空氣顆粒度測(cè)量裝置

顆粒度測(cè)量裝置研究古偉鋒、丘海強(qiáng)、李慧翔、劉思敏、彭詩(shī)然指導(dǎo)老師：林芳摘要：本課題搭建了大氣顆粒度的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)。通過(guò)拍攝顆粒在激光中的散射像，獲取大量圖像后利用統(tǒng)計(jì)的方法可以計(jì)算出顆粒的粒徑大小以及粒徑分布；另一方面，通過(guò)自主設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)，可以測(cè)量光經(jīng)過(guò)顆粒散射后的實(shí)際透過(guò)率，結(jié)合Mie的光散射理論計(jì)算不同粒徑的顆粒的消光因子，最終可以測(cè)得顆粒的濃度。本課題設(shè)計(jì)的系統(tǒng)包含了幾方面創(chuàng)新。首先，利用顯微CCD以及光學(xué)放大透鏡可以拍攝微米量級(jí)的顆粒。實(shí)踐證明，本系統(tǒng)達(dá)到的分辨極限可以觀測(cè)直徑為0.00098mm的顆粒，實(shí)際測(cè)得顆粒的最小粒徑為0.005mm；理論上通過(guò)調(diào)節(jié)放大透鏡的位置，可以觀測(cè)更小粒徑的顆粒；另外，二維CCD相比一維CCD可以給出直觀的顆粒圖像。其次，我們采用兩種定標(biāo)的方法來(lái)確定顆粒的粒徑。其一，通過(guò)在紙上畫出間距為2mm的豎線，用顯微CCD拍攝，可以確定圖像標(biāo)尺；其二，通過(guò)拍攝已知直徑的細(xì)銅絲的散射像，確定散射像與實(shí)際物體之間的放大倍數(shù)關(guān)系。利用這兩種形式的定標(biāo)，可以準(zhǔn)確地測(cè)量顆粒的粒徑，不必購(gòu)買昂貴的標(biāo)準(zhǔn)樣品。再次，我們?cè)O(shè)計(jì)制作了電路測(cè)量裝置，利用光電元件測(cè)量光的透過(guò)率，并可通過(guò)電腦直接控制電路測(cè)量；設(shè)計(jì)制作了玻璃樣品室，可以從外界直接觀測(cè)樣品室內(nèi)部情況。最后，我們?cè)跀?shù)學(xué)軟件MATLAB下編寫了GUI面板，通過(guò)面板可以簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)電路采集、標(biāo)尺定標(biāo)、顆粒粒徑與分布的測(cè)量以及濃度測(cè)量等。本系統(tǒng)簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，并且測(cè)量效果良好。我們對(duì)實(shí)驗(yàn)室的空氣環(huán)境進(jìn)行測(cè)量，并做了準(zhǔn)確度分析。計(jì)算結(jié)果證明，測(cè)量的顆粒濃度的數(shù)值合理，并且準(zhǔn)確度較高。關(guān)鍵詞：顆粒濃度；粒徑分布；Mie散射；數(shù)字圖像處理；顯微CCD前言顆粒度測(cè)量裝置的研究意義在許多國(guó)家，影響健康的細(xì)顆粒物是一項(xiàng)重要的日?？諝赓|(zhì)量監(jiān)督指標(biāo)。我國(guó)自從2000年在全國(guó)范圍內(nèi)開展城市空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)工作以來(lái),迄今有近300個(gè)城市發(fā)布地方城市環(huán)境空氣質(zhì)量情況，但是至今無(wú)一城市正式發(fā)布細(xì)顆粒物相關(guān)數(shù)據(jù)。2010年11月4日,環(huán)境保護(hù)部首次發(fā)布的《中國(guó)機(jī)動(dòng)車污染防治年報(bào)(2010年度)》報(bào)告稱,機(jī)動(dòng)車排放污染物對(duì)環(huán)境影響日趨嚴(yán)重,我國(guó)一些地區(qū)酸雨、灰霾和光化學(xué)煙霧等區(qū)域性大氣污染問(wèn)題頻繁發(fā)生,部分地區(qū)甚至出現(xiàn)了每年200多天的灰霾天氣,這些問(wèn)題的產(chǎn)生都與機(jī)動(dòng)車排放的氮氧化物、細(xì)顆粒物等污染物直接相關(guān)。