李慧翔-空气颗粒度测量装置

序号： 编码： 第十一届“挑战杯”广东大学生课外学术科技作品竞赛作品申报书 作品名称： 空气颗粒度测量装置 学校全称： 华南农业大学 申报者姓名 （集体名称）：李慧翔、古伟锋、丘海强、刘思敏、彭诗然 类别：自然科学类学术论文 哲学社会科学类社会调查报告和学术论文 科技发明制作A类 科技发明制作B类 说 明1申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。2申报者在填写申报作品情况时只需根据个人项目或集体项目填写A1或A2表，根据作品类别（自然科学类学术论文、哲学社会科学类社会调查报告和学术论文、科技发明制作）分别填写B1、B2或B3表。所有申报者可根据情况填写C表。3表内项目填写时一律用钢笔或打印，字迹要端正、清楚，此申报书可复制。4序号、编码由第十一届“挑战杯”广东大学生课外学术科技作品竞赛组委会填写。5学术论文、社会调查报告及所附的有关材料必须是中文（若是外文，请附中文本），请以4号楷体打印在A4纸上（文章版面尺寸14.522cm），附于申报书后，论文不超8000字，调查报告不超15000字。6作品申报书须按要求由各校竞赛组织协调机构统一寄送。7其他参赛事宜请向本校竞赛组织协调机构咨询。A2申报者情况（集体项目）说明：1必须由申报者本人按要求填写；2申报者代表必须是作者中学历最高者，其余作者按学历高低排列；3本表中的学籍管理部门签章视为申报者情况的确认。申报者代表情况姓名李慧翔性别男出生年月1989年10月学校华南农业大学系别、专业、年级应用物理系光信息科学与技术2008级学历本科生学制4年入学时间2008年9月作品名称空气颗粒度测量装置毕业论文题目无通讯地址广州天河区华南农业大学泰山公寓6栋601邮政编码510642办公电住地通讯地址邮政编码住宅电话其他作者情况姓 名性别年龄学历所在单位古伟锋男23本科生华南农业大学理学院丘海强男23本科生华南农业大学理学院刘思敏女21本科生华南农业大学理学院彭诗然女21本科生华南农业大学理学院资格认定学校学籍管理部门意见以上作者是否为2011年7月1日前正式注册在校的全日制非成人教育、非在职的高等学校中国籍专科生、本科生、硕士研究生或博士研究生。是否 （部门签章）年 月 日院、系负责人或导师意见本作品是否为课外学术科技或社会实践活动成果。是否负责人签名：年 月 日B3申报作品情况（科技发明制作）说明：1必须由申报者本人填写；2本部分中的科研管理部门签章视为对申报者所填内容的确认；3本表必须附有研究报告，并提供图表、曲线、试验数据、原理结构图、外观图（照片）,也可附鉴定证书和应用证书； 4作品分类请按照作品发明点或创新点所在类别填报。作品全称空气颗粒度测量装置作品分类（ A ）A机械与控制（包括机械、仪器仪表、自动化控 制、工程、交通、建筑等） B信息技术（包括计算机、电信、通讯、电子等） C数理（包括数学、物理、地球与空间科学等） D生命科学（包括生物、农学、药学、医学、健 康、卫生、食品等） E能源化工（包括能源、材料、石油、化学、化 工、生态、环保等）作品设计、发明的目的和基本思路，创新点，技术关键和主要技术指标一、作品设计、发明的目的在全球范围内，由于工业生产中大量使用煤炭、石油等燃料带来的颗粒物，对人类生活环境造成的危害是巨大的。除本身具有刺激和毒性作用外，这些可易与其他有害物质结合，危害人体。它能吸附有害气体和经高温冶炼排出颗粒物的各种金属粉尘，尤其是致癌性很强的物质，使人患上癌症。通过对工业粉尘、烟尘在线监测，从而对污染进行控制，已成为现代化环境监控及环境科学管理的有效手段。为了进行实时准确的测量，迫切地需要能应用于普遍工业场合的高科技粉尘连续监测分析仪器。因此，开发新的粉尘排放自动连续监测系统有很重要的科学意义和应用前景。在许多国家，影响健康的细颗粒物是一项重要的日常空气质量监督指标。但我国自从2000年在全国范围内开展城市空气质量日报工作以来,迄今有近300个城市发布地方城市环境空气质量情况，至今无一城市正式发布细颗粒物相关数据。2010年11月4日,环境保护部首次发布的中国机动车污染防治年报(2010年度)报告称,机动车排放污染物对环境影响日趋严重,我国一些地区酸雨、灰霾和光化学烟雾等区域性大气污染问题频繁发生,部分地区甚至出现了每年200多天的灰霾天气,这些问题的产生都与机动车排放的氮氧化物、细颗粒物等污染物直接相关。就空气污染的变化,环境保护部认为,灰霾、光化学烟雾和酸雨等复合型大气污染问题日益突出,严重威胁人民群众的身体健康和生态安全,并已成为社会各界高度关注和亟待解决的重大环境问题。