（机械设计及理论专业论文）带电尘土特性及其在电场下沉积特性的研究.pdf

北京邮电大学硕士研究生毕业舌文带电尘土特性度# 在电姊下沉积特性的研究 图1 ： 图2 ： 图3 ： 图4 ： 图5 ： 图6 ： 图7 ： 图8 ： 图9 ： 图10 圉1 1 圈1 2 图13 图14 图i 5 图i6 图17 图1 8 袁 轰 袁 袁 袁 图形目录 带电颗粒在电场中受力示意图 ， 密立根m o o 一5 型密立根油滴仪示意图 油滴盒结构示意圈， 尘土颗：娅的半径与其所带电荷量的关系 密度对尘土带电量“带”的影响 尘土颗枉的半径与其所带电荷量的关系 尘土带正电荷的带状分布区域 尘土带负电荷的带状分布区域 d ug t c a s 0 4 - c a c 0 3 带电量比较， d u s t c a c 0 3 - a l2 0 3 带电量比较， 带正电荷尘土颗粒与带负电荷尘土颗粒的比较， 尘土在湿度3 0 、5 0 、7 5 下的带电量比较。，。，。 尘土在湿度3 0 、50 、75 下的带电量比较， 带负电尘土颗粒的半径与其所带电荷量的关系， 正负尘土颗粒带电量对比， 加速电压1 5 k v ，放大i 0 0 0 倍下，铜片上吸附尘土颗粒的典型照片 电镜放大1 0 0 0 倍，正负极板上吸附尘土颗粒数的比较， 电镜l o o o 倍下，正负极板土吸附的尘土密度比较 表格目录 尘土主要物相相对含量， 放大倍敷i 0 0 0 倍。正、负极板上吸附的尘土颗粒数 放大i 0 0 0 倍，不同粒径的尘土颗粒在正、负极板上吸附数量的百分比 放大倍数10 0 0 倍，正、负极板上吸附的尘土密度比，、 l0 0 0 倍，正、负极板吸附的尘土密度( 个平方毫米) ， 6 - 一13 一 一15 一 一16 一 一】9 一 一2l 一 一2 2 一 一23 一 2 4 - 一25 一 一2 5 一 一2 6 一 一2 7 一 一2 9 一 一3o 一 3 5 - 一3 8 一 一d 0 一 4 2 - - 20 - - 3 9 - 一4 t 一 一4 l 一 一4 1 北京邮电大学硕士研究生毕业论文带电尘圭特t 哇曼甚垄堕场下堤焦壁生! 皇塑壹 声明 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本入在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处 本人签名 本人承担一切楣关责任， 日期：苎! 三：2 ：! ! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属：京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、把编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于傈密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名：翻。盆 n v _ 适用本授权书。 r 期： b 丝苎：! ! 日期：丝! 三，! ! ! ! 童塑皇叁生堡主翌塞生生些垒圭曼皇尘圭壁些垦苎查垫堑王墨塑盐：竺堕塑塞 带电尘土特性及其在电场下沉积特性的研究 摘要 尘土污染是引发电接触故障的主要原因之一，而尘土颗粒的带电性对尘土污 染起着至关重要的影响，所以研究尘土颗粒的带电特征对电接触故障的影响有着 重要的理论意义和实际意义。 本论文主要研究了自然状态下尘土颗粒的带电特征、影响颗粒带电的因素、 尘土颗粒带电实验数据的统计学分析，以及尘土在外加电场中的沉积特征等，主 要工作如下： 1 ，对尘土颗粒带电量的测量方法进行了研究，选用密立根油滴仪对自然状 态下尘土颗粒的带电量进行测量。 2 使用密立根油滴仪对尘土颗粒的带电特性进行研究。研究尘土颗粒带电 的分布特征；找出尘土颗粒的带电量与粒径之间的关系：对带正电荷尘土颗粒与 带负电荷尘土颗粒的带电特性进行比较：研究环境因素对尘土颗粒带电量的影响 等。 3 运用统计学的方法对上述结论进行验证。进一步论证尘土颗粒带电量分 布特征的合理性以及对“带正电荷尘土颗粒的带电量高于带负电荷尘土颗粒的带 电量”这一结论给出统计学的论证。 4 对带电尘土颗粒在外加电场下的吸附特性进行初步研究。发现不仅尘土 颗粒被吸附的数量与电压的大小呈正相关关系，而且在相同条件下，带负电尘土 颗粒被吸附的数量要高于带正电尘土被吸附的数量。 关键词：电接触电接触故障尘土颗粒电荷密立根 垄查塑皇! 壁堑主塑窭兰兰些堡塞 堂量尘圭! 竺垦苎垒皇堡! 