhì)元素檢測(cè)的光譜分析技術(shù),由于其具備實(shí)時(shí)原位分析、檢測(cè)速度快、無(wú)需復(fù)雜樣品前處理等諸多優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于多種不同領(lǐng)域。該技術(shù)利用一束高能激光脈沖,經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)折射、聚焦等燒灼樣品表面,在樣品表面激發(fā)產(chǎn)生等離子體,并發(fā)射出含有物質(zhì)元素信息的特征譜線信號(hào),通過(guò)對(duì)所收集的光譜信號(hào)強(qiáng)度及波長(zhǎng)信息進(jìn)行分析,實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品組分的定性及定量分析。基于LIBS技術(shù)的儀器主要由激光器、光譜儀、光學(xué)器件、控制系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)等組成,該類型儀器具有原理簡(jiǎn)單、操作方便等優(yōu)勢(shì),被越來(lái)越多的研究者所重視。本文在實(shí)驗(yàn)室原有臺(tái)式LIBS儀器測(cè)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,對(duì)各控制部件進(jìn)行優(yōu)化,使其適用于手持式LIBS測(cè)控系統(tǒng)。同時(shí),針對(duì)特定地礦勘探應(yīng)用領(lǐng)域,開(kāi)發(fā)具有一定數(shù)據(jù)處理功能的算法模塊,使其更好的服務(wù)于野外地礦工作者,提高工作效率。本文的主要工作內(nèi)容如下:(1)優(yōu)化臺(tái)式LIBS光譜儀測(cè)控系統(tǒng)軟件,使其滿足高能手持式LIBS光譜分析儀器測(cè)試需求手持式LIBS光譜分析儀不僅在大小、體積方面不同于臺(tái)式LIBS光譜分析儀,而且在部件組成及各部件通訊連接方式方面也存在差異。當(dāng)各部件型號(hào)發(fā)生改變時(shí),開(kāi)發(fā)及優(yōu)化測(cè)控軟件也需要相應(yīng)的發(fā)生改變。在實(shí)驗(yàn)室原有插件式設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架基礎(chǔ)上,重新規(guī)劃各個(gè)接口方式,擴(kuò)展相應(yīng)部件,使其適用于高能手持式LIBS測(cè)控系統(tǒng)。同時(shí),對(duì)大量光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)優(yōu)化,開(kāi)發(fā)具有光譜數(shù)據(jù)定性定量分析功能模塊,完成手持式LIBS測(cè)控系統(tǒng)軟件的優(yōu)化開(kāi)發(fā)。在約2000次測(cè)試中,測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定無(wú)測(cè)控軟件故障出現(xiàn),有效控制各部件正常運(yùn)行工作。(2)利用LIBS技術(shù)對(duì)地礦樣品特征進(jìn)行光譜特性分析,采用模式識(shí)別方法對(duì)樣品進(jìn)行分類,并實(shí)現(xiàn)定性軟件開(kāi)發(fā)研究地礦樣品LIBS光譜特征信息,得到數(shù)量豐富的主量元素和微量元素的發(fā)射譜線,且譜線擁有較好的性噪比。不同物質(zhì)由于其基質(zhì)、元素含量不同,導(dǎo)致各個(gè)樣品的LIBS光譜圖存在差異,為模式識(shí)別提供了條件。本文采用無(wú)監(jiān)督的主成分分析法提取大樣品數(shù)據(jù)庫(kù)中各個(gè)樣品所占貢獻(xiàn)率較大的主成分,對(duì)樣品進(jìn)行無(wú)監(jiān)督分類識(shí)別。在Matlab平臺(tái)上將主成分分析函數(shù)生成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù),將數(shù)據(jù)格式從矩陣形式轉(zhuǎn)化為NET平臺(tái)能識(shí)別的數(shù)據(jù)格式。采用C#語(yǔ)言基于類型安全接口技術(shù)進(jìn)行混合編程,首次將主成分分析算法應(yīng)用于高能手持式LIBS測(cè)控分析軟件中,實(shí)現(xiàn)未知樣品主成分快速提取及定性軟件混合開(kāi)發(fā)。(3)地礦樣品元素定量分析方法研究與定量軟件開(kāi)發(fā)通過(guò)大樣本系統(tǒng)研究適合于地礦樣品元素定量算法模型分析,為地礦勘探領(lǐng)域應(yīng)用LIBS技術(shù)提供數(shù)據(jù)處理軟件支持。本工作采用偏最小二乘回歸的元素定量方法,能夠有效地解決地礦樣品標(biāo)準(zhǔn)樣品庫(kù)少于光譜變量個(gè)數(shù)的問(wèn)題,采用LIBS全譜作為輸入變量具有很好的擬合性能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化,在Matlab平臺(tái)生成DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)�；�.NET框架開(kāi)發(fā)的COM組件接口可與動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)進(jìn)行兼容開(kāi)發(fā),因此采用C#語(yǔ)言調(diào)用函數(shù)DLL和MWArray.dll,實(shí)現(xiàn)混合編程,有效地將C#應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)與數(shù)據(jù)處理功能結(jié)合在一起,提高了軟件開(kāi)發(fā)速度和效率。本文在優(yōu)化高能手持式LIBS測(cè)控系統(tǒng)軟件的同時(shí),研究主成分分析和偏最小二乘回歸分析算法,將其應(yīng)用于手持式LIBS測(cè)控軟件光譜數(shù)據(jù)處理中,不僅實(shí)現(xiàn)了各個(gè)部件的測(cè)控功能,同時(shí)研發(fā)了對(duì)光譜數(shù)據(jù)具有定性及定量分析功能的分析測(cè)控軟件,成功的應(yīng)用于地礦樣品的定性及定量分析。
[Abstract]:Laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) technology is a kind of material by atomic emission spectroscopy spectral element detection analysis technology, because of the real time and in situ analysis, fast detection speed, without complex sample pretreatment and many other advantages, has been widely used in various fields. A beam of high energy laser pulse using the technology, after the refractive optical system, focusing on the surface of the sample. The sample surface to generate plasma, and emits a line signal characteristics of material containing elements of information spectrum, through the analysis of the spectral signal intensity of the collected information and the wave length of samples, qualitative and quantitative analysis. The instrument is mainly composed of a laser LIBS technology. The spectrometer, based on optical devices, control system and computer, the instrument has simple principle, convenient operation and other advantages, more and more researchers are paying attention. Based on the original laboratory desktop LIBS measurement and control system, the control unit is optimized, which is suitable for handheld LIBS control system. At the same time, according to the specific geologic prospecting application development has certain algorithm module data processing function, make it better service in the field of