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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 空氣顆粒濃度及粒徑分布測(cè)量裝置
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡(jiǎn)介：
- 本裝置利用自主搭建的光路系統(tǒng)，一方面測(cè)量光經(jīng)過(guò)樣品前后的光透過(guò)率；另一方面用一個(gè)顯微CCD拍攝顆粒圖像，進(jìn)行數(shù)字圖像處理，用統(tǒng)計(jì)的方法得到顆粒的粒徑分布，再結(jié)合Lambert-Beer定律和光透過(guò)率,利用Mie散射理論計(jì)算不同粒徑顆粒的小光效率因子，就可以計(jì)算出空氣顆粒濃度了。
- 詳細(xì)介紹：
- 首先，我們讓激光器經(jīng)過(guò)擴(kuò)束準(zhǔn)直后，被一個(gè)5:5的分光鏡平均分為兩束。其中一束被透鏡聚焦后被一個(gè)光強(qiáng)測(cè)量電路接受，所測(cè)得得即為原始光強(qiáng)。另一束激光經(jīng)過(guò)樣品空間，在這里被顆粒散射后透射出來(lái)，同樣被一個(gè)光強(qiáng)測(cè)量電路接受，測(cè)得的光強(qiáng)即為透射光強(qiáng)。透射光強(qiáng)和原始光強(qiáng)之比即為透過(guò)率。 在樣品空間的側(cè)邊，有一個(gè)有透鏡和裸露感光元件組成的顯微CCD，它是用來(lái)拍攝顆粒的前散射像的。這個(gè)CCD可以把拍攝到的顆粒圖像直接保存到計(jì)算機(jī)當(dāng)中，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)字圖像處理。經(jīng)過(guò)大量的統(tǒng)計(jì)，我們得到顆粒的粒徑分布和顆粒的平均粒徑，進(jìn)而計(jì)算得到粒徑的概率分布。 然后，我們結(jié)合Mie散射理論，計(jì)算出不同粒徑顆粒的消光效率因子。結(jié)合以上測(cè)量的光透過(guò)率、顆粒粒徑分布，利用蘭伯特比爾定律，就可以計(jì)算出顆粒的計(jì)數(shù)濃度。利用顆粒的平均粒徑，就可以換算出顆粒的質(zhì)量濃度。 此外，我們用數(shù)學(xué)軟件MATLAB開發(fā)了一個(gè)數(shù)據(jù)處理程序以GUI界面，通過(guò)GUI界面上的按鈕，我們可以很方便地實(shí)行光強(qiáng)采集、數(shù)字圖像處理、濃度計(jì)算、計(jì)算結(jié)果顯示等一些列功能。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 發(fā)明目的：2011年3月1日,環(huán)境保護(hù)部在公開《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)日?qǐng)?bào)技術(shù)規(guī)定》這項(xiàng)新環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿時(shí)表示,我國(guó)已經(jīng)制定新的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn),影響人體健康的細(xì)顆粒物有望納入監(jiān)測(cè)范圍。 基本思路：我們發(fā)現(xiàn)兩個(gè)現(xiàn)象，一是在一個(gè)黑暗的房間里，若有一束光照射進(jìn)來(lái)，可以很清晰地看到空氣中的顆粒物的；二是一束光線如果被越多顆粒散射，那么穿過(guò)一定空間后的透射光強(qiáng)也會(huì)越小?；诠馍⑸涞脑?，我們?cè)O(shè)計(jì)了光學(xué)系統(tǒng)將散射后的微粒像放大，并用一個(gè)CCD代替人的眼睛，用于觀測(cè)顆粒，從CCD采集的圖像可以知道被測(cè)空間顆粒的大小。其次，基于透過(guò)光束的光強(qiáng)與顆粒數(shù)量的關(guān)系，我們?cè)O(shè)計(jì)了電路系統(tǒng)測(cè)量，可以將測(cè)量透過(guò)光與入射光的比值，從而換算顆粒的數(shù)量。最后，我們的CCD圖像采集與光強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)都是通過(guò)計(jì)算機(jī)控制的，因此利用我們自行開發(fā)的圖像處理軟件，可以計(jì)算出顆粒的大小和濃度。 