墨塑壁些塑堑窆 a b s t r a c t d u s tc o n t a m i n a t i o ni so n eo f m a i o rc a u s e sl e a d i n gt oe l e c t r i cc o n t a c tf a i l u r ea i d d u s tc o n t a m i n a t i 3 nw i l lm o r ee a s i l ya p p e a ri fe l e c t r i cc h a r g e sa r ec a r r i e db yd u s t p a r t i c l e s s o i ti s g r e a t l y c o n s t r u c t i v e a n d i m p o r t a n t b o t hi n t h e o r e t i c a l l y a n d p r a c t i c a l l y t om a k ear e s e a r c hi nc h a r a c t e r i s t i c so fc h a r g e dd u s t t h et h e s i s1 2 l a i n l yf o c u s e so nt h er e s e a r c ho fc h a r a c t e r i s t i c so fc h a r g e dd u s ti n n a t u r es t a t s ，t h er e s e a r c ho fe n v i r o n m e n tf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c e sh o wd u s ti s c h a r g e d ，t h es t a t i s t i c sa r t a l y s i so fe x p e r i m e n td a t a o f c h a r g e dd u s t ，a n d t h ea b s o r p t i o n c h a r a c t e r i s t i c so f c h a r g e dd u s tu n d e re l e c t r i cf i e l d ，m a j o rc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 c h o o s em i l l i k a nm e t h o dt of n e a s n r et h ec h a r g e sc a r r i e db yd u s ti nn a t u r e s t a t u s 2 ，s t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc h a r g e dd u s tu s i n gm i l l i k a nm e t h o d ，i n c l u d i n g d e s c r i b i n gd i s t r i h u t i o no f c h a r g e s c a r r i e db yd u s t ，f i n d i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e c h a r g e sm a dr a d i u so fd u s t ，c o m p a r i n gt h ea n a o u n to fc h a r g e sc a r r i e db yp o s i t i v e c h a r g e d d u s tw i t h n e g a t i v ec h a r g e dd u s t ，a n dm a r k i n gr e s e a r c ho fe n v i r o n m e n tf a c t o r s w h i c hi n f l u e n c et h ea m o u n to f c h a r g e sc a r r i e db y d u s t 3 f u r t h e rp r o v et h ec o n c l u s i o n sd r a w na b o v ev i aa t m l y s i sm e t h o d s 4 s t u d yt h 。a b s o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fc h a r g e dd u s tu n d e re l e c t r i cf i e l d w e d r a wc o n c l u s i o n st h a tt h en u m b e ro fd u s ta b s o r b e dh a sap o s i t i v er e l a t i o n s h i pw i t l l v o l t a g eo f e l e c t r i cf i e l d ，a n dt h a tt h en u m b e r o f n e g a t i v ec h a r g e dd u s ta b s o r b e di s m o r et h a nt h a to f p o s i t i v ec h a r g e dd u s ta b s o r b e do nc o u p o n k e y w o r d s ：e l e c t r i cc o n t a c t ，e l e c t r i cc o n t a c tf a i l u r e ，c h a r g e dd u s t ，m i l l i k a n 北京邮电太学硕士研究生毕业论文雹垫尘圭赞一些垦苤垄鱼塑! 