就空氣污染的變化,環(huán)境保護(hù)部認(rèn)為,灰霾、光化學(xué)煙霧和酸雨等復(fù)合型大氣污染問(wèn)題日益突出,嚴(yán)重威脅人民群眾的身體健康和生態(tài)安全,并已成為社會(huì)各界高度關(guān)注和亟待解決的重大環(huán)境問(wèn)題。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),按照這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,影響人體健康的細(xì)顆粒物有望納入監(jiān)測(cè)范圍。因此，可用于測(cè)量空氣細(xì)顆粒的儀器裝置的研究、設(shè)計(jì)有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。基于此，我們研究并設(shè)計(jì)的該裝置，可用于測(cè)量空氣的顆粒度，為環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了一個(gè)簡(jiǎn)便而準(zhǔn)確的工具。1裝置設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)1.1Mie散射理論[1]Mie深入地研究了顆粒的光散射問(wèn)題，在Maxwell電磁理論的基礎(chǔ)上對(duì)平行單色電磁波被位于均勻介質(zhì)中任意粒徑的各向同性小球散射的情形進(jìn)行了求解，得到了嚴(yán)格的解析表達(dá)式。這就是Lorenz-Mie理論。Mie散射理論中不考慮散射電磁波波長(zhǎng)發(fā)生改變的情形，即僅限于彈性散射。EErEl?φEorEolXYZH圖1.1顆粒對(duì)入射光的散射S1(θ)垂直于散射截面的振幅函數(shù),S2(θ)為平行于散射平面的振幅函數(shù)，它們的表達(dá)式如下 (1.3) (1.4)式中an和bn稱為Mie系數(shù),是m和x的函數(shù)，τn和πn與散射角θ有關(guān)，分別如下表示 (1.5) (1.6) (1.7) (1.8)上式中，x是一個(gè)無(wú)因次參數(shù) (1.9)a是顆粒的半徑，λ是入射光波長(zhǎng)，m是顆粒對(duì)光的折射率，Pn(1)是一階n次締合Leglandre函數(shù)；ψn(x)是Ricatti-Bessel函數(shù)，而ζn(x)是ψn(x)和χn(x)的組合，它們的表達(dá)式如下 (1.10) (1.11) (1.12)Jn+1/2(x)和Nn+1/2（x）分別是第一，第二類Bessel函數(shù)，Hn+1/2(2)(x)是半整數(shù)階的Hankel函數(shù)。根據(jù)(1.5)和(1.6)中所求得的Mie系數(shù)，可進(jìn)一步求出以下式子 (1.13) Qext是消光效率因子，它等于一個(gè)散射顆粒在單位時(shí)間內(nèi)吸收與散射的全部光能量比散射顆粒迎著光傳播方向的投影面積σ與入射光強(qiáng)I0的乘積。經(jīng)典Mie散射理論適用于一切均質(zhì)球形顆粒，是散射規(guī)律的普遍情況。顆粒的無(wú)因次參數(shù)x可以從很小到很大，而折射率m可由1?∞。x和m的值的大小唯一確定了顆粒的散射規(guī)律。1.2濁度和Lambert-Beer定律Lambert-Beer定律[2]在測(cè)量顆粒濃度方面有著很大的實(shí)用價(jià)值。假設(shè)一介質(zhì)對(duì)入射光進(jìn)行不相干的單散射，介質(zhì)中單位體積內(nèi)有N個(gè)無(wú)規(guī)則分布且尺寸均相同的散射顆粒，散射區(qū)的截面積為S，那么厚度為dl的介質(zhì)中就有顆粒數(shù)NSdl。