創(chuàng)新點(diǎn)：1、低廉造價(jià)實(shí)現(xiàn)顆粒物體的測(cè)量，并且放大焦距可變。使用顯微CCD與不同的透鏡組合獲得不同的放大倍數(shù)；2、提出了簡(jiǎn)便、便宜的倍率計(jì)算方法；3、用數(shù)學(xué)軟件Matlab開發(fā)了一個(gè)數(shù)據(jù)處理程序；4、自行設(shè)計(jì)制作了光電探測(cè)電路，可以實(shí)時(shí)測(cè)量光強(qiáng)的透光率；5、提出科學(xué)的誤差分析方法；6、使用技術(shù)較為全面 技術(shù)關(guān)鍵：選擇透鏡放大系統(tǒng)和CCD拍攝顆粒的放大像；設(shè)計(jì)電路實(shí)現(xiàn)透過(guò)光和原始光的光強(qiáng)比；設(shè)計(jì)了有效的計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)顆粒的確定與粒徑測(cè)量； 技術(shù)指標(biāo)：顆粒的平均粒徑；粒徑分布；計(jì)數(shù)濃度；質(zhì)量濃度；
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 1、能夠同時(shí)測(cè)量不同通道的濃度。測(cè)量通道是顆粒測(cè)量的一個(gè)重要參數(shù)，它指的是在一定粒徑范圍內(nèi)的顆粒含量，通常針對(duì)的通道有0.3、0.5、1、3、5、10um。系統(tǒng)中，我們能測(cè)量的最小粒徑為1um，也就是說(shuō)我們能夠完成1um以上通道的精度測(cè)量，還可以將通道劃分得更細(xì)。相對(duì)于更換不 同通道測(cè)量顆粒計(jì)數(shù)的設(shè)備而言，我們能夠同時(shí)給出不同通道的濃度以及所占的比例，并且給出更細(xì)通道的數(shù)據(jù)結(jié)果。 2、測(cè)量精度較高且構(gòu)造便宜。除了常用配置的電腦終端外，我們整個(gè)設(shè)備的成本大約是在4百元左右（約60元的CCD，100元的電路硬件，以及約200元透鏡組和整個(gè)玻璃容器框架。與現(xiàn)有技術(shù)相比，我們的系統(tǒng)很便宜。 3、測(cè)量迅速、表現(xiàn)直觀。利用光學(xué)方式測(cè)量空氣顆粒度，測(cè)量的方法比沉降法等其他方法來(lái)得迅速。光學(xué)方法中，較常使用一維CCD采集光散射像在一維線度上的光強(qiáng)，然后進(jìn)行計(jì)算。我們的測(cè)量系統(tǒng)，使用的是二維CCD，操作者可以直觀地在計(jì)算機(jī)終端看見飛舞的懸浮顆粒像，這一點(diǎn)在現(xiàn)在設(shè)備中較少看到。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 1、2010年11月，參加省大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)大賽，獲應(yīng)用題二等獎(jiǎng) 2、2011年3月參加學(xué)校課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽，獲一等獎(jiǎng)。 3、2011年4月，參加第十一屆“挑戰(zhàn)杯”省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽，獲一等獎(jiǎng) 4、國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表一篇學(xué)術(shù)論文，預(yù)計(jì)2011年7月可被ISTP、EI收錄。2010 First International Conference on Cellular,Molecular Biology, Biophysics and Bioengineering(Volume 6) , 2010年；環(huán)境和食品安全主題。
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- 現(xiàn)場(chǎng)演示、圖片、實(shí)物
