空气颗粒度测量装置

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。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1.1Mie散射理论[1]Mie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。EErElϑφEorEolXYZH图1.1颗粒对入射光的散射S1(θ)垂直于散射截面的振幅函数,S2(θ)为平行于散射平面的振幅函数，它们的表达式如下 (1.3) (1.4)式中an和bn称为Mie系数,是m和x的函数，τn和πn与散射角θ有关，分别如下表示 (1.5) (1.6) (1.7) (1.8)上式中，x是一个无因次参数 (1.9)a是颗粒的半径，λ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；ψn(x)是Ricatti-Bessel函数，而ζn(x)是ψn(x)和χn(x)的组合，它们的表达式如下 (1.10) (1.11) (1.12)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(1.5)和(1.6)中所求得的Mie系数，可进一步求出以下式子 (1.13) 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σ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 (1.15)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 (1.16)其中τ即为浊度，不难发现 (1.17)则对于半径为a的球型颗粒，浊度为 (1.18)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 (1.19)用无因次参数x表示 (1.20)将(1.18)式代入(1.20)式，就可以得到Lambert-Beer方程 (1.21)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(1.19)式写成连加形式 (1.22)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(1.22)是代入(1.16)式，并且两边同时求自然对数，得到 (1.23)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 (1.24)然后我们就可以计算颗粒的质量浓度了，计算公式如下 (1.25)1.4消光效率因子Qext的计算方法对于Qext(ai)的计算，采用(1.5),(1.6)式,(1.13)式来计算。对于Ψn(x)和ζn(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Ψ’n(x)和ζ’n(x)的递推表达式如下 (1.26) (1.27)再根据相应的数学理论，可以得到Ψn(x)和ζn(x)的递推公式 (1.28) (1.29)一般来说，可以取如下的初始值 (1.30) (1.31)从以上的表达式中可以看到Qext(x)，Qsca(x),S1(θ),S2(θ)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] (1.32)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4.1。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4.1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4.1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）（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，（2.7图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，我们可以加设一个普通摄像机，用于观察有毒、密封环境下样品室的内部情况。图2.9(b)为样品室的实物。需要特别指出的是，选用玻璃作为材质，是由于玻璃自身的光透过率达到99.9%以上，且可以使用玻璃刀切割成所需形状与尺寸，最后能够使用玻璃胶粘结成设计的形状。整个过程简单、易实现，并且造价很便宜。(a)(a)入射光显微CCD可加设一普通摄像机透射光光强测量(b)图2.9(a)样品室设计的几何参数；（b）实际制作的样品室。样品室中入射光和透射光的光孔，可以用普通透镜堵上，防止光在直接照射时的平面反射。2.6.4GUI控制面板GUI面板具有数据的采集功能、图像处理功能、以及消光因子的计算、浓度计算功能。在这个创新说明部分，我们将主要介绍图像处理的计算方法以及浓度计算。