2011年3月1日,环境保护部在公开环境空气质量指数(AQI)日报技术规定这项新环境标准征求意见稿时表示,我国已经制定新的空气质量监测标准,按照这项标准规定,影响人体健康的细颗粒物有望纳入监测范围。因此，可用于测量空气细颗粒的仪器装置的研究、设计有非常重要的意义。基于此，我们研究并设计了该装置，可用于测量空气的颗粒度，为环境监测提供了一个简便、直观、准确的工具。二、设计、发明的基本思路由于空气颗粒都是很小的，因此用一般的工具是不可能测量的。我们留意到两个现象：在一个黑暗的房间里，若有一束光照射进来，我们是可以很清晰地看到空气中的颗粒物的。这是因为光与颗粒作用后会发散，在暗场环境下散射光使微小的颗粒看起来更大；另外，一束光线如果被越多颗粒散射，那么穿过一定空间后的透射光强也会越小。基于光散射的原理，我们设计了光学系统将散射后的微粒像放大，并用一个CCD代替人的眼睛，用于观测颗粒，从CCD采集的图像可以知道被测空间颗粒的大小。其次，基于透过光束的光强与颗粒数量的关系，我们设计了电路系统测量，可以将测量透过光与入射光的比值，从而换算颗粒的数量。最后，我们的CCD图像采集与光强测量系统都是通过计算机控制的，因此利用我们自行开发的图像处理软件，可以计算出颗粒的大小和浓度。以下分别是装置原理图及实物图装置原理图装置实物图图中，首先激光被扩束后被一个半透半反镜平均分为两束，其中一束经过粉尘空间，被颗粒散射以后透射出来，另一束激光则没有经过粉尘空间，它即为原始光强。由于透射光强和原始光强的比，即透过率是和粉尘空间的颗粒浓度直接相关的，浓度越高，则透过率越小。因此，我们用两个光电探测器（sensor2和sensor2）测得原始光强和透射光强。并且两个光强信号通过一个数据转换电路传入到计算机当中，进行下一步处理。除此之外，要测量粉尘空间的颗粒浓度还需要知道粉尘空间里的粒径分布，所以在粉尘空间的侧边就有一个显微CCD，这是用来拍摄颗粒图像用的，它可以把拍摄到的颗粒图像保存到计算机当中，在计算机当中进行数字图像处理，就可以得到颗粒的粒径分布了。之后，我们结合测得的透过率，就可以计算颗粒浓度了。三、创新点 1、低廉造价实现颗粒物体的测量，并且放大焦距可变。我们使用了显微CCD，它与不同的透镜组合获得不同的放大倍数，可以轻易地实现了测量精度的可调性，这是普通CCD很难实现的。并且，我们利用的CCD是与电脑视频聊天的摄像头相似的设备，价格仅为58元，我们调研了已有的文献与设备，并没有利用这种生活中常见的物品来实现测量的。2、光散射后的颗粒有被放大的效果，并且透镜加CCD也有对图像放大的效果，我们提出了简便、便宜的倍率计算方法。我们用了一种很巧妙的定标方法计算颗粒的放大倍数。我们首先通过拍摄间距为2mm的平行线，从而获得像素与真实空间中的换算关系，这个数值对应着透镜和CCD的放大倍数；然后我们在同样的条件下已知直径的铜丝的散射像，通过铜丝的散射像和换算关系，可以计算颗粒的放大倍数。3、我们用数学软件Matlab开发了一个数据处理程序。通过程序当中的按钮，我们就可以很容易实现以上提到的所有数据处理功能，并且可以把结果实时显示出来。4、自行设计、制作了光电探测电路，可以实时测量光强的透光率，并且它的数据采集工作由计算机直接控制，数据可以直接用于后期处理。5、根据该作品的特点，我们提出了科学的误差分析方法，经分析，本系统可达到的误差为6.8%。四、技术关键和主要指标1、技术关键（1）选择透镜放大系统和CCD拍摄颗粒的放大像，CCD售价便宜，并且可以直观地给出图像结果。如下图所示。放大的颗粒图像（2）设计电路实现透过光和原始光的光强比，电路图如下图所示。我们采用光敏电阻对光进行探测，这是因为光敏电阻响应的线性范围较大，并且本系统需要响应的激光光强较大，因此光敏电阻是光电元件中较合适的一种。另外，我们设计了电路与计算机的串行接口，能够通过计算机直接控制电路的信号采集。光强测量电路控制通讯电路（3）设计了有效的计算方法实现颗粒的确定与粒径测量。在数字图像处理过程中，我们先寻找图像上最亮的点，然后围绕这个点作等高线，经过最亮点并与最内层的等高线相交的最短线段的长度即为颗粒的直径。通过大量的图像处理，对颗粒粒径进行统计，就可以得到粒径分布了。在图像上寻找颗粒位置、确定颗粒粒径的流程图见下图。颗粒粒径计算流程图 2、主要技术指标 我们能够测量的空气颗粒度包括以下4种量： （1）颗粒的平均粒径：所有颗粒的平均直径 （2）粒径分布：颗粒的个数与颗粒之间的函数关系（3）计数浓度：单位体积中所含的颗粒的数目。我们在某次实验中测得的值是96.86个/cm3,这个数值对一般大气来说是很合理的。（4）质量浓度：单位体积中所含的颗粒的质量。我们某次在一般的环境中测得的值是0.3703mg/m3,这对一般大气来说是很合理的。本系统达到的数据精度：质量浓度误差为6.8%，计数浓度误差14.4%。