丝塑壁：堡盟堡塞 第一章绪论 1 1 尘土污染对电接触可靠性的影响 1 11 电接触可靠性研究的重要性 电接触是专门研究电子可靠性连接的科学，是涉及到机械电子，材料，化 学等多门学科，是一门交叉科学，在通信，自动化和其他机电产品中发挥着很重 要的作用。 许多电气产品，例如，如计算机，手机等，包含有许多触点，每一个触点都 相当于一个元件。所以电气产品的可靠性极大的依赖于触点连接的可靠性，并且 随着触点数目的增多，电气产品的可靠性呈下降的趋势。事实上，近年来许多发 达国家在电子和电气领域所取得的成就很大程度上取决于可靠的电连接。 然而在中国，这一特殊的学术领域曾经受到长时间的忽视，当时的很多电连 接方面的失效被认为是加工制造的问题。随着科研水平的不断提高和外来先进技 术的不断引进，越来越多的科学家和工程师认识到电接触问题不是一个简单的问 题，而是一个特殊的学术领域，它有着特定的理论，研究方法和实验方法，甚至 有着特定的加工制造方法，是一门必要的，不可缺少的学科。因此，从事电接触 领域的研究有着重要的意义。 1 1 2 尘土污染研究的重要i 生 在电接触领域的研究中，“尘土对电接触可靠性的影响”是一个很重要的研 究课题。 大气环境中尘土对电接触性能的影响是巨大的，早在6 0 年代， j b p w i l l i a m s o n 和k m a n o 博士就已描述了尘土造成的严重电接触失效“3 。 虽然，在西方国家环境污染得到了极大地改善，但1 9 8 0 年代中期，8 r e a g o r 指 出尘土仍是造成了通讯系统电接触失效等一些严重问题”1 。研究表明：尘土污染 是机电元件电接触故障的主要原因之一| 。“。 随着我国工农业的进一步发展，出于对环境保护和治理的措施和力度不火， 些奎塑垫垄童婴主堑查生兰些焦塞生皇尘圭! 羔堡垒苎垄兰堑! 墨坚竖垦塑堑塞 使得环境污染变得越来越严重，空气的质量越来越差，尤其是次尘的含量大幅度 上升，沙尘暴天气更是屡见不鲜。尘土造成接触故障甚至设备运行故障的现象已 越来越被人们发现和重视。比如同样的手机在中国使用时的返修率比国外的要高 很多，主要原因与中国的空气质量差有关系，这将对我国电子电气事业的进一步 发展设置了障碍，同时也对我国电接触领域的研究提出了更加严峻的课题。 11 3 电接触表面尘土污染的研究现状 1 尘土的成分研究： 尘土的成分非常复杂，尘土中8 0 的成分是无机物，包含2 0 多种物质例 如：各种长石、云母、石英、石膏、方解石等”3 。约有4 的无机物为可溶性盐 类，例如：硫酸赫、硝酸盐及氯化物等。”。尘土中2 0 2 的成分包括大约2 0 多枣 有机物，它们主要来源于煤的燃烧和交通废气的排放。 2 尘土颗粒的尺寸对电接触性能的影蛹： 对应于不同的接触表面形貌，存在着一个尘土颗粒的危险尺寸范围，这个尺 寸范围内的尘土，即使是在尘土分布密度不大的情况下也往往会造成电接触故障 “。理论上，在接触对之间，当颗粒的尺寸比较大的时候，接触对之间的相对滑 动会将颗粒推到接触区之外。这样就不会造成电接触失效。当颗粒的尺寸比较小 时，颗粒会嵌入到接触面的波谷之间，不会影响到微观形态上波峰与波峰的接触， 也不会造成电接触的失效。能够造成失效的颗粒的尺寸是相对于波谷而苦，其直 径应大于波峰至波谷的距离。也就是蜕，相对与不同粗糙程度的表面来蜕，对它 造成潜在故障威胁的颗粒的大小是不同的。 3 尘土的腐蚀效应： 在一定湿度的情况下，尘土的某些成分会在接触表面形成电解液，通过镀层 表面的缺陷与基底金属发生反应，对连接器造成腐蚀从而影响接触可靠性，造成 失效。对腐蚀膜层的初步研究结果表明腐蚀膜中央杂着大量尘土成分，而且尘土 的出现对腐蚀机理必然产生影响“ 1 。 4 尘土的沉积特性： 从以上的讨论可知，为有效的防止山尘土引起的电接触失效，需要迸一步了 。披晕量汁 2 按重量计 北京邮电戈擘硕士研究生毕业论文带电尘土特性及其在电场下沉积特性的研究 解尘土在连接器触点上的沉积特性，以便有效防止和避免尘土对电接触的影响 我们可以把影响尘土在触点表面沉积效应的因素主要归结为两个方面：一是 特殊环境因素，比如不同的气候或是不同的地区对尘土沉积效应的影响二是共 有因素下面我们主要谈一谈共有因素对尘土沉积作用的影响 a 尘土的带电性对沉积作用的影响： 大部分尘土都带有电荷，一部分带正电荷，另部分带负电荷当带电尘土 颗粒靠近连接器触点时，他们之间就会产生电场从而形成电场力将尘土颗粒吸 附 b 触点表面的放置方向和触点表面粗糙度对沉积作用的影响： 实验表明当触点表面水平放置1 时，尘土沉积密度与触点表面粗糙度之间的 关系不大：当触点表面竖直放罱时，尘土沉积密度与触点表面粗糙度之间呈现密 