（1）颗粒粒径的计算方法如图2.10所示，是一张典型的多颗粒散射照片，图中用黄点示意颗粒所在的位置。自动计算颗粒位置与颗粒大小的流程见图2.11，主要利用的是等高线判断的方法。原理是：测量图像的最亮点，假定最亮点的值为P2，计算图像的均值M2，找出围绕图像最亮点的等高线，等高线上的数值为(P2-M2)*20%+M2，即最亮点数值的20%处，等高线包围的区域即为颗粒的散射像；计算粒径时，求的是等高线上最窄的宽度，这是因为颗粒是在运动的，拉长的方向为颗粒运动的方向。需要说明的是，在定标计算中，我们取的也是铜丝散射像的最亮值的20%，标准一致。图2.10实验过程中拍到的颗粒图像提取图像i提取图像i寻找图像中最亮点的位置获得围绕最亮点的的等高线，等高线数值为最亮点的20%计算该等高线所围面积面积大于15像素2是颗粒用等高线和最亮点位置确定颗粒直径不是颗粒i=i+1输出颗粒直径和位置图像等高线内的数值赋为图像均值所有颗粒粒径做统计图2.11颗粒粒径的计算流程图另一方面，为了避免程序自动运算可能带来的错误，例如，将图像中明显不是颗粒计算成颗粒，或者将较暗、较弥散的光斑未能统计成颗粒，我们在程序中加入“删除点”和“添加点”的两个手动功能。“添加点”的计算方式与2.11相似，不同之处在于：只计算用户点击点附近的最大值位置；只用等高线方法计算一个颗粒的直径。（2）浓度的计算在获得颗粒的粒径以及粒径分布，以及光的透过率后，我们利用(1.23)公式可以计算浓度的数值：将(1.23)公式中直径以0.005mm为间距，划分为[0.005,0.01],[0.01,0.015],[0.015,0.02],…,[0.095,0.1]mm区间；计算落在各个区间内的颗粒个数，并与总数相比较，求得粒径分布的百分比概率；计算各区域内、中心半径的消光效率因子Qext；代入公式求得颗粒的总个数N计数和N质量。2.6.5准确度讨论计算颗粒浓度的准确度，我们考虑用以下的方式来确定。电路测量偏差带来的浓度偏差分析。由于1秒采集一个入射光光强值和透过光光强值，在一段时间内就有一组透过率可用于计算颗粒浓度，因此透过率测量带来的偏差将影响浓度测量。由于N计数的计算公式可以表式为： （2.1）计算透过率引起的偏离，可以将利用以下公式求得[6]： （2.2）颗粒粒径偏差带来的浓度偏离。我们设计的方案是这样的：在一段时间内拍摄300张左右的显微颗粒照片；按次序将每60张定为一组（60只是举例，只要每组的图像个数尽可能一致就行）；每组图片可以计算得到一个颗粒浓度值，即N计数1，N计数2，…N计数5；计算这5个值的偏差ΔN计数2。因此，总的计数浓度偏差应为上述2种偏差的绝对值之和，我们假设为∆N计数,那么质量浓度误差就为 （2.3）2.6.6相比其他方法的创新我们将归纳本套方法与其他测量方案相比的创新之处：（1）系统造价低。与MESA系统以及显微法等其他方法相比，在光散射系统中，氦氖激光器是最昂贵部件，其他所需部件，如显微CCD仅需58元、自行设计的光透过率的测量电路仅需百元以内、利用玻璃制作的样品室的原材料价格约为60元，等。(2)直接、实时的观测效果，且图像包含的颗粒数较多。在本套装置里，我们选用了二维显微CCD来拍摄图像，显然，从二维的图像上我们还可以看到颗粒的运动情况，并且在颗粒较多的情况下，一张图像上能够捕捉到多个颗粒的信息，这是选用一维CCD则无法达到这个效果。另外，与其他光学方法相比，例如MSEA法，光脉动法，以及非光学的所有方法相比，利用二维CCD的光散射法都是唯一的、能够实时观测的方法。（3）系统调节简单。根据图2.1所示，真正需要仔细调节的透镜是位于显微CCD前的lens4，调节该透镜可以选择颗粒的放大倍数。如果放置透镜组，可以极大地增加放大倍数，但是缺点是，放大倍数越高，调节的难度就越大，这是由CCD视场更小、景深更小的原因造成。其他透镜，如放置于焦点处的、使激光发散的透镜，调节起来较简单，因为激光的发散角小，且扩束前后的光斑尺寸无需变化很大。总的来说，整套系统难调节的地方只有一个，也就是显微CCD前透镜的位置的调节。（4）远距离、非接触式的特点。这个特点对于有毒有害颗粒的测量来说尤为重要，它可以保证实验操作者的安全。选用非光学方法，如显微法、筛选法，都需要一定程度的样品接触。3测量结果在实验中，我们测量了三种不同环境下的颗粒度。首先，我们测量了实验室空气的颗粒度，然后点燃一种灭蚊片，产生烟雾，分别在点燃一分钟(浓烟)和三十分钟后（淡烟）各测量一次。然后对三组数据进行处理，得出了结果。3.1实验室空气颗粒度测量结果3.1.1透过率测量结果我们利用单片机控制及通信电路对样品空间的颗粒进行实时的测量，然后用MATLAB做出的面板对数据进行实时处理，可以画出实测样品的透过率曲线，并计算出透过率的平均值，以及标准偏差。以下是我们对样品进行三分钟的采样数据所得出的测量结果：图3.1透过率曲线图（GUI面板的截屏图）对应的透过率的平均值为：T＝99.4469%。标准偏差为：ΔT＝0.000505。3.1.2颗粒度结果在实际的实验当中，我们测得了图像跟实际空间的换算关系为0.0049217mm/piexl，而算的颗粒的放大倍数为5.0375，那么我们的系统所能测量的最小颗粒直径为0.0049217/5.0375=0.00098mm。