能够测量的最小粒径直径为：0.002mm达到的理想分辨率：0.00098mm一组图像的频数分布直方图作品的科学性先进性（必须说明与现有技术相比、该作品是否具有突出的实质性技术特点和显著进步。请提供技术性分析说明和参考文献资料）一、作品的科学先进性以下内容将以颗粒测量仪器成品来说明本作品的科学先进性:1、能够同时测量不同通道的浓度。测量通道是颗粒测量的一个重要参数，它指的是在一定粒径范围内的颗粒含量，通常针对的通道有0.3、0.5、1、3、5、10um。在本系统中，我们能够测量的最小粒径为1um，也就是说我们能够完成1um以上通道的精度测量。需要额外说明的是，现有仪器测量不同通道的原理是利用不同的滤膜将不同范围内的颗粒进行过滤，然后再进行测量（参见苏州仁川洁净科技有限公司代理的尘埃粒子计数器CLJ-3016型）。而我们的装置，是在能够测量的范围内对所有颗粒进行统计测量，能够同时区分出1um以上所有通道所含的颗粒计数浓度与质量浓度，而且还可以将通道划分得更细。因此相对于更换不同通道测量颗粒计数的设备而言，我们能够同时给出不同通道的浓度以及所占的比例，并且给出更细通道的数据结果。另外还需要强调的是，我们装置中利用光敏电阻探测光强测量光颗粒浓度的部分，已经基本将尘埃粒子计数器（CLJ-3016型）的测量方法包括进去，略微不同的是后者使用的是光电二极管元件。并且，由于尘埃粒子计数器（CLJ-3016型）不需要测量颗粒的粒径，其计算难度远小于我们的方法。2、测量精度较高且构造便宜。除了常用配置的电脑终端外，我们整个设备的成本大约是在4百元左右（约60元的CCD，100元的电路硬件，以及约200元透镜组和整个玻璃容器框架）。相比尘埃粒子计数器CLJ-3016型售价为12500元，我们的整套设备的成本非常低。3、测量迅速、表现直观。利用光学方式测量空气颗粒度，测量的方法比沉降法等其他方法来得迅速。光学方法中，较常使用一维CCD采集光散射像在一维线度上的光强，然后进行计算。相比而言，我们的测量系统中，使用的是二维CCD，操作者可以直观地在计算机终端看见飞舞的悬浮颗粒像，这一点在现在设备中较少看到，因此可以应用于直观的教学教育活动，如科学上光学散射原理的演示、吸烟有害健康的青少年教育。二、技术性分析说明我们在三个不同的环境中测量空气颗粒的浓度。如下表所示 纯净空气浓烟淡烟计数浓度96.8644个/cm351.8167个/cm398.3722个/cm3质量浓度0.3703 mg/m31.5473 mg/m31.2371 mg/m3从表中，我们可以看到三个不同的环境下测量处理的结果明显不同。浓烟的情况下，颗粒的计数浓度较小，这是因为浓烟时的颗粒较大，所以在相同体积的空间中颗粒的数目就会少，但质量浓度却远大于纯净空气的质量浓度。淡烟时的颗粒数与纯净空气的颗粒数目接近，但是颗粒的大小不一样，因此淡烟时颗粒的质量浓度明显大于纯净空气时的质量浓度。三、参考文献资料王晓，刘小青,光波强衰场悬浮颗粒检测中的显微摄像术J,激光技术，1998年，第22卷第2期: pp69-73.李红.颗粒粒度检测技术综述J.辽宁科技学院学报,2007(4).pp6-8王乃宁主编.颗粒粒径的光学测量技术及应用M，原子能出版社，2000/gy-jiage-2598836.html作品在何时、何地、何种机构举行的评审、鉴定、评比、展示等活动中获奖及鉴定结果1、2010年11月，在佛山科技学院参加广东省物理学会举办的第十一届广东省大学生物理实验设计大赛，获应用题二等奖。2、2011年3月获华南农业大学“丁颖杯”课外学术科技作品竞赛一等奖。3、国际学术会议上发表一篇学术论文，预计2011年7月可被ISTP、EI检索。F. Lin(林芳), W.F. Gu(古伟锋), H.X. Li(李慧翔), 利用显微CCD 与光学系统搭建大气颗粒度测量装置pp345-348。2010 First International Conference on Cellular,Molecular Biology, Biophysics and Bioengineering(Volume 6) , 2010年；环境和食品安全主题。作品所处阶 段（ A ）A实验室阶段 B中试阶段 C生产阶段D （自填）技术转让方式作品可展示的形 式 实物、产品 模型 图纸 磁盘 现场演示 图片 录像 样品使用说明及该作品的技术特点和优势，提供该作品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测一、技术特点和优势1、显微CCD是一个二维CCD，不但可以实现可调的放大倍数，还可以很直观看到颗粒图像。2、装置可以同时测量颗粒的粒径分布、计数浓度、质量浓度。