由于顆粒的消光作用，光強(qiáng)為I的光經(jīng)過(guò)單元層dl后，單位時(shí)間內(nèi)減少的能量為-SdI，根據(jù)消光截面(一個(gè)顆粒在單位時(shí)間內(nèi)散射和吸收的全部光能量與入射光想之比)的定義 (1.15)設(shè)原始光強(qiáng)為I0，介質(zhì)的厚度為L(zhǎng)，透射光強(qiáng)為I，對(duì)上式進(jìn)行積分后得到 (1.16)其中τ即為濁度，不難發(fā)現(xiàn) (1.17)則對(duì)于半徑為a的球型顆粒，濁度為 (1.18)那么對(duì)于大小不均勻的顆粒系，設(shè)其顆粒分布函數(shù)為f(a),則此時(shí)濁度為 (1.19)用無(wú)因次參數(shù)x表示 (1.20)將(1.18)式代入(1.20)式，就可以得到Lambert-Beer方程 (1.21)1.3顆粒濃度計(jì)算本課題計(jì)算顆粒濃度的方法是從Lambert-Beer定律出發(fā)。把(1.19)式寫成連加形式 (1.22)Ni表示介質(zhì)中半徑為ai的顆粒的個(gè)數(shù)，Qext(ai)表示半徑為ai的顆粒的消光因子，N計(jì)數(shù)為介質(zhì)中單位體積內(nèi)所含的顆粒的數(shù)目，即計(jì)數(shù)濃度，ai為測(cè)量到得粒子半徑,F(ai)為ai半徑粒子出現(xiàn)的概率。把(1.22)是代入(1.16)式，并且兩邊同時(shí)求自然對(duì)數(shù)，得到 (1.23)L,I0,I,ai,F(ai)均為實(shí)驗(yàn)測(cè)量值,因此，只要計(jì)算出Qext(ai),就可以求得N計(jì)數(shù)。求得N計(jì)數(shù)，即顆粒的計(jì)數(shù)濃度之后，我們就可以計(jì)算顆粒的質(zhì)量濃度，也就是單位體積中含有顆粒的質(zhì)量，具體的計(jì)算方法如下[3]。首先計(jì)算顆粒的平均半徑 (1.24)然后我們就可以計(jì)算顆粒的質(zhì)量濃度了，計(jì)算公式如下 (1.25)1.4消光效率因子Qext的計(jì)算方法對(duì)于Qext(ai)的計(jì)算，采用(1.5),(1.6)式,(1.13)式來(lái)計(jì)算。對(duì)于Ψn(x)和ζn(x)，采用直接遞推法來(lái)計(jì)算。根據(jù)Bessel函數(shù)的數(shù)學(xué)理論，可以得到Ψ’n(x)和ζ’n(x)的遞推表達(dá)式如下 (1.26) (1.27)再根據(jù)相應(yīng)的數(shù)學(xué)理論，可以得到Ψn(x)和ζn(x)的遞推公式 (1.28) (1.29)一般來(lái)說(shuō)，可以取如下的初始值 (1.30) (1.31)從以上的表達(dá)式中可以看到Qext(x)，Qsca(x),S1(θ),S2(θ)均是無(wú)窮級(jí)數(shù)，Wiscombe在研究如何使Mie散射算法效率達(dá)到最高方面做了大量的工作，他發(fā)現(xiàn)在具體運(yùn)算時(shí)，級(jí)數(shù)上限N的值受折射率的影響很小，而主要以顆粒粒徑的無(wú)因次數(shù)x有關(guān)，他推出了以下N的表達(dá)式[4] (1.32)Wiscombe同時(shí)還指出，在進(jìn)行Mie散射運(yùn)算時(shí)，采用向量運(yùn)算，會(huì)大大提高運(yùn)算速度，從而節(jié)省時(shí)間。2顆粒度測(cè)量裝置設(shè)計(jì)2.1測(cè)量裝置的總體設(shè)計(jì)本課題設(shè)計(jì)的顆粒度測(cè)量裝置系統(tǒng)由四個(gè)部分組成，結(jié)構(gòu)示意圖見圖4.1。1、基本光路系統(tǒng)。根據(jù)散射法測(cè)量原理設(shè)計(jì)測(cè)量系統(tǒng)光學(xué)原理圖，該部分由激光器、光擴(kuò)散透鏡（lens1）、以及樣品室（粉塵空間）構(gòu)成。