切的负相关关系，即触点表面的粗糙度越大，尘土沉积密度越小原因是随着触 点表面粗糙度的增大，就会容纳更多的大颗粒尘土沉积在上面，大颗粒的存在又 会排斥小颗粒尘土在触点表面的沉积然而在尘土颗粒中，小颗粒尘土的数目占 多数，因此大颗粒的增多就意味整体尘土沉积密度的减小 深入了解尘土的沉积特性对于研究尘土在触点接触区的沉积机理，以及如何 防止尘土在接触区的沉积从而减缓甚至消除出尘土引起的电接触故障有着重要 的意义从以上的论述我们可以看出，尘土的带电性对尘土颗粒的沉积特性起着 不容忽视的作用，因此我们很有必要进步研究尘土的电特性以及尘土的带电性 对电接触可靠性的影响 1 2 尘土带电研究的重要性 目前，电接触科研室在章教授的带领下，在“尘土对电接触可靠性的影响” 领域已经建立了相当完各的体系，但是在尘土带电性的研究f 在深入。因此研究 “尘土带电对电接触可靠性的影啊”是对“尘土对电接触可靠性的影响”这一理 论体系的必要补充，同时也为我们今后从事电接触领域研究提供更多的理论依 据。 目前，我们在工作和实践中遇到的某些问题，用现有的理论和方法难以进行 即当尘十颗粒所受熏力和尘= 二颗粒与触点表坷之间的吸附力相l 行时 9 - 北京邮电大学硕士研究生毕业论文带电尘土特性及其在电场下沉积特性的研究 很好的解释，比如在尘土实验中，为什么使用人造尘土很难引起电接触失效而自 然尘土很容易引起电接触失效呢? 其中一卜原因当然是因为人造灰尘的成分太 简单，不足以模以真实情况：另一个原因也许是因为人造灰尘不像自然状态下的 灰尘那样带有足够的电荷易于吸附在电接触表面。为了深入的回答此类问题，就 必须对尘土的带电性及其对电接触可靠性的影响展_ 丌深入的研究。 1 3 本论文的主要工作 本论文研究了自然状态下尘土颗粒的带电特征、影响颗粒带电的因素、尘土 颗粒带电实验数据的统计学分析，以及尘土在外加电场中的沉积特征。主要工作 有： l 采用密立根方法对尘土颗粒的带电特征进行了研究。 2 对尘土颗粒带电的影响因素进行了研究。 3 采用统计学方法得出尘土带电特性的一些规律。 4 研究分析尘土在外加电场中的沉积特性。 本论文的结构为： 第一章绪论，阐述了尘土颗粒带电与电接触故障的关系和本论文选题的意 义。 第二章尘土带电量的测量及数据的处理，主要论述了尘土颗粒带电量的测 量方法及实验数据的处理方法。将密立根方法应用于自然状态下尘土颗粒电荷的 测量：运用m a t l a b 软件对实验数据进行处理，得出尘土颗粒带电特性的规律。 第三章尘土带电特性的分析，本章主要探讨了在自然状态下，尘土颗粒的 带电量与粒径之间的关系，带电尘土的带状分布特性，尘土颗粒的带电量与环境 湿度的关系，以及e 电荷尘土颗粒与负电荷尘土颗粒带电性的比较等。 第四章尘土颗粒带电特性实验数据的统计学分析，本章运用统计学理论对 第三章得出的某些结论进行分析、论证，以证明上述的结论不是偶然的，而是普 遍存在的规律。 第五章尘土：i 芏外加电场中的沉积特征，本章通过实验观察尘土颗粒在外加 电场中的沉积特性，从而证明了第三章中得出的某些结论的f 确性和现实意义。 北京邮电大学硕士研究生毕业论文带电尘土特性及其在电场下沉积特性的研究 方。 第六章结束语，介绍本论文的主要观点、结论，以及下一步需要完善的地 北京邮电戈学硕士研究生毕业论文带鱼尘土特一j 生应其在电场下逗积生t 塑研建 第二章尘土带电量的测量及数据的处理 本章主要论述了尘土颗粒带电量的测量方法及实验数据的处理方法。将密立 根方法应用于自然状态下尘土颗粒电荷的测量；运用m a ti a b 软件对实验数据进 行处理得出尘土颗粒带电特性的规律。 2 1 电量的测量方法 2 1 1 密立根测量方法 常用的测量颗粒电荷的方法是法拉第筒法“”，使用法拉第筒法可以测量多 个尘土颗粒的电荷总量，该电荷量为颗粒正、负电荷中和后的宏观结果，但是浚 方法无法测量单个尘土颗粒的电荷量。在本实验中我们采用密立根方法。 密立根测量方法是一种典型的用来测量油滴带电量的实验方法。”。”。出美国 实验物理学家密立根首先设计并完成，在近代物理学的发展史上是一个十分重 要的实验。它证明了任何带电体所带的电荷都是某一最小电荷一一基本电荷的整 数倍，明确了电荷的不连续性，并精确的测量了基本电荷的数值。 我国许德玄教授”1 使用密立根方法测量了粉尘荷电后的电荷量，他的研 究方法对于我们研究尘土颗粒的带电性具有重要的参考意义。我们将密立根方法 应用于自然状态下尘土颗粒静态电荷的测量。 将该实验用二f 尘土颗粒带电量的测量，使尘土自由下落至样品仓进行测量， 这样可以分别测量出单个尘土颗粒所带的正或负电荷的量。 2 1 2 密立根测量方法的原理 实验仪器中有一互相平行的金属板，板间距为d ，在两板之问加上直流电压 矿。当带电颗粒进入两板之间时，设颗粒的质量为m ，所带的电荷为q ，则带电 颗粒在平行极扳之问将同时受到重力”，g 和静电力g e 的作用，如图1 所示： 北京邮电大学硕士研究生毕业论文带垦尘圭壁丝垦墨查垫堡! 墨塑生：幽堑塞 图l ：带电颗粒在电场中受力示意图 通过调节两板之间的电压矿，颗粒所受的重力与其所受的电场力就会达到 平衡，从而使颗粒保持静止。