3、不用采集颗粒样品，可实时在线测量。这个比沉淀法，显微镜法，筛选法等需要采集颗粒样品的方法方便很多。二、适用范围及推广前景、市场分析、经济效益预测适用范围：装置可以测量一般环境中室内外的空气颗粒浓度，如工厂、实验教学环境以及一些公共场合。推广前景：1、装置操作简单，准确度较高，普通人员也可以完成测量任务，因此具有较高的推广意义。2、可以用于教学演示，在本系统中，使用了光散射、CCD、电路串行接口通讯、数字图像处理等多种技术，可以用于大中专教学演示。另外，直观的颗粒照片可以让青少年了解吸烟有害健康、培养保护环境的意识。市场分析与经济效益预测：由于环保部拟把有害颗粒物的检测纳入空气监测范围，因此需要快速、准确、便宜的颗粒度测量系统。我们的测量装置满足了以上三个条件。首先我们的装置不需要采样，只要把系统搭建好，就可以实时在线测量。其次，我们的装置可以测量不同环境下的颗粒，实验证明结果是较为准确的。最后，我们的装置造价便宜，测量电路和CCD加起来成本不超过200元 ，加上装置最昂贵的激光器和计算机，依然具有较高的性价比。随着空气污染的日益严重，现代人也越来越重视居住环境，本装置及其技术将有广阔的市场需求及很高的经济效益。专利申报情况提出专利申报 申报号 申报日期 年 月 日已获专利权批准 批准号 批准日期 年 月 日 未提出专利申请科研管理部门签 章 年 月 日C.当前国内外同类课题研究水平概述 说明：1.申报者可根据作品类别和情况填写； 2.填写此栏有助于评审。目前，成熟的颗粒度测量仪器多数都是光学原理，除此之外还有一些测量方法是采用图像处理的方法的，如荷兰安米德公司的粒度粒形分析仪，德国Leits图像仪、英国Qusntime900图像仪、英国Magiscan11型图像仪、日本滨松图像仪等。但这些这些图像分析系统操作效率低，误差大，操作界面也过于复杂。我们的测量系统同时结合了光学当中的Mie散射理论和数字图像处理技术，而且操作简单，通过GUI面板上的几个按钮就可以实现数据采集，图像处理，结果显示等功能，普通人也可以完成操作。市场上的颗粒度测量仪器价钱昂贵，从几万到上百万不等。但在这些仪器中，测量效果参差不齐，我们的测量装置用很低的成本就获得了较为精确地测量效果，具有较高的性价比。同时，我们的测量装置可以同时测颗粒的平均粒径，计数浓度，质量浓度。虽然德国的NESA系统也可以同时测量颗粒的平均粒径和浓度，但是由于它采用了两套测量装置，所以结构复杂，使用不够方便，测量结果也不够精确。相比之下，我们测量装置结构简单，使用方便，测量结果较为精确。另外，就采用的方法来说，我们采用的是光学测量方式，能够测量有害气体，并且和一维线阵CCD相比，我们能够直接显示颗粒照片，直观且有趣；和称重法相比，我们的测量实时、快速。总的来说，本仪器应用的技术有Mie散射理论、图像处理技术、光学和电路测量系统等，与其他光学测量方法相比，所用的技术是较为全面的，并且其中有一些方法在其他相近颗粒度测量仪器中并未包括。D.推荐者情况及对作品的说明说明：1由推荐者本人填写；2推荐者必须具有高级专业技术职称，并是与申报作品相同或相关领域的专家学者或专业技术人员（教研组 集体推荐亦可）；3推荐者填写此部分，即视为同意推荐；4推荐者所在单位签章仅被视为对推荐者身份的确认。推荐者情况姓 名王宙斐性别女年龄51职称教授工作单位华南农业大学理学院应用物理系通讯地址广东广州华南农业大学理学院应用物理系邮政编码510642单位电话02085280324住宅电话02061303970推荐者所在单位签章 （签章） 年 月 日请对申报者申报情况的真实性作出阐述申报者申报情况属实，该团队从2010年7月份开始研究颗粒度测量装置，经过四个多月的努力完成了装置的设计与调试工作。请对作品的意义、技术水平、适用范围及推广前景作出您的评价作品性价比较高，可以较为精确地测量空气颗粒的粒径分布、计数浓度、质量浓度，测量的最小颗粒粒径达到1um左右。该装置可用于普通大气环境、工厂粉尘环境的测量与监测；另外可用于科学研究中悬浮颗粒粒径测量，以及本科教学演示。其它说明该作品获第十一届广东省大学生物理实验设计大赛二等奖推荐者情况姓 名旷卫民性别男年龄46职称副教授工作单位华南农业大学理学院应用物理系通讯地址华南农业大学理学院应用物理系邮政编码510642单位电话02085280324住宅电话02061303759推荐者所在单位签章 （签章） 年 月 日请对申报者申报情况的真实性作出阐述课题参加了广东省大学生物理实验设计大赛，从设计到完成参赛学生和指导老师都付出了辛苦的劳动，也取得了二等奖的佳绩。