如圖4.1所示，一束激光經(jīng)過(guò)透鏡的發(fā)散后，經(jīng)過(guò)樣品室中顆粒的散射和透射后，被后續(xù)光電電路系統(tǒng)采集。2、光電采集系統(tǒng)。該部分主要采集的是光強(qiáng)信息，包括透射前的入射光強(qiáng)和發(fā)生散射后的透光光光強(qiáng)。如圖4.1中，光電元件sensor1和sensor2接受光照后，通過(guò)電路系統(tǒng)將光強(qiáng)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，并經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換以及濾波，由計(jì)算機(jī)控制這些數(shù)據(jù)采集。3、光學(xué)圖像采集與觀測(cè)系統(tǒng)。該部分由放大透鏡（lens3）以及顯微CCD組成。放大透鏡將顆粒散射像放大后供后續(xù)的顯微CCD采集。4、計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。該部分主要包括透過(guò)率的電壓信號(hào)處理以及顆粒的散射像的圖像處理。這部分在圖中是用電腦簡(jiǎn)單示意。以上為系統(tǒng)的簡(jiǎn)單介紹，各部分功能的特點(diǎn)詳見本章后續(xù)內(nèi)容。（a）（a）示意圖（b）實(shí)物圖圖2.1測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.2基本光路系統(tǒng)基本光路部分的設(shè)計(jì)詳見圖2.1。光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)該滿足衍射法測(cè)量原理的要求，并可以完成參比標(biāo)定。測(cè)量激光器（圖2.1中l(wèi)aser）位于準(zhǔn)直透鏡（lens1）的焦點(diǎn)處。測(cè)量激光器發(fā)出的激光束通過(guò)準(zhǔn)直透鏡組后形成一束擴(kuò)束的平行光；平行光經(jīng)過(guò)半透半反棱鏡后分為兩束：反射光束經(jīng)過(guò)聚焦透鏡（lens2），聚焦在光電二極管8上，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換成為信號(hào)I0——原始光通量；透射光束繼續(xù)向前通過(guò)粉塵空間。透射光束被樣品容器中的粉塵散射，一定角度內(nèi)的散射光被顯微CCD接收，而在光的傳播方向上是帶有顆粒濃度信息的部分散射光和未散射的透射光組成的復(fù)合光束。復(fù)合光束經(jīng)過(guò)聚焦透鏡（lens4）聚焦在光電池6上，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換部件分別轉(zhuǎn)換成信號(hào)I。光強(qiáng)測(cè)量電路的感光面積大，產(chǎn)生的I即為復(fù)合光通量。2.3電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路系統(tǒng)包括光電傳感測(cè)量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在本實(shí)驗(yàn)中，有幾個(gè)量需要用電路測(cè)量：入射光強(qiáng)I0,透射光強(qiáng)I。測(cè)量數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)之間的信息交換也是通過(guò)電路實(shí)現(xiàn)的。接下來(lái)，本文將對(duì)各測(cè)量電路和通訊電路進(jìn)行介紹。