其平衡方程式为， 愕叫= g 善 ( 1 ) 从上式可以看出，为了测出颗粒所带的电量叮，除了需测定平衡电压矿和极板问 的距离d 外，还需测量颗粒的质量m 。因m 很小，需用如下方法测定：当撤掉 两板之间的电压后，带电颗粒就会在重力的作用下加速下落。当颗粒的下落速度 达到k 时，它所受的重力就会与空气阻力厂相平衡根据斯托克司定律，可建立 如下方程， ，f = 6 m - r v x = m g ( 2 ) 其中玎是空气粘度系数。r 是颗粒的有效半径。 假如p 是颗粒的密度， m 是颗粒的质量，则有 m = 詈3 p 颗粒的有效半径可以表示为， f 9 叩匕 忙、磊 当球体半径小到1 0 6i l l 时，空气粘度系数卵可以校f 为 ( 4 ) 北京邮电大学硕士研究生毕业论文带电尘土特性厦其在电场下沉积特性的研究 拈专 l 一 d ， 其中b 是校正系数， b = 6 1 7 x 1 0 m 。c m g ，p 是大气压强( c m h g ) 。半径又可以 表示为， ( 5 ) 上式根号中还包含颗粒的半径，但因它处在修难项中，可以不十分精确，因此可 以用( 4 ) 式计算。将( 5 ) 式代入( 3 ) 式，得： 舭3 业2 p g 商o 。 f 1 + 旦、 p 7 ( 6 ) 至于颗粒匀速下降的速度k ，可用下法测出：当两极板间的电压矿为零时，设颗 粒匀速下降的距离为z ，时间为t 。，则： ”z 。石 7 将( 7 ) 式代入( 6 ) 式，( 6 ) 式代入( 1 ) 式，得： g - 嵩焉1 ；吾 ( 8 ) 在密立根实验中，尘土颗粒下降的f 。和v 可以被测量出来，于是颗粒的半径r 和 所带电量q 可以：分别由方程( 5 ) 和方程( 8 ) 计算出来以上就是密立根方法测 量颗粒所带电量的理论公式。 2 ，2 实验数据的采集和处理方法 2 2 1 实验设备和数据采集 北京邮电大学硕士研究生毕业逢文堂皇尘圭壁：些垄苎查垫堑! 墨垒壁坚生塑查 本实验采用的是南京培中科技开发研究所生产的m o d 一5 型密立根油滴仪，如 图2 所示： 图2 ：密立根m o d 一5 型密立根油滴仪示意图 图中油滴盒中放置一平行极板，极板唰距为5 o o m m ，极板之间接通一直流 电压，极板的极性可相互调换，极板问电压可以通过调压旋钮进行调节，可调范 围为0 5 0 0 v 。进行测量时，带电颓粒在平行极板间匀速下落1 时，取其中的2 m m 的距离作为测量距离，通过计时器来记录其下落的时间。同时颗粒的图像和其下 落的距离可以通过显示器和显示器上的刻度进行观察记录。 为了帮助更清楚的了解实验的过程，图3 详细显示了油滴盒的内部结构： 颗粒出上极板的绝缘小口落入极板之间，调整极板阊电压至颗粒在板啕悬浮 不动，已下此时的平衡电压v 然后撤掉极板问的电压，使其自由下落至匀速运 动，然后记录其匀速下落2 m m 所用的时间t ，于是便得到一组测量数据：( v 和t ) 。 由于被测颗粒的带电量极易受环境和实验操作的影响，所以在实验时应尽量 减少外界对颗粒带电量的影响，为此，应做到： l 将待测颗粒轻轻放在上极板入口出，让其自然落入极板间，或者用微风轻 轻吹入极板间。 当熏力宁气阻力相5 1 2 衡 些蔓竺皇叁芏墅主堑塞生生些堡圭堂皇尘土4 皇些及其在电场下沉积特性的研究 2 测量时选择的颗粒不能太大，因为太大的颗粒下将的速度一般较快，时间 不容易测准确。 3 测量时选择的颗粒也不能太小，太小则布朗运动太明显，影响测量结果的 准确性。 图3 ：油滴盒结构示意图 2 2 2 尘土的收集 在北京西部地区的北京邮电大学教4 楼一问实验室中，我们收集了大约3 c m 3 的尘土这些尘土是自然下落到玻璃板表面的。 22 3 尘土密度的泌量 由于尘土是由各种不同密度的物质组成的，所以测量每种物质的密度是不 可行的，因此我们采用平均密度的方法。尘土平均密度的测量采用比重瓶测量法。 填充液体用纯水，测量结果表明尘土颗粒的平均密度p 大约是2 3 9 c m 一3 。 2 2 4 数据处理 在以上实验中，根据被测量出的，。和y ，于是颗粒的半径，和所带电量g 可 以通过如下公式计算： r = 乏 夏碱 北京邮电大学硕士研兜生毕业论文带电尘土特性厦葬在电场下沉积蛙堕鱼研究 其中：p = 2 3 9 。c m 3 g = 9 8 0 m j 叩= 1 8 3 x 1 0 - 。培一j l ：2 0 0 1 0 m b = 6 1 7 x i c l 6 川c 搬婊 p = 7 6 o c m ( h g ) d ：50 0 1 0 - 3 m 2 3 用m a ti a b 软件进行曲线拟合和图形处理 ( 9 ) ( 1 0 ) 为了从己测量的数据中提炼到有价值的结果和将测量结果更加直观可信 的表达出来，我们将采用m a t l a b 软件对已测数据进行基于最4 - - 乘法的多项式 曲线拟合和图形：处理。 2 3 1 最d - - 乘法原理 应用最小二乘法则拟台出来的曲线称为最佳曲线拟合。所谓最d - 乘法 则，是使得拟合曲线满足：实验所得数据与曲线上对应值的残差之平方和最小的 一条曲线。