请对作品的意义、技术水平、适用范围及推广前景作出您的评价当今城市环境污染严重、今年空气颗粒含量拟纳入空气质量监测内容，这项作品的设计，有助于为环境健康提供简易测量，所应用的技术水平也达到较高的水平。该作品可以精确地测量空气颗粒的粒径分布、颗粒浓度，可用于普通大气环境以及工厂粉尘环境的测量与监测，也可用于教学演示。其它说明该作品获2010年度举行的第十一届广东省大学生物理实验设计大赛二等奖学校组织协调机构确认并盖章 （团委代章） 年 月 日 校主管领导或校主管部门确认盖章 年 月 日E大赛组织委员会秘书处资格和形式审查意见组委会秘书处资格审查意见 审查人（签名） 年 月 日组委会秘书处形式审查意见 审查人（签名） 年 月 日组委会秘书处审查结果合格 不合格 负责人（签名） 年 月 日23F参赛作品打印处空气颗粒度测量装置研究古伟锋、丘海强、李慧翔、刘思敏、彭诗然指导老师：林芳摘要：本课题搭建了大气颗粒度的光学测量系统。通过拍摄颗粒在激光中的散射像，获取大量图像后利用统计的方法可以计算出颗粒的粒径大小以及粒径分布；另一方面，通过自主设计的电路系统，可以测量光经过颗粒散射后的实际透过率，结合Mie的光散射理论计算不同粒径的颗粒的消光因子，最终可以测得颗粒的浓度。本课题设计的系统包含了几方面创新。首先，利用显微CCD以及光学放大透镜可以拍摄微米量级的颗粒。实践证明，本系统达到的分辨极限可以观测直径为0.00098mm的颗粒，实际测得颗粒的最小粒径为0.005mm；理论上通过调节放大透镜的位置，可以观测更小粒径的颗粒；另外，二维CCD相比一维CCD可以给出直观的颗粒图像。其次，我们采用两种定标的方法来确定颗粒的粒径。其一，通过在纸上画出间距为2mm的竖线，用显微CCD拍摄，可以确定图像标尺；其二，通过拍摄已知直径的细铜丝的散射像，确定散射像与实际物体之间的放大倍数关系。利用这两种形式的定标，可以准确地测量颗粒的粒径，不必购买昂贵的标准样品。再次，我们设计制作了电路测量装置，利用光电元件测量光的透过率，并可通过电脑直接控制电路测量；设计制作了玻璃样品室，可以从外界直接观测样品室内部情况。最后，我们在数学软件MATLAB下编写了GUI面板，通过面板可以简便地实现电路采集、标尺定标、颗粒粒径与分布的测量以及浓度测量等。 本系统简单经济，并且测量效果良好。我们对实验室的空气环境进行测量，并做了准确度分析。计算结果证明，测量的颗粒浓度的数值合理，并且准确度较高。关键词：颗粒浓度；粒径分布；Mie散射；数字图像处理；显微CCD前言 颗粒度测量装置的研究意义在许多国家，影响健康的细颗粒物是一项重要的日常空气质量监督指标。但我国自从2000年在全国范围内开展城市空气质量日报工作以来,迄今有近300个城市发布地方城市环境空气质量情况，无一城市正式发布细颗粒物相关数据。2010年11月4日,环境保护部首次发布的中国机动车污染防治年报(2010年度)报告称,机动车排放污染物对环境影响日趋严重,我国一些地区酸雨、灰霾和光化学烟雾等区域性大气污染问题频繁发生,部分地区甚至出现了每年200多天的灰霾天气,这些问题的产生都与机动车排放的氮氧化物、细颗粒物等污染物直接相关。就空气污染的变化,环境保护部认为,灰霾、光化学烟雾和酸雨等复合型大气污染问题日益突出,严重威胁人民群众的身体健康和生态安全,并已成为社会各界高度关注和亟待解决的重大环境问题。2011年3月1日,环境保护部在公开环境空气质量指数(AQI)日报技术规定这项新环境标准征求意见稿时表示,我国已经制定新的空气质量监测标准,按照这项标准规定,影响人体健康的细颗粒物有望纳入监测范围。因此，可用于测量空气细颗粒的仪器装置的研究、设计有非常重要的现实意义。基于此，我们研究并设计的该装置，可用于测量空气的颗粒度，为环境监测提供了一个简便而准确的工具。1 装置设计理论基础1.1 Mie散射理论1Mie深入地研究了颗粒的光散射问题，在Maxwell电磁理论的基础上对平行单色电磁波被位于均匀介质中任意粒径的各向同性小球散射的情形进行了求解，得到了严格的解析表达式。这就是Lorenz-Mie理论。Mie散射理论中不考虑散射电磁波波长发生改变的情形，即仅限于弹性散射。ErElEorEolXYZH图1.1 颗粒对入射光的散射S1()垂直于散射截面的振幅函数,S2()为平行于散射平面的振幅函数，它们的表达式如下(1.1)(1.2)式中an和bn称为Mie系数,是m和x的函数，n和n与散射角有关，分别如下表示(1.3)(1.4)(1.5)(1.6)上式中，x是一个无因次参数(1.7)a是颗粒的半径，是入射光波长，m是颗粒对光的折射率，Pn(1)是一阶n次缔合Leglandre函数；n(x)是Ricatti-Bessel函数，而n(x)是n(x)和n(x)的组合，它们的表达式如下(1.8)(1.9)(1.10)Jn+1/2(x)和Nn+1/2（x）分别是第一，第二类Bessel函数，Hn+1/2(2)(x)是半整数阶的Hankel函数。