我们以80张图像作为一组，共处理了5组图像。如图3.2为5组图像的颗粒粒径及其分布统计，5组图像中测量到的颗粒的最小粒径分别为0.00406mm，0.00413mm，0.00497mm，0.00558mm，0.00473mm平均直径分别为0.018985mm，0.017890mm，0.021318mm，0.019284mm，0.019552mm。由这5组图像计算得到的颗粒计数浓度分别为110.8537，104.6707，87.9080，86.2376，94.6518个/cm3，平均值为96.8644个/cm3，误差为10.6616个/cm3。质量浓度分别为0.39717，0.31379，0.44596，0.32401，0.37024mg/m3。平均值为0.3703mg/m3，误差为0.0411mg/m3。图3.25组图像计算得到的粒径尺寸及其分布（横坐标单位为mm，纵坐标单位为个）另一方面，根据4.2式可以计算电路测量引入的计数浓度误差为，则电路引起的质量浓度误差为 综上，本次测量的最终结果可以表示为：0.37030.0750mg/m3。另外计数浓度表示为96.8644±19.5302个/cm3。3.1.3结果分析3.2节给出的结果即为本次测量的最终测量结果，包括了粒径尺寸、粒径分布，以及颗粒浓度。对于结果分析如下。首先，本实验实际测得的颗粒的最小粒径为0.005mm。虽然本系统的测量分辨率为0.00098mm，但是由于占据一个像素点的亮点不能被认为是散射的颗粒像（有可能是噪声点），因此实测的最小颗粒直径是0.005mm。如果实验中提高显微CCD前面的光学透镜的放大倍数的话，仍有希望测得更小颗粒。其次，实验室空气中颗粒浓度为0.3703mg/m3，这相当于在一个大约指甲盖大小的空间里，存在0.3703mg的颗粒物，这对大气来说是合理的。另外，我们用科学的误差分析方法计算了颗粒浓度的误差。电路引入的误差为0.0339mg/m3，图像处理颗粒粒径引入的误差为0.0411mg/m3，测量结果是较为精确的。3.2有烟雾时的测量结果3.2.1浓烟时的测量结果以下是点燃灭蚊片一分钟后的测量结果，数据的处理方法以上已经做了示例，所以以下的数据处理直接给出测量结果及计算结果。图3.3浓烟时的透过率曲线相应的透过率平均值T＝99.3307%透过率偏差为ΔT＝0.0009639相应的五组颗粒粒径分布如下所示。对应的颗粒计数浓度分别为52.8996，54.363，43.759，65.5279，42.5341个/cm3，平均值为51.8167个/cm3，误差为9.3106个/cm3。对应的质量浓度分别为1.4535，1.656，1.6426，1.4402，1.5443mg/m3，平均值为1.5473mg/m3，误差为0.1015mg/m3。对应的颗粒的平均直径分别为0.03743，0.03874，0.04154，0.03475，0.04108mm。图3.45组图像计算得到的粒径尺寸及其分布（横坐标单位为mm，纵坐标单位为个）电路测量引入的计数浓度误差为7.4876个/cm3，电路测量引入的质量浓度误差为0.0227mg/m3。最终计数浓度表示为51.816716.7982个/cm3，质量浓度表示为1.54730.1242mg/m3。3.2.2淡烟时的测量结果以下是淡烟时的测量结果及数据处理结果。图3.5淡烟时的透过率曲线相应的透过率平均值T＝99.4097%相应的透过率偏差为ΔT＝0.001722相应的五组颗粒粒径分布如下所示。对应的颗粒计数浓度分别为100.8731,86.3824，114.4877，89.627，100.4906个/cm3，平均值为98.3722个/cm3，误差为11.0757个/cm3。对应的质量浓度分别为1.2654，1.0968，1.1272，1.4775，1.2184mg/m3，平均值为1.2371mg/m3，误差为0.1506mg/m3。对应的颗粒平均直径分别为0.02882，0.02894，0.02659，0.03157，0.02850mm。图3.65组图像计算得到的粒径尺寸及其分布（横坐标单位为mm，纵坐标单位为个）电路测量引入的计数浓度误差为28.7819个/cm3，电路测量引入的质量浓度误差为0.0361mg/m3。所以总的计数浓度可以表示为98.372239.8576个/cm3，总的质量浓度表示为1.23710.1867mg/m3。4结论本课题利用光学散射原理搭建了大气颗粒度的测量装置。装置使用显微CCD拍摄颗粒的散射像，该部分由透镜放大系统和一个裸露的CCD传感元件组成。显微CCD能够克服普通摄像机必然会缩小图像的问题，并利用放大系统对小粒径颗粒的散射像进行放大，从而可以测量微米量级的颗粒。另外，我们设计了光电测量的电路系统，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。本项系统的设计具有以下几方面的创新：（1）显微CCD具有放大作用，能够测量微米量级的颗粒，并且二维CCD能够给出直