即对于给定的实验数掘惦j y ，) t 产：0 1 2 、n2 ) ，找到自变量 与因变量之间的函数关系j 。2 flr 、) 。 设实验数据x ? 存在的残差为 6 = f 矗，1 。j 。“( 产0 - 1 - - ) j j ) ， 要求在找到一条曲线j 25 + h 1 ，使得 d 一矿 写 卫 卜0 活 北京邮电大学硕士研究生毕业论文带电尘土特性及其在电场下沉积特一| 生的研究 残差的平方和最小，即： 厢= i s 川：= n l i t 【s ( x 卜y i 】： 产c】= 0 j 20 ( j = 0 i 、辛j 7 ) 残差的平方和越小，拟合效果越好，说明两个变量之间的关系越密切。 2 3 2 用m a t i a b 软件进行毅据处理 m a t l a b 是美国m a t h w o r k s 公司于1 9 8 2 年推出的一套高性能数值计算软件， 并且经过多年来的不断完善，现已发展成为适合多学科、多种工作平台的功能强 大的大型软件。在欧美的许多工科院校，m a t l a b 已经成为线性代数、自动控制 理论、数理统计、数字信号处理、时怕j 序列分析、动念系统仿真等高级课程的基 本教学工具。而且m a t l a b 软件以其优秀的性能已成为工程界得心应手的软件之 一，我们在此仅采用m a t l a b 软件在数据处理中的曲线拟合处理方法。 曲线拟合是数据处理中最常用的方法之一，它是运用最小二乘法、拉格朗同 法、牛顿法等算法，利用多项式或其它已知函数，对所测得或采集到的离散数据 点进行逼近，如果要用人工计算，则计算量非常之大而且比较繁琐，若利用 m a t l a b 软件，则只需要少量语句就可完成。同时利用m a t l a b 强大的绘图功能， 还可以将拟合而成的曲线绘制成图，使之目了然。 下面我们通过实例来说明这一方法在本实验中的应用： 实验材料：即为上述中收集的尘土 实验仪器：密里根油滴仪( 型号：m o d 一5 ，制造商：中国南京培中公司) 实验条件：温度：2 3 ，湿度2 2 2 5 通过测量尘土颗粒下落时间t g t 和极板之间地电压y2 ，我们共收集了1 8 3 组 数据带入方程( 9 ) 和( 1 0 ) ，可以求出尘土颗粒的半径和其所带的电荷量 用m a f l a b 可以绘制所测量数据的散点图和进行最小二乘的曲线拟合。图4 是所测数据的散点图，图中横坐标代表尘土颗粒半径，纵坐标代表尘土颗粒所带 电荷量。 极板j u 慷为0 ，微板：! 间距离，保持i i 变 ! 肖颗粒保持静止时的u 压 ! ! 室塑垫叁兰堡堑茎堂业论文带电尘土特性厦其在电场下沉积特性的研究 图4 ：尘土颗粒的半径与其所带电荷量的关系 同时，用最小二乘法对所测数据进行曲线拟合，我们可以看出这些数据所 隐含的规律如图4 所示，尘土颗粒所带的电量随其半径的增大而增加当尘土 颗粒半径在0 5 p , m 和2 5 叩之间时，其所带的电荷约在i3 。i o m c 和li 。1 0 c 之 间拟合曲线可以用如下方程式表示： y = 1 o 对+ 8 7 2 x lc r 6 f 一7 5 4 x 1 0 - 1 3 x + 1 5 8 1 0 - 1 8 其中y ：尘土颗粒所带电荷量x ：尘土颗粒的半径 由以上的分析我们可以看出，通过m a t i a b 工具，我们不仅可以方便的得到 数据之间的关系，而且可以将这种关系很方便得直观的表现出来。 2 3 3 尘土密度对数据处理的影响分析 我们知道，在上述计算过程中，我们所采用的尘土颗粒的密度是尘土的平均 密度，而不是单个尘土颗粒的密度。于是平均密度和单个密度之问就会存在一定 的误差，那么这种误差会不会对我们的实验结论产生影响呢? 下面我们来具体分 北京邮电托学硕士研完生毕业论文带电尘土特性厦英在电蝎下沉积特性的研究 析一下。 尘土颗粒是由多种成分组成的。在尘土的组成中：约2 0 为有机物，约8 0 为无机物，无机物中的4 为可溶性献类。对原始尘土的物相分析表明，以下 物质在尘土中帽对含量较大，见表l 。 i 石英钠k = 石微斜i _ = 石方解石石贵n 云母 倍长石歪k 石人造不膏黑云母 i 柏对舍鬻 l0 5 202 5o 4 80 ，0 5 a4 l 5 密度 26 4 2 6 6z ，6 l25 6 27 12 3 22 ，7 6 2 8 0 表1 ：尘土主要物相相对含量 由表1 看出，尘土中各主要成分的密度是各不相同的，有密度较大的如白 云母、黑云母。尘土中还含有一定量密度较小的有机物，但有机物一般与尘土颓 粒包裹在一起存：芷，因此，实验中被测颗粒的密度虽会因有机物的存在有所降低， 但不会低于尘土平均密度很多。再加上考虑到由于以尘土的平均密度代替尘土颗 粒密度所产生的误差，所以我们分别用不同的密度如2 0 、2 6 6 和2 ，8 来分别代 替尘土的平均密度2 3 以云母的密度代替尘土的平均密度，所得的拟合曲线见匿i 5 。 北京邮电大学硕士研究生毕业论文带电尘土犍竺垦其在电堕丁沉璺硅：些鱼堑宽 图5 ：密度对尘土带电量“带”的影响 从图中可以看出：当用不同的密度代替尘土平均密度时，所得的数据会有偏 差，但由此引起的偏差：并不能影响“尘土颗粒的带电量随粒径的增加而增大”的 趋势，也就是说j 比偏差的存在对实验结果的影响是很小的。 