根据(1.3)和(1.4)中所求得的Mie系数，可进一步求出以下式子(1.11)Qext是消光效率因子，它等于一个散射颗粒在单位时间内吸收与散射的全部光能量比散射颗粒迎着光传播方向的投影面积与入射光强I0的乘积。经典Mie散射理论适用于一切均质球形颗粒，是散射规律的普遍情况。颗粒的无因次参数x可以从很小到很大，而折射率m可由1。x和m的值的大小唯一确定了颗粒的散射规律。1.2 浊度和Lambert-Beer定律 Lambert-Beer定律2在测量颗粒浓度方面有着很大的实用价值。假设一介质对入射光进行不相干的单散射，介质中单位体积内有N个无规则分布且尺寸均相同的散射颗粒，散射区的截面积为S，那么厚度为dl的介质中就有颗粒数NSdl。由于颗粒的消光作用，光强为I的光经过单元层dl后，单位时间内减少的能量为-SdI，根据消光截面(一个颗粒在单位时间内散射和吸收的全部光能量与入射光想之比)的定义(1.12)设原始光强为I0，介质的厚度为L，透射光强为I，对上式进行积分后得到(1.13)其中即为浊度，不难发现(1.14)则对于半径为a的球型颗粒，浊度为(1.15)那么对于大小不均匀的颗粒系，设其颗粒分布函数为f(a),则此时浊度为(1.16)用无因次参数x表示(1.17)将(1.16)式代入(1.17)式，就可以得到Lambert-Beer方程(1.18)1.3 颗粒浓度计算本课题计算颗粒浓度的方法是从Lambert-Beer定律出发。把(1.16)式写成连加形式(1.19)Ni表示介质中半径为ai的颗粒的个数，Qext(ai)表示半径为ai的颗粒的消光因子，N计数为介质中单位体积内所含的颗粒的数目，即计数浓度，ai为测量到得粒子半径,F(ai)为ai半径粒子出现的概率。 把(1.19)是代入(1.15)式，并且两边同时求自然对数，得到(1.20)L,I0,I,ai,F(ai)均为实验测量值,因此，只要计算出Qext(ai),就可以求得N计数。求得N计数，即颗粒的计数浓度之后，我们就可以计算颗粒的质量浓度，也就是单位体积中含有颗粒的质量，具体的计算方法如下3。首先计算颗粒的平均半径(1.21)然后我们就可以计算颗粒的质量浓度了，计算公式如下(1.22) 1.4 消光效率因子Qext的计算方法对于Qext(ai)的计算，采用(1.8),(1.9)式,(1.11)式来计算。对于n(x)和n(x)，采用直接递推法来计算。根据Bessel函数的数学理论，可以得到n(x)和n(x)的递推表达式如下(1.23)(1.24)再根据相应的数学理论，可以得到n(x)和n(x)的递推公式(1.25)(1.26)一般来说，可以取如下的初始值(1.27)(1.28)从以上的表达式中可以看到Qext(x)，Qsca(x),S1(),S2()均是无穷级数， Wiscombe在研究如何使Mie散射算法效率达到最高方面做了大量的工作，他发现在具体运算时，级数上限N的值受折射率的影响很小，而主要以颗粒粒径的无因次数x有关，他推出了以下N的表达式4(1.29)Wiscombe同时还指出，在进行Mie散射运算时，采用向量运算，会大大提高运算速度，从而节省时间。2 颗粒度测量装置设计2.1 测量装置的总体设计 本课题设计的颗粒度测量装置系统由四个部分组成，结构示意图见图2.1。1、基本光路系统。根据散射法测量原理设计测量系统光学原理图，该部分由激光器、光扩散透镜（lens1）、以及样品室（粉尘空间）构成。如图2.1所示，一束激光经过透镜的发散后，经过样品室中颗粒的散射和透射后，被后续光电电路系统采集。2、光电采集系统。该部分主要采集的是光强信息，包括透射前的入射光强和发生散射后的透光光光强。如图2.1中，光电元件sensor1和sensor2接受光照后，通过电路系统将光强转化为电压信号，并经过A/D转换以及滤波，由计算机控制这些数据采集。3、光学图像采集与观测系统。该部分由放大透镜（lens3）以及显微CCD组成。放大透镜将颗粒散射像放大后供后续的显微CCD采集。4、计算机的数据处理系统。该部分主要包括透过率的电压信号处理以及颗粒的散射像的图像处理。这部分在图中是用电脑简单示意。以上为系统的简单介绍，各部分功能的特点详见本章后续内容。（a）示意图（b）实物图图2.1 测量系统结构2.2 基本光路系统基本光路部分的设计详见图2.1。光学系统应该满足衍射法测量原理的要求，并可以完成参比标定。测量激光器（图2.1中laser）位于准直透镜（lens1）的焦点处。