Geology and mineral resources of workers, improve the work efficiency. The main work the contents of this paper are as follows: (1) the optimization of desktop LIBS spectrometer control software system, which can meet the high energy spectrum analysis instrument test requirements of handheld LIBS handheld LIBS spectrum analyzer not only in size, volume is different from desktop LIBS spectrum analyzer, and connected to the parts and components of communication are also different. When each component type change, development and optimization of control software also needs to be changed accordingly. In the basis of original laboratory frame plug-in design system On the re planning of the various interfaces, extensions of the corresponding components, which is suitable for high energy LIBS handheld control system. At the same time, a large number of experiments to optimize the spectral data, the development of functional modules. The qualitative and quantitative analysis of spectral data, optimize the development of handheld LIBS system software. In about 2000 test, measurement and control system is stable and no fault detection and control software, the effective control of all parts of the normal operation. (2) of spectral analysis on geological characteristics of samples by using LIBS technology, using pattern recognition method to classify samples, and realize the qualitative research software development geological samples LIBS spectral feature information obtained emission spectrum of major elements and trace elements in abundance and, the spectral line has a better signal-to-noise ratio. Because of the different material matrix elements in different samples, leading to the LIBS spectral differences in survival, to die Provide the conditions for recognition. This paper uses unsupervised principal component analysis method to extract each sample sample database for the principal component contribution rate is larger, the samples were unsupervised classification. The analysis function to generate the dynamic link library in the Matlab platform will be the principal component, the data format conversion from the matrix form for the NET platform can identify the format of the data. Using C# language type safety interface technology of mixed programming based on the first principal component analysis algorithm is applied to the high-energy handheld LIBS control and analysis software, realize the rapid extraction of unknown samples of main components and qualitative software development. (3) mixed method research and software development in Geological Samples by quantitative elemental quantitative model analysis algorithm suitable for large sample quantitative analysis of geological samples for mineral exploration field elements, the application of LIBS technology to provide data processing software support. This work. Using partial least squares regression quantitative analysis method, can effectively solve the geological standard sample library are less than the numbers of spectral variables, using LIBS spectrum as the input variables have good fitting performance. By optimizing experiment, in the Matlab platform to generate the dynamic link library DLL. COM.NET component interface framework can compatible development with the dynamic link library based on the C# language is used to call the function DLL and MWArray.dll mixed programming, effectively combining the C# application development and data processing function together, improve the speed and efficiency of software development. This paper focuses on optimizing energy measurement and control system of portable LIBS software at the same time, analysis of principal component analysis and partial least squares regression analysis the algorithm is applied to the measurement and control software, handheld LIBS spectral data processing, not only realize the control function of each component, while the development of The analytical and quantitative analysis and measurement software with qualitative and quantitative analysis functions has been successfully applied to the qualitative and quantitative analysis of ground and mineral samples.

【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TH744.5;TP311.52

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本文編號(hào)：1461856