因此我们在公式中用尘土的平均密度代替尘土颗粒的密度柬对测量数据迸 行处理是不会影响实验结果的。 2 4 本章小结 本章将密立根方法应用于尘土颗粒的电荷测量，从而找到了一种能够分别 定量地测量尘土颗粒中所带的正、负电荷量的有效的方法。除此之外，本章还描 述了如何刹用m m t l g h 工具，运忍最小二乘法原理对所测量的数据进行曲线拟合， 从而找出尘土颗粒的带电规律。 北京邮电大学硕士研究生毕业论文带电尘土特性及其在电场下沉积特性的研究 第三章尘土带电特性的分析 实验结果发现，在自然状态下的尘土颗粒，一部分带有负电荷，一部分带有 正电荷，少量颗粒不带电“”。本章主要探讨了在自然状态下，尘土颗粒的带电量 与粒径之间的关系，带电尘土的带j 扶分布特性，尘土颗粒的带电量与环境湿度的 关系，以及正电荷尘土颗粒与负电荷尘土颗粒带电性的比较等。 3 1 尘土的粒径对尘土带电量的影响 在实验温度为2 3 。c ，实验为湿度2 2 一2 5 的条件下，我们对带负电荷 尘土颗粒进行测量，测得了1 8 3 组数据。 图6 是所测数据的散点图，图中横坐标代表尘土颗粒半径，纵坐标代表尘土 颗粒所带电荷量。 图1 ：尘土颗粒的半径与其所带电荷量的关系 采用m a t l a b 软件，用最小二乘法对所测数据进行曲线拟合，我们可以看出 这些数据所隐含的规律。如图6 所示，尘：匕颗粒所带的电量随其半径的增大而增 北京邮电大学项士研究生毕业论文带电尘土特性及其在电场下沉积特性的研究 加。当尘土颗粒半径在0 5 m 和2 5 叫之问时其所带的电荷约在13 1 0 “8 c 和1 1 1 0 “6 c 之间。 拟合曲线可以用如下方程式表示： v ：1 0 岔十8 7 2 x l o - 6 一7 - 5 4 1 仃1 + 1 5 8 k 1 仃1 8 其中y ：尘土颗粒所带电荷量x ：尘土颗粒的半径 我们采用同样的方法对带f 电荷的尘土颗粒进行测量，也发现了同样的舰 律，即尘土颗粒所带的电量随其半径的增大而增加如图7 所示。 图7 ：尘土带正电荷的带状分布区域 3 2 带电尘土颗粒的带状分布特性 3 2 1 带负电荷尘土颗粒的带电量呈带状分布 我们对带负电的尘土颗粒进行测量，并且将测量数据描绘在以尘土颗粒粒径 为横坐标，以尘土的带电量大小为纵坐标的坐标系中。通过描绘的散点图我们可 以看出，虽然尘土带电量的整体趋势是随半径的增加而增大，但是其分布比较发 散，并不是集中在某条直线或曲线周围，而是呈带状分布，如图8 所示。 ! ! 室塑皇查生堕主塑塞垒生些堡塞 堂垒尘圭鲎：堡垒釜垒墨望! 望堕三! 生幽l 图8 ：尘土带负电荷的带状分布区域 我们现在的问题是，这一带状区域的分布是出于尘土成分的复杂性引起的还 是带电尘土分布的固有特性呢? 带着疑问，我们先柬看看带正电尘土和其他单物 质带电颗粒的分布特性 322 带正电荷尘土颗粒也同样呈带状分布 实验发现，有些尘土颗粒带有厄电荷，使用与上述同样的j 9 1 i i 量和数掂处理方 法我们得到了图7 所示的散点图结果发现带正电尘土颗粒也呈带状分布。 3 23 纯物质所带电荷也呈带状分布 为了对上述结果进行进一步的验证，我们选择了纯物质颗粒进行测量和分 析例如，我们选择了尘土中的成分，如c a c 0 3 ，c a s 0 4 ，c a s 0 4 h 2 0 ，a 1 2 0 3 等，对他们的带电量进行了测定，其中它们的密度分别为c a c 0 3 ：2 9 3 0 9 t 2 m ， c a s 0 4 ：2 9 6 0 gc 聊，a 1 2 0 3 ： 9 6 5 9 c m 一。实验结果发现：上述物质的带 电量也呈带状分布，见图9d u s t c a s 0 4 一c a c 0 3 带电量比较和图1 0d u s t c a c 0 3 一a 1 2 0 3 带电量比较a 4 北京邮电大学硕士研究生毕业论文带电尘土特性及其在电场下沉积特性的研究 图9 ：d u s t c a s 0 4 一c a c 0 3 带电量比较 图1 0 ：d u s t - c a c 0 3 一a 1 2 0 3 带电量比较 t 2 5 些杰竺鱼查芏塑主堑壅垒芏些堕查带电皇圭劈性厦其在电场下沉积特性的研究 以上结果况明：尘土的带状分布，不是由尘土颗粒的复杂成分引起的。而是 在自然荷电状态下，带电尘土分布所表现出的一种固有特性。如何理解这一现象 呢? 我们知道，尘土颗粒的在自然状态下的荷电机理比较复杂，与荷电方式、物 质的状态、周围的环境等诸多因素有关，再加上是在自然状态下荷电，使得不确 定因素变得更加复杂；同时由于固态物质的静电聚积原理我们知道，即便是同一 粒径的尘土颗粒，有的颗粒静电聚积达到饱和，有的没有达到，于是更加加剧了 分布的带状特性。所以在多方面因素的综合作用下，就必然导致了尘土颗粒的带 状分佰。 3 3 带正电荷尘土与带负电荷尘土的带电特性比较 在温度为2 3 。c ，湿度为2 2 2 5 的实验条件下，我们对带正、负电荷的尘 土颗粒进行测量，并进行比较，如图1 1 所示。 