测量激光器发出的激光束通过准直透镜组后形成一束扩束的平行光；平行光经过半透半反棱镜后分为两束：反射光束经过聚焦透镜（lens2），聚焦在光电二极管8上，经光电转换成为信号I0原始光通量；透射光束继续向前通过粉尘空间。透射光束被样品容器中的粉尘散射，一定角度内的散射光被显微CCD接收，而在光的传播方向上是带有颗粒浓度信息的部分散射光和未散射的透射光组成的复合光束。复合光束经过聚焦透镜（lens4）聚焦在光电池6上，经光电转换部件分别转换成信号I。光强测量电路的感光面积大，产生的I即为复合光通量。2.3 电路系统设计电路系统包括光电传感测量系统和数据采集系统。在本实验中，有几个量需要用电路测量：入射光强I0,透射光强I。测量数据和计算机之间的信息交换也是通过电路实现的。接下来，本文将对各测量电路和通讯电路进行介绍。2.3.1 光强测量电路如图2.2是光电池测量光强电路，光电池在光的照射下产生电动势，该电动势经过放大器的放大 ，输出放大后的电压，根根据电路图中的元件参数，可以运用电路的知识得到输出电压与光电池产生的电压成线性关系。图 2.2 光强测量电路2.3.2 控制及通讯电路如图2.3所示的就是本实验中使用的控制及通讯电路。电路图中的MAX197是模数转换器，它把温度，湿度，光强等信号转换成电压后的模拟信号转换为数字信号，并且把数字信号输出到单片机89C51输入端。单片机89C51把输入来的信号进行处理，处理程序是预先编写好的。单片机89C51把处理后的信息信号输出到MAX232中，MAX232是负责单片机与计算通讯的，它可以把单片机输出的信号输入计算机中进行进一步处理。图2.3 控制及通讯电路2.4光学图像采集系统在本系统中，我们使用了放大透镜以及显微CCD采集图像。显微CCD，顾名思义，指的是具有放大作用的CCD摄像头，它是由透镜放大系统和一个裸露的CCD传感元件（相比摄像机，该CCD摄像机没有镜头）构成。该元件通过网上购物购得，价格仅为58元，如图2.4所示为显微CCD，它可以通过USB接口连接到电脑上直接使用。图2.4 显微CCD的摄像头补充说明的是，普通摄像机，即不能用于粒径大小的测量，这是因为普通摄像机只能提供缩小的实像（即像比实际物体小），因为被摄物体总是在摄像物镜的两倍焦距之外。如果需要拍摄的颗粒尺寸是0.001mm，已经远小于一般CCD光敏面像元的尺寸（约为0.009mm*0.012mm大小的单元），若经摄像物镜后进一步缩小，则测量无法进行5。利用“显微CCD”拍摄颗粒在一定角度上的散射像，之后进行图像处理，可以得到颗粒的粒径大小以及粒径分布。在我们的测量中，理论上显微CCD可以拍摄到颗粒直径尺度约为0.00098mm的颗粒散射像，而实际应用中我们能够测量得到最小颗粒直径为0.005mm左右的颗粒散射像。需要强调的是，如果调节透镜的放大倍数，该系统可以测量粒径更小的颗粒。另一方面，作为改进，我们可以在另外一边的散射方向上加上一个普通摄像机，用以观测样品室的内部情况的，给用户直观了解样品室内的情况。可以使用最常见的摄像监控设备。需要说明的是，因为如果是对普通大气、无毒气体的观测，本系统中的样品室设计已经可以让实验者进行直接观测。2.5 数据处理控制系统设计本实验中要进行处理的数据有：入射光强I0，透射光强I，各个的颗粒的粒径及其所对应的出现概率，还有不同颗粒粒径的消光因子。其中入射光I0,透射光I是通过电路转换成为电压信号输入到计算机当中的。不同颗粒粒径的消光因子需要用前文所提到的计算方法计算得到。而不同颗粒的粒径及其出现的概率则需要用数字图像处理的方法处理显微CCD所拍到的图像，再利用统计的方法得到。本实验是利用数学软件MATLAB进行数字图像处理以及数据处理，编写了一个可供用户操作的软件界面，软件可以实现的功能包括：1、编写了一个GUI界面(即图形用户界面)，使用人可以通过GUI的按钮很方便地控制整个数据处理程序，并且使处理结果实时可视。2、通过调用C语言程序文件，控制光强的采集。3、图像处理部分，对显微CCD拍摄到的图像进行像处理，利用批处理方式，确定多张图像中的颗粒粒径，并给出粒径分布。4、浓度的计算。从第二步以及第三步获得的结果出发，计算颗粒的消光效率因子，并利用Lambert-Beer定律计算颗粒的浓度。本实验所设计的数据处理系统具备的功能。如图4.6是数据处理系统的GUI界面。图2.5 数据处理系统的GUI面板功能各部分说明如下：（1）图像显示区域1（图2.5的左上）。可以用于显示定标的图像（定标详见2.6节说明），显示未处理前的显微CCD拍摄的图像，以及定标后颗粒所在位置。（2）图像显示区域2（图2.5的左下）。用于显示颗粒的粒径分布情况。（3）电路控制部分。可以控制电路采集光强值，从而获得光强透光率。（4）图像显示区域3。 实时显示采集的透过率数值。（5）图像处理部分。