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1、附件2序号： 编码： 2010年“丁颖杯”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 学院名称： 理学院 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
2、，字迹要端正、清楚，此申报书可复制。4.序号、编码由竞赛组委会填写。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，附于申报书后，字数在8000字左右（文章版面尺寸14.522cm）。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月学院理学院系别、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
3、题目（注：2011届毕业本科生和研究生需填写）通讯地址广州市天河区华南农业大学泰山公寓6栋601邮政编码510642办公电话13416474255常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22本科生华南农业大学理学院丘海强男22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院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
4、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
5、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
6、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，但是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
7、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而准确的工具。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，在一个黑暗的房间里，
8、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，颗粒的像就会放大，人眼看到的颗粒实际上是颗粒放大后的像。基于这个原理，我们设计了一个光路，并用一个CCD代替人的眼睛，用于观测颗粒，由于CCD的分辨率高于人眼的分辨率，所以人眼能看到的，CCD就能接收得到。最后，我们利用CCD拍摄颗粒的图像，并且把图像传输到计算机当中，利用数字图像处理技术就能计算出颗粒的大小和浓度。测量装置的原理图是实物图如下所示。测量装置原理图测量装置原理图测量装置实物图图中，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
9、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、我们使用了一个显微CCD。
10、它可以和不同的透镜组合获得不同的放大倍数，从而轻易地实现了测量精度的可调性，这是普通CCD很难实现的。2、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，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，我们就可以计算出颗粒的放大倍数。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、我们制作了一个样品室，可以实现非接触式测量，这一点在测量有毒的物质时显得尤为重要。5、设计、制作了光电探测电路，
11、可以实时测量光强的透光率，它是通过电脑直接控制的，可以直接用于后期数据处理。6、根据该作品的特点，我们提出了科学的误差分析方法。四、技术关键和主要指标1、技术关键：实现可调的放大倍数，进而实现可调的测量精度；数字图像处理。在装置中，我们用的显微CCD实际上是一个电子目镜，它和不同的透镜组合就可以获得不同的放大倍数，从而获得不同的测量精度，实现了测量精度的可调性。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。 2、主要指标 我们能够测量的空气颗粒
12、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。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 1、运用光散射的原理实现测量。我们采用了显微CCD和不同的透镜组合，我们可以获得不同放大倍
13、数的颗粒图像。显微CCD的使用降低了作品的成本，并且也保证了精确性、可测颗粒的最小直径为0.001mm。 2、我们提出巧妙的定标方法。通过简单的两个步骤，我们就可以计算出颗粒的放大倍数，简单，经济，且计算准确。 3、我们采用了光学方法和计算机计数结合的方法。电路是自主设计的，能够和计算机通讯，传递数据备用于后期处理；开发了操作软件，方便用户的使用，可以实现繁琐的测量，并且准确度高。常用的方法，我们利用了光学当中的Mie散射理论，该理论在颗粒度测量中有着很重要的应用。同时，我们还使用了数字图像处理技术，可以进行准确的计算，这一点在测量中显得尤为重要。 二、技术性分析说明我们在三个不同的环境中测量
14、空气颗粒的浓度。如下表所示纯净的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啊的结果明显不同。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。从以上的数据可以看到，我们的测量装置是可行的。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