2.3.1光強(qiáng)測(cè)量電路如圖2.2是光電池測(cè)量光強(qiáng)電路，光電池在光的照射下產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)經(jīng)過(guò)放大器的放大，輸出放大后的電壓，根根據(jù)電路圖中的元件參數(shù)，可以運(yùn)用電路的知識(shí)得到輸出電壓與光電池產(chǎn)生的電壓成線性關(guān)系。圖2.2光強(qiáng)測(cè)量電路2.3.2控制及通訊電路如圖2.3所示的就是本實(shí)驗(yàn)中使用的控制及通訊電路。電路圖中的MAX197是模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它把溫度，濕度，光強(qiáng)等信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并且把數(shù)字信號(hào)輸出到單片機(jī)89C51輸入端。單片機(jī)89C51把輸入來(lái)的信號(hào)進(jìn)行處理，處理程序是預(yù)先編寫好的。單片機(jī)89C51把處理后的信息信號(hào)輸出到MAX232中，MAX232是負(fù)責(zé)單片機(jī)與計(jì)算通訊的，它可以把單片機(jī)輸出的信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行進(jìn)一步處理。圖2.3控制及通訊電路2.4光學(xué)圖像采集系統(tǒng)在本系統(tǒng)中，我們使用了放大透鏡以及顯微CCD采集圖像。顯微CCD，顧名思義，指的是具有放大作用的CCD攝像頭，它是由透鏡放大系統(tǒng)和一個(gè)裸露的CCD傳感元件（相比攝像機(jī)，該CCD攝像機(jī)沒有鏡頭）構(gòu)成。該元件通過(guò)網(wǎng)上購(gòu)物購(gòu)得，價(jià)格僅為58元，如圖2.4所示為顯微CCD，它可以通過(guò)USB接口連接到電腦上直接使用。圖2.4顯微CCD的攝像頭補(bǔ)充說(shuō)明的是，普通攝像機(jī)，即不能用于粒徑大小的測(cè)量，這是因?yàn)槠胀〝z像機(jī)只能提供縮小的實(shí)像（即像比實(shí)際物體?。?yàn)楸粩z物體總是在攝像物鏡的兩倍焦距之外。如果需要拍攝的顆粒尺寸是0.001mm，已經(jīng)遠(yuǎn)小于一般CCD光敏面像元的尺寸（約為0.009mm*0.012mm大小的單元），若經(jīng)攝像物鏡后進(jìn)一步縮小，則測(cè)量無(wú)法進(jìn)行[5]。利用“顯微CCD”拍攝顆粒在一定角度上的散射像，之后進(jìn)行圖像處理，可以得到顆粒的粒徑大小以及粒徑分布。在我們的測(cè)量中，理論上顯微CCD可以拍攝到顆粒直徑尺度約為0.00098mm的顆粒散射像，而實(shí)際應(yīng)用中我們能夠測(cè)量得到最小顆粒直徑為0.005mm左右的顆粒散射像。需要強(qiáng)調(diào)的是，如果調(diào)節(jié)透鏡的放大倍數(shù)，該系統(tǒng)可以測(cè)量粒徑更小的顆粒。另一方面，作為改進(jìn)，我們可以在另外一邊的散射方向上加上一個(gè)普通攝像機(jī)，用以觀測(cè)樣品室的內(nèi)部情況的，給用戶直觀了解樣品室內(nèi)的情況?？梢允褂米畛Ｒ姷臄z像監(jiān)控設(shè)備。需要說(shuō)明的是，因?yàn)槿绻菍?duì)普通大氣、無(wú)毒氣體的觀測(cè)，本系統(tǒng)中的樣品室設(shè)計(jì)已經(jīng)可以讓實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行直接觀測(cè)。2.5數(shù)據(jù)處理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)中要進(jìn)行處理的數(shù)據(jù)有：入射光強(qiáng)I0，透射光強(qiáng)I，各個(gè)的顆粒的粒徑及其所對(duì)應(yīng)的出現(xiàn)概率，還有不同顆粒粒徑的消光因子。