测量结果表明，在自然荷电条件下，相同粒径条件下，带正电荷的尘土颗粒 所带的电量多于带负电荷尘土颗粒所带的电量。 图1 1 ：带正电荷尘土颗粒与带负电荷尘土颗粒的比较 北京邮电走学硕士研究生毕业论支带电尘土特性及其在电场下沉积特性的研究 3 4 环境湿度对尘土带电量的影晌 我们在实验中测定了在温度保持不变，湿度在3 0 、5 0 、7 5 下的尘土 的带电量，见图1 2 、图1 3 。从图中可以看出：坏境湿度越大，尘土颗粒带电量 越少。 图1 2 ：尘土在混度3 0 、5 0 、7 5 下的带电量比较 北京邮电大学硕士研克生毕业论文堂垫尘圭壁：堡垦基垒塾堡王墨塑鳖一些塑堑壅 图1 3 ：尘土在湿度3 0 、5 0 、7 5 下的带电量比较 当相对湿度提高时，空气中的水分子作热运动撞击到尘土颗粒表面的几率增 大，水分子容易被颗粒吸收或附着在表面。由于水的强极性和高电阻率，以及溶 解在水中的杂质1 的作用，使颗粒的表面电阻率大大下降，从而改善其表面的导 电性，使颗粒表面的电荷减少。这个结果与湿度对粉尘的荷电影响及对物体起静 电的影响是一致的。 3 5 本章小结 实验结果表明，在自然状态下的尘土颗粒，一部分带有负电荷，一部分带有 正电荷，少量颗粒不带电”。无论是带f 电荷的尘土颗粒还是带负电荷的尘土颗 粒，它们的带电量都随着颗粒半径的增加而增大，并且带电量与颗粒半径之削的 关系用三次多项式能够得到很好的拟合；无论是带正电荷的尘土颗粒还是带负电 荷的尘土颗粒，它们带电量的分布呈带状结构：环境湿度越大，尘土颗粒带电量 越少；在相同条件下，同粒径的带正电荷尘土颗粒比负电荷尘土颗粒的带电量要 ，( 。 例如：一氧化碳 北京邮电太学硕士研究生毕业论文带电尘土缱一些垦基在! 垦堕下沉幸墨竺! 些盟堑壅 第四章尘土颗粒带电特性实验数据的统计学分析 本章运用统计学理论对第三章得出的某些结论进行分析、论证，以证明上述 的结论不是偶然的现象，而是普遍存在的规律。 4 1 对尘土颗粒分布特性进行统计学分析的原因 在第三章中。我们通过实验数据总结出了一些有用的规律，如“带电尘土颗 粒的带电量随着粒径的增加而增大”，“相同粒径的正电荷尘土颗粒的带电量高于 负电荷尘土颗粒的带电量”等。 现在我们面临的问题是，以上的结论仅仅是根据我们所测量的样本数掘得出 的，当样本数无限增多时，上述的结论是否依然成立呢? 即，以上的结论对于样 本总体来说是否依然成立昵? 具体来况，拿“负电荷尘土颗粒的测量数掘”为例， 我们对带负电尘土颗粒的带电量进行测量，得到1 8 3 组样本数据，并得出结论“负 电荷尘土颗粒的带电量随着粒径的增加而增大”。用最小二乘法对这些样本数据 进行曲线拟合，其变化趋势可用一个一元三次多项式表示，并且里带状分布，如 图1 4 ； y - - - i 0 2 r 3 + 8 7 2 x l o “x 2 7 5 4 x 1 0 - ”x + 1 5 8 ( 1 0 - 1 8 北京邮电大擘顾士研究生毕业论文堂皇尘圭塑：堕垦基查皇塑! 墨翌壁竺生堑壅 图1 4 ：带负电尘土颗粒的半径与其所带电荷量的关系 现在的问题是：上述的结论和得到的曲线拟合方程。是仅仅基于1 8 3 组样本数据 得出的结果，如果当测量的样本量达到无穷多时，是否还能得出同样的拟合方程 呢? 即上述的规律是否依然存在? 方程中z ，z 和x 的系数以及常数项 1 5 8 1 0 。8 对于样本总体从统计上讲是否合理呢? 带着上述问题，我们将采用统计学中假设检验的理论来证明第三章中的结论 对于样本总体来说依然成立。 4 2 进一步分析的统计学原理概述 在进一步分析之前我们首先探讨一些假设检验的相关理论和方法，主要讨 论如何用p 值i 来：鞋行假设检验的统计学分析。 4 2 1 假设检验常用方法 假设检验是推断统计中的一项重要内容，它是先对研究总体的参数做出某种 pv a h t e ，又称为s i g 3 0 北京邮电走学硕士研究生毕业论文带电尘土特性厦其在电场下沉积特性的研究 假设，然后通过对样本的观察来决定假设是否成立，假设检验有两种常用的方法。 第一利，方法是规定显著性水平b 的假设检验，其检验过程为： 第一步：提出原假设和备择假设 第二步：确定适当的检验统计量 第三步：查出与显著性水平m 所对应的临界值 第四步：计算检验统计量的值 第五步：做出统计决策 下面举例说明如何用“规定显著性水平m ”的方法进行假设检验。例1 根 据长期正常生产的资料可知，某厂所产维尼纶的纤度服从正态分布，其方差为 o 0 0 2 5 ，现从某同产品中随机抽出2 0 根，测得样本的方差为o 0 0 4 2 ，试判断 陔日纤度的波动与平时有无显著差异( 取= 0 1 0 ) 。 上述问题的检验过程为： b ：，= 0 0 0 2 5h ：d ：铷0 0 1 5 当 壬。为真时，统计量x ! = ( n 1 ) s ：? 口：= ( 2 0 一1 ) f j 0 0 0 2 5服从 x 。( 2 0 1 ) 分布，= 0i ，这是双侧检验，查表知临界值x ic 5 ( 1 9 ) = 3 0 1 4 统计量的值： 妒= ( n 1 ) f ，一 =