包括图像定标（具体定标方式详见2.6节说明）以及颗粒粒径的计算。计算的粒径分布结果将显示在图像区域2中。（6）图像列表。用于显示显微CCD拍摄的图像的文件名。（7）结果显示区。将计算的结果显示在这个区域，包括定标的结果、光强透过率的结果、以及最终计算得到的颗粒浓度等结果。另外，我们在数据处理程序中添加了“添加点”和“删除点”的功能，可以人工修整没有被程序识别的颗粒和被程序误识别的颗粒。2.6 本套系统创新点说明2.6.1定标本实验中用一个焦距为70mm的凸透镜把颗粒的像放大后再用显微CCD拍摄图像，那么要测量颗粒的实际粒径就必须要要算出颗粒的放大倍数，即定标。定标是我们这个系统最重要的创新之处，分为两个方面的定标：（1）定标图像的物理尺寸，即，通过定标的方法确定图像上的尺寸和物体真实尺寸之间的关系，我们称之为标尺定标。我们在白纸上以2mm为间距画线，并用显微CCD进行拍摄，拍摄到的图像如图2.6所示。然后，我们利用图像处理的方法，在GUI下标记两条竖线，如图2.6中的红和蓝线，通过测量红蓝线之间的像素个数，可以确定标尺。在本示意图中，图像标尺为0.0049217mm/pixel。图2.6 显微图像的标尺定标，图中相邻线之间的距离为2mm。该图是GUI面板里的截屏图，蓝线与红线标记出2mm宽度所占的像素宽度。（2）散射图像的放大倍率的定标。利用光的散射，可以将原本细小的物体放大地来显示，这正像在一个光线较暗的房间里，利用从窗口照进来的阳光，可以从光线传播的侧面看见灰尘的道理一样。在我们的颗粒测量装置中，我们利用散射来拍摄图像也正是利用这种原理。这种原理从显微成像的角度上是称为暗场成像模式。如图2.7所示，一根铜丝在激光照射下的散射像。通过测量衍射后铜丝在图像中表现出的直径，并与铜丝真实的直径做比较，我们可以知道散射像的放大倍数是多少。在本例中，我们选用了耳机线中的铜丝，利用缠绕的方法，计算出铜丝的直径为0.085mm；另外，我们在GUI面板里，根据定标方法一中确定的0.0049217mm/pixel的数值，结合散射铜丝所占的像素点数目，计算出铜丝的散射宽度为0.4282mm，从而计算出在本系统的测量条件下，散射的放大倍数为5.0375倍。因此可以说，本测量系统可达到的理论分辨率为1*0.0049217/5.0375=0.00098mm。计算铜丝在图中的直径时，我们采用的方法是：在直径上做剖线，如图2.7中白线即为剖线位置，蓝线为剖线位置上的像素灰度值，为一维曲线；计算一维曲线的最大值P1和平均值M1，测量最大值的20%所在的位置，即找出曲线上值为(P1-M1)*20%+M1的两个位置，（图2.7中用红色和紫色的虚线标记），这两个位置的距离记为铜丝散射像的宽度。 图2.7铜丝在激光散射下的显微CCD拍摄图像，利用该图像来定标散射的放大倍数。该图是GUI面板里的截屏图。2.6.2 显微CCD系统正如2.4节里的阐述，采用显微CCD拍摄的图像，颗粒粒径可以小于一般摄像CCD可拍摄到的颗粒。根据上述定标方法确定的具体数值，我们可以知道，如果我们的颗粒占据了一个像素的大小，那么它对应的真实粒径应为1*0.0049217/5.0375=0.00098mm，即我们的图像分辨率为0.00098mm。另外，为了更好的说明显微CCD的放大效果，我们在图2.8中给出普通摄像CCD拍摄的定标物体，图中的线也是2.6图中使用的定标线，由于普通CCD拍摄的图像必定缩小，所以图中的定标线也非常的小。图2.8 普通摄像机在不同距离的情况下所拍的标尺。以上三幅图，摄像机距离标尺的距离分别为40cm, 20cm,10cm。（需要说明的是，普通CCD的尺寸为720*576pixels，显微CCD的尺寸为640*480pixels，两者相差并不多）如图2.8中的三张图像普通CCD在自动变焦的条件下分别距离标尺40cm, 20cm,10cm的时候拍下的图像。从图像中可以看到，普通CCD几乎没有放大标尺。标尺两根竖线之间的距离的是2*10-3m，而颗粒的数量级多是10-6m，因此，普通的CCD是不能拍到能够进行数字图像处理的图像的。因此，选用便宜的显微CCD，也是本课题中的重要创新之一。2.6.3 样品室设计在本次设计中，我们制造了样品室，其作用有两个：（1）形成封闭空间，可以用于测量有毒气体的颗粒浓度；（2）玻璃制的样品室设计，可供操作者外围直接观测内部情况，并在部分玻璃面上涂黑，保证图像的拍摄质量；（3）样品室具有较小的体积，如果外界环境光过亮时，可以直接用黑布或者黑纸盒罩住样品室，从而提高拍摄图像的质量。图2.9(a)为样品室的几何设计，显微CCD拍摄的颗粒散射像，由于在直线背景面做了涂黑设计，在亮环境下也可以拍摄到质量较佳的颗粒照片。另外，根据图中的设计，我们可以加设一个