其中入射光I0,透射光I是通過(guò)電路轉(zhuǎn)換成為電壓信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)當(dāng)中的。不同顆粒粒徑的消光因子需要用前文所提到的計(jì)算方法計(jì)算得到。而不同顆粒的粒徑及其出現(xiàn)的概率則需要用數(shù)字圖像處理的方法處理顯微CCD所拍到的圖像，再利用統(tǒng)計(jì)的方法得到。本實(shí)驗(yàn)是利用數(shù)學(xué)軟件MATLAB進(jìn)行數(shù)字圖像處理以及數(shù)據(jù)處理，編寫了一個(gè)可供用戶操作的軟件界面，軟件可以實(shí)現(xiàn)的功能包括：1、編寫了一個(gè)GUI界面(即圖形用戶界面)，使用人可以通過(guò)GUI的按鈕很方便地控制整個(gè)數(shù)據(jù)處理程序，并且使處理結(jié)果實(shí)時(shí)可視。2、通過(guò)調(diào)用C語(yǔ)言程序文件，控制光強(qiáng)的采集。3、圖像處理部分，對(duì)顯微CCD拍攝到的圖像進(jìn)行像處理，利用批處理方式，確定多張圖像中的顆粒粒徑，并給出粒徑分布。4、濃度的計(jì)算。從第二步以及第三步獲得的結(jié)果出發(fā)，計(jì)算顆粒的消光效率因子，并利用Lambert-Beer定律計(jì)算顆粒的濃度。本實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)具備的功能。如圖4.6是數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的GUI界面。圖2.5數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的GUI面板功能各部分說(shuō)明如下：（1）圖像顯示區(qū)域1（圖2.5的左上）?？梢杂糜陲@示定標(biāo)的圖像（定標(biāo)詳見2.6節(jié)說(shuō)明），顯示未處理前的顯微CCD拍攝的圖像，以及定標(biāo)后顆粒所在位置。（2）圖像顯示區(qū)域2（圖2.5的左下）。用于顯示顆粒的粒徑分布情況。（3）電路控制部分。可以控制電路采集光強(qiáng)值，從而獲得光強(qiáng)透光率。（4）圖像顯示區(qū)域3。實(shí)時(shí)顯示采集的透過(guò)率數(shù)值。（5）圖像處理部分。包括圖像定標(biāo)（具體定標(biāo)方式詳見2.6節(jié)說(shuō)明）以及顆粒粒徑的計(jì)算。計(jì)算的粒徑分布結(jié)果將顯示在圖像區(qū)域2中。（6）圖像列表。用于顯示顯微CCD拍攝的圖像的文件名。（7）結(jié)果顯示區(qū)。將計(jì)算的結(jié)果顯示在這個(gè)區(qū)域，包括定標(biāo)的結(jié)果、光強(qiáng)透過(guò)率的結(jié)果、以及最終計(jì)算得到的顆粒濃度等結(jié)果。另外，我們?cè)跀?shù)據(jù)處理程序中添加了“添加點(diǎn)”和“刪除點(diǎn)”的功能，可以人工修整沒有被程序識(shí)別的顆粒和被程序誤識(shí)別的顆粒。2.6本套系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)說(shuō)明2.6.1定標(biāo)本實(shí)驗(yàn)中用一個(gè)焦距為70mm的凸透鏡把顆粒的像放大后再用顯微CCD拍攝圖像，那么要測(cè)量顆粒的實(shí)際粒徑就必須要要算出顆粒的放大倍數(shù)，即定標(biāo)。定標(biāo)是我們這個(gè)系統(tǒng)最重要的創(chuàng)新之處，分為兩個(gè)方面的定標(biāo)：（1）定標(biāo)圖像的物理尺寸，即，通過(guò)定標(biāo)的方法確定圖像上的尺寸和物體真實(shí)尺寸之間的關(guān)系，我們稱之為標(biāo)尺定標(biāo)。我們?cè)诎准埳弦?mm為間距畫線，并用顯微CCD進(jìn)行拍攝，拍攝到的圖像如圖2.6所示。