基本信息
- 项目名称：
- 空气颗粒浓度及粒径分布测量装置
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本装置利用自主搭建的光路系统，一方面测量光经过样品前后的光透过率；另一方面用一个显微CCD拍摄颗粒图像，进行数字图像处理，用统计的方法得到颗粒的粒径分布，再结合Lambert-Beer定律和光透过率,利用Mie散射理论计算不同粒径颗粒的小光效率因子，就可以计算出空气颗粒浓度了。
- 详细介绍：
- 首先，我们让激光器经过扩束准直后，被一个5:5的分光镜平均分为两束。其中一束被透镜聚焦后被一个光强测量电路接受，所测得得即为原始光强。另一束激光经过样品空间，在这里被颗粒散射后透射出来，同样被一个光强测量电路接受，测得的光强即为透射光强。透射光强和原始光强之比即为透过率。 在样品空间的侧边，有一个有透镜和裸露感光元件组成的显微CCD，它是用来拍摄颗粒的前散射像的。这个CCD可以把拍摄到的颗粒图像直接保存到计算机当中，在计算机上进行数字图像处理。经过大量的统计，我们得到颗粒的粒径分布和颗粒的平均粒径，进而计算得到粒径的概率分布。 然后，我们结合Mie散射理论，计算出不同粒径颗粒的消光效率因子。结合以上测量的光透过率、颗粒粒径分布，利用兰伯特比尔定律，就可以计算出颗粒的计数浓度。利用颗粒的平均粒径，就可以换算出颗粒的质量浓度。 此外，我们用数学软件MATLAB开发了一个数据处理程序以GUI界面，通过GUI界面上的按钮，我们可以很方便地实行光强采集、数字图像处理、浓度计算、计算结果显示等一些列功能。
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作品专业信息
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
- 发明目的：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,影响人体健康的细颗粒物有望纳入监测范围。 基本思路：我们发现两个现象，一是在一个黑暗的房间里，若有一束光照射进来，可以很清晰地看到空气中的颗粒物的；二是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。 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。使用显微CCD与不同的透镜组合获得不同的放大倍数；2、提出了简便、便宜的倍率计算方法；3、用数学软件Matlab开发了一个数据处理程序；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；5、提出科学的误差分析方法；6、使用技术较为全面 技术关键：选择透镜放大系统和CCD拍摄颗粒的放大像；设计电路实现透过光和原始光的光强比；设计了有效的计算方法实现颗粒的确定与粒径测量； 技术指标：颗粒的平均粒径；粒径分布；计数浓度；质量浓度；
科学性、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。系统中，我们能测量的最小粒径为1um，也就是说我们能够完成1um以上通道的精度测量，还可以将通道划分得更细。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。 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。与现有技术相比，我们的系统很便宜。 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。我们的测量系统，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。
获奖情况及鉴定结果
- 1、2010年11月，参加省大学生物理实验设计大赛，获应用题二等奖 2、2011年3月参加学校课外学术科技作品竞赛，获一等奖。 3、2011年4月，参加第十一届“挑战杯”省大学生课外学术科技作品竞赛，获一等奖 4、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收录。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
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 现场演示、图片、实物
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 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、实时在线测量。比需要采集颗粒样品的方法方便很多 适用范围：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，具有较高的推广意义。2、使用了多种技术，可以用于大中专教学演示。 市场分析与经济效益预测：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。
同类课题研究水平概述
- 近30年来，我国在颗粒度测量方面做了很多工作，发表了很多论文。就整体能力而言,我国已经具备研究和制造具有国际先进水平的粒度仪的能力。问题在于不能有效整合已有的理论研究、产品开发、生产、测试操作研究和市场营销力量。我国能自行生产的现代粒度仪有:激光粒度仪、各种(重力、光透、离心)沉降仪、电阻法(库尔特)颗粒计数器、颗粒图像处理仪等。随着纳米技术的发展,国内对该仪器的需求将急剧增长,但我国还不能自行生产。 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。