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：1、顯微CCD是一個(gè)二維CCD，不但可以實(shí)現(xiàn)可調(diào)的放大倍數(shù)，還可以很直觀看到顆粒圖像。2、裝置可以同時(shí)測(cè)量顆粒的粒徑分布、計(jì)數(shù)濃度、質(zhì)量濃度。3、實(shí)時(shí)在線測(cè)量。比需要采集顆粒樣品的方法方便很多 適用范圍：一般環(huán)境中室內(nèi)外的空氣顆粒濃度，如工廠、實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境以及公共場(chǎng)合。 推廣前景：1、裝置操作簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確度較高，普通人員也可以完成測(cè)量任務(wù)，具有較高的推廣意義。2、使用了多種技術(shù)，可以用于大中專教學(xué)演示。 市場(chǎng)分析與經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)：首先我們的裝置不需要采樣，只要把系統(tǒng)搭建好，就可以實(shí)時(shí)在線測(cè)量。其次，我們的裝置可以測(cè)量不同環(huán)境下的顆粒，實(shí)驗(yàn)證明結(jié)果是較為準(zhǔn)確的。最后，我們的裝置造價(jià)便宜，測(cè)量電路和CCD加起來(lái)成本不超過(guò)200元 ，加上裝置最昂貴的激光器和計(jì)算機(jī)，依然具有較高的性價(jià)比。隨著空氣污染的日益嚴(yán)重，現(xiàn)代人也越來(lái)越重視居住環(huán)境，本裝置及其技術(shù)將有廣闊的市場(chǎng)需求及很高的經(jīng)濟(jì)效益。
同類課題研究水平概述
- 近30年來(lái)，我國(guó)在顆粒度測(cè)量方面做了很多工作，發(fā)表了很多論文。就整體能力而言,我國(guó)已經(jīng)具備研究和制造具有國(guó)際先進(jìn)水平的粒度儀的能力。問(wèn)題在于不能有效整合已有的理論研究、產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)、測(cè)試操作研究和市場(chǎng)營(yíng)銷力量。我國(guó)能自行生產(chǎn)的現(xiàn)代粒度儀有:激光粒度儀、各種(重力、光透、離心)沉降儀、電阻法(庫(kù)爾特)顆粒計(jì)數(shù)器、顆粒圖像處理儀等。隨著納米技術(shù)的發(fā)展,國(guó)內(nèi)對(duì)該儀器的需求將急劇增長(zhǎng),但我國(guó)還不能自行生產(chǎn)。 目前，成熟的顆粒度測(cè)量?jī)x器多數(shù)都是光學(xué)原理，除此之外還有一些測(cè)量方法是采用圖像處理的方法的，如荷蘭安米德公司的粒度粒形分析儀，德國(guó)Leits圖像儀、英國(guó)Qusntime900圖像儀、英國(guó)Magiscan11型圖像儀、日本濱松圖像儀等。但這些這些圖像分析系統(tǒng)操作效率低，誤差大，操作界面也過(guò)于復(fù)雜。我們的測(cè)量系統(tǒng)同時(shí)結(jié)合了光學(xué)當(dāng)中的Mie散射理論和數(shù)字圖像處理技術(shù)，而且操作簡(jiǎn)單，通過(guò)GUI面板上的幾個(gè)按鈕就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，圖像處理，結(jié)果顯示等功能，普通人也可以完成操作。 市場(chǎng)上的顆粒度測(cè)量?jī)x器價(jià)錢昂貴，從幾萬(wàn)到上百萬(wàn)不等。但在這些儀器中，測(cè)量效果參差不齊，我們的測(cè)量裝置用很低的成本就獲得了較為精確地測(cè)量效果，具有較高的性價(jià)比。 同時(shí)，我們的測(cè)量裝置可以同時(shí)測(cè)顆粒的平均粒徑，計(jì)數(shù)濃度，質(zhì)量濃度。雖然德國(guó)的NESA系統(tǒng)也可以同時(shí)測(cè)量顆粒的平均粒徑和濃度，但是由于它采用了兩套測(cè)量裝置，所以結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用不夠方便，測(cè)量結(jié)果也不夠精確。相比之下，我們測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，測(cè)量結(jié)果較為精確。 另外，就采用的方法來(lái)說(shuō)，我們采用的是光學(xué)測(cè)量方式，能夠測(cè)量有害氣體，并且和一維線陣CCD相比，我們能夠直接顯示顆粒照片，直觀且有趣；和稱重法相比，我們的測(cè)量實(shí)時(shí)、快速。 總的來(lái)說(shuō)，本儀器應(yīng)用的技術(shù)有Mie散射理論、圖像處理技術(shù)、光學(xué)和電路測(cè)量系統(tǒng)等，與其他光學(xué)測(cè)量方法相比，所用的技術(shù)是較為全面的，并且其中有一些方法在其他相近顆粒度測(cè)量?jī)x器中并未包括。