然后，我們利用圖像處理的方法，在GUI下標(biāo)記兩條豎線，如圖2.6中的紅和藍(lán)線，通過(guò)測(cè)量紅藍(lán)線之間的像素個(gè)數(shù)，可以確定標(biāo)尺。在本示意圖中，圖像標(biāo)尺為0.0049217mm/pixel。圖2.6顯微圖像的標(biāo)尺定標(biāo)，圖中相鄰線之間的距離為2mm。該圖是GUI面板里的截屏圖，藍(lán)線與紅線標(biāo)記出2mm寬度所占的像素寬度。（2）散射圖像的放大倍率的定標(biāo)。利用光的散射，可以將原本細(xì)小的物體放大地來(lái)顯示，這正像在一個(gè)光線較暗的房間里，利用從窗口照進(jìn)來(lái)的陽(yáng)光，可以從光線傳播的側(cè)面看見灰塵的道理一樣。在我們的顆粒測(cè)量裝置中，我們利用散射來(lái)拍攝圖像也正是利用這種原理。這種原理從顯微成像的角度上是稱為暗場(chǎng)成像模式。如圖2.7所示，一根銅絲在激光照射下的散射像。通過(guò)測(cè)量衍射后銅絲在圖像中表現(xiàn)出的直徑，并與銅絲真實(shí)的直徑做比較，我們可以知道散射像的放大倍數(shù)是多少。在本例中，我們選用了耳機(jī)線中的銅絲，利用纏繞的方法，計(jì)算出銅絲的直徑為0.085mm；另外，我們?cè)贕UI面板里，根據(jù)定標(biāo)方法一中確定的0.0049217mm/pixel的數(shù)值，結(jié)合散射銅絲所占的像素點(diǎn)數(shù)目，計(jì)算出銅絲的散射寬度為0.4282mm，從而計(jì)算出在本系統(tǒng)的測(cè)量條件下，散射的放大倍數(shù)為5.0375倍。因此可以說(shuō)，本測(cè)量系統(tǒng)可達(dá)到的理論分辨率為1*0.0049217/5.0375=0.00098mm。計(jì)算銅絲在圖中的直徑時(shí)，我們采用的方法是：在直徑上做剖線，如圖2.7中白線即為剖線位置，藍(lán)線為剖線位置上的像素灰度值，為一維曲線；計(jì)算一維曲線的最大值P1和平均值M1，測(cè)量最大值的20%所在的位置，即找出曲線上值為(P1-M1)*20%+M1的兩個(gè)位置，（2.7圖中用紅色和紫色的虛線標(biāo)記），這兩個(gè)位置的距離記為銅絲散射像的寬度。圖2.7銅絲在激光散射下的顯微CCD拍攝圖像，利用該圖像來(lái)定標(biāo)散射的放大倍數(shù)。該圖是GUI面板里的截屏圖。2.6.2顯微CCD系統(tǒng)正如2.4節(jié)里的闡述，采用顯微CCD拍攝的圖像，顆粒粒徑可以小于一般攝像CCD可拍攝到的顆粒。根據(jù)上述定標(biāo)方法確定的具體數(shù)值，我們可以知道，如果我們的顆粒占據(jù)了一個(gè)像素的大小，那么它對(duì)應(yīng)的真實(shí)粒徑應(yīng)為1*0.0049217/5.0375=0.00098mm，即我們的圖像分辨率為0.00098mm。另外，為了更好的說(shuō)明顯微CCD的放大效果，我們?cè)趫D2.8中給出普通攝像CCD拍攝的定標(biāo)物體，圖中的線也是2.6圖中使用的定標(biāo)線，由于普通CCD拍攝的圖像必定縮小，所以圖中的定標(biāo)線也非常的小。圖2.8普通攝像機(jī)在不同距離的情況下所拍的標(biāo)尺。以上三幅圖，攝像機(jī)距離標(biāo)尺的距離分別為40cm,20cm,10cm。（需要說(shuō)明的是，普通CCD的尺寸為720*576pixels，顯微CCD的尺寸為640*480pixels，兩者相差并不多）如圖2.8中的三張圖像普通CCD在自動(dòng)變焦的條件下分別距離標(biāo)尺40cm,20cm,10cm的時(shí)候拍下的圖像。從圖像中可以看到，普通CCD幾乎沒有放大標(biāo)尺。標(biāo)尺兩根豎線之間的距離的是2*10-3m，而顆粒的數(shù)量級(jí)多是10-6m，因此，普通的CCD是不能拍到能夠進(jìn)行數(shù)字圖像處理的圖像的。