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提高压力测量准确性和精度的方法

已有 7216 次阅读 2021-2-8 14:08 |系统分类:教学心得

压力测量的准确性和精度对于研究和认识物质的性质及发现新相态具有重要意义,其影响因素有:压标物质的选择、各种测量仪器的分辨率、测量精度、数据采集和处理方法等。

1.压标的选择:

在选择作为压力标定的物质时,原则上应尽可能选择具有高dv/dP或低dP/dv值的压标物质。在相同实验条件下,选择不同的压标将带来不同的误差。例如方解石有两个拉曼峰:1085cm-1281cm-1,其压力计算公式为:

PMPa = 198.49×(Δvp)1085 + 1.78×T – 254.52

PMPa = 136.41×(Δvp)281 + 4.28×T – 59.94

式中Δvp是压标物质的拉曼位移,T是温度。假设拉曼光谱仪的测量误差为±0.1cm-1,实际测量1085cm-1281cm-1两个拉曼峰将分别带来±19.8MPa±13.6MPa的压力测量误差。显然,前者的误差大于后者。因此在信号强度足够的情况下,应尽可能选择具有较大dv/dP值的压标。

2.仪器的测量精度或误差

采用具有高分析精度的仪器可以大大降低压力测量的误差。因此实验中应尽可能选择具有高分辨率的分析仪器。例如某些激光拉曼光谱仪的分析精度为1 cm-1,有些仪器(如JY-1000型)的分析精度可达:0.15cm-1

另外,各种测量仪器随时间总是存在着一定程度的漂移。若能够消除这些漂移带来的误差,将可以大大提高压力测量的精度。Lin等2007)提出了一种方便易用的外标校正方法。该方法是将含有一定强度的Ne灯的光谱峰混入到分析样品的信号中用于进行仪器漂移的校正。其分析甲烷峰位置时进行外标校正的具体计算方法如下:

image005.gif


 图1 是实测的氖灯和甲烷的拉曼光谱图。实际应用时也可以用日光灯中的482cm-1峰作为校正仪器漂移的参照峰(采用一个峰需要对上述公式进行相应修改,即去掉公式中的1/2和其中的一项)。其效果也相当不错。只要在进行拉曼测试时打开日光灯即可。进行仪器漂移的外标校正可以使测量精度达到±0.03cm-1

 

image003.png


1 Ne灯和甲烷的谱峰(Lin 等,2007)

其中Ne灯的2851.872972.92cm-1可以作为校正用的参考值(外标)

 3.数据采集方法

目前,一些商品化的仪器,如Renishaw1000型激光拉曼光谱仪有两种摄谱方法。一是通过光栅的转动进行扫描获得样品的拉曼图谱,亦称为扫描摄谱或动态摄谱。由于扫描过程会不可避免地带来随扫描时间而发生的电压波动和噪声对谱图的影响以及机械误差,因此扫描摄谱具有相对较大的测量误差。另一种方法是通过仪器中的CCD进行摄谱,亦称为静态摄谱。由于该摄谱方法是在较短的时间内一次获得整个谱段的谱图,仪器工作不存在电压波动和机械误差的影响,因此其测量误差较小,精度可达:±0.1cm-1

4.温度的影响

温度对于压标的谱学性质有明显的影响。由方解石的压标公式可以看出,若温度误差为±1°C所带来的压力误差分别为±1.78和±4.28MPa,但由于金刚石压腔中的样品很小而往往容易被忽略。实际上,在进行加压时样品的挤压必然会伴随着体系温度的上升(这是造成数据离散的重要因素),所以实验过程中加压后一定要待样品与环境温度达到平衡后再进行压力的测量。

5.数据处理方法

由于压标物质(一般为矿物颗粒)内部往往存在着应力,在相同的温度和压力下往往具有不同的谱学性质(例如具有不同的拉曼光谱的测量值),因此测量压力时必须要消除此影响。为了简便,在进行数据处理时是以常温常压的测量值作为零压值。例如,石英的464 cm-1拉曼峰可能是465 cm-1463 cm-1(取决于不同的石英颗粒和温度)等不确定的值,数据处理时应采用实际温度和零压下的测量值。




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