因此，選用便宜的顯微2.6.3樣品室設(shè)計(jì)在本次設(shè)計(jì)中，我們制造了樣品室，其作用有兩個(gè)：（1）形成封閉空間，可以用于測(cè)量有毒氣體的顆粒濃度；（2）玻璃制的樣品室設(shè)計(jì)，可供操作者外圍直接觀測(cè)內(nèi)部情況，并在部分玻璃面上涂黑，保證圖像的拍攝質(zhì)量；（3）樣品室具有較小的體積，如果外界環(huán)境光過(guò)亮?xí)r，可以直接用黑布或者黑紙盒罩住樣品室，從而提高拍攝圖像的質(zhì)量。圖2.9(a)為樣品室的幾何設(shè)計(jì)，顯微CCD拍攝的顆粒散射像，由于在直線背景面做了涂黑設(shè)計(jì)，在亮環(huán)境下也可以拍攝到質(zhì)量較佳的顆粒照片。另外，根據(jù)圖中的設(shè)計(jì)，我們可以加設(shè)一個(gè)普通攝像機(jī)，用于觀察有毒、密封環(huán)境下樣品室的內(nèi)部情況。圖2.9(b)為樣品室的實(shí)物。需要特別指出的是，選用玻璃作為材質(zhì)，是由于玻璃自身的光透過(guò)率達(dá)到99.9%以上，且可以使用玻璃刀切割成所需形狀與尺寸，最后能夠使用玻璃膠粘結(jié)成設(shè)計(jì)的形狀。整個(gè)過(guò)程簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)，并且造價(jià)很便宜。(a)(a)入射光顯微CCD可加設(shè)一普通攝像機(jī)透射光光強(qiáng)測(cè)量(b)圖2.9(a)樣品室設(shè)計(jì)的幾何參數(shù)；（b）實(shí)際制作的樣品室。樣品室中入射光和透射光的光孔，可以用普通透鏡堵上，防止光在直接照射時(shí)的平面反射。2.6.4GUI控制面板GUI面板具有數(shù)據(jù)的采集功能、圖像處理功能、以及消光因子的計(jì)算、濃度計(jì)算功能。在這個(gè)創(chuàng)新說(shuō)明部分，我們將主要介紹圖像處理的計(jì)算方法以及濃度計(jì)算。（1）顆粒粒徑的計(jì)算方法如圖2.10所示，是一張典型的多顆粒散射照片，圖中用黃點(diǎn)示意顆粒所在的位置。自動(dòng)計(jì)算顆粒位置與顆粒大小的流程見圖2.11，主要利用的是等高線判斷的方法。原理是：測(cè)量圖像的最亮點(diǎn)，假定最亮點(diǎn)的值為P2，計(jì)算圖像的均值M2，找出圍繞圖像最亮點(diǎn)的等高線，等高線上的數(shù)值為(P2-M2)*20%+M2，即最亮點(diǎn)數(shù)值的20%處，等高線包圍的區(qū)域即為顆粒的散射像；計(jì)算粒徑時(shí)，求的是等高線上最窄的寬度，這是因?yàn)轭w粒是在運(yùn)動(dòng)的，拉長(zhǎng)的方向?yàn)轭w粒運(yùn)動(dòng)的方向。需要說(shuō)明的是，在定標(biāo)計(jì)算中，我們?nèi)〉囊彩倾~絲散射像的最亮值的20%，標(biāo)準(zhǔn)一致。圖2.10實(shí)驗(yàn)過(guò)程中拍到的顆粒圖像提取圖像i提取圖像i尋找圖像中最亮點(diǎn)的位置獲得圍繞最亮點(diǎn)的的等高線，等高線數(shù)值為最亮點(diǎn)的20%計(jì)算該等高線所圍面積面積大于15像素2是顆粒用等高線和最亮點(diǎn)位置確定顆粒直徑不是顆粒i=i+1輸出顆粒直徑和位置圖像等高線內(nèi)的數(shù)值賦為圖像均值所有顆粒粒徑做統(tǒng)計(jì)圖2.11顆粒粒徑的計(jì)算流程圖另一方面，為了避免程序自動(dòng)運(yùn)算可能帶來(lái)的錯(cuò)誤，例如，將圖像中明顯不是顆粒計(jì)算成顆粒，或者將較暗、較彌散的光斑未能統(tǒng)計(jì)成顆粒，我們?cè)诔绦蛑屑尤搿皠h除點(diǎn)”和“添加點(diǎn)”的兩個(gè)手動(dòng)功能?！疤砑狱c(diǎn)”的計(jì)算方式與2.11相似，不同之處在于：只計(jì)算用戶點(diǎn)擊點(diǎn)附近的最大值位置；只用等高線方法計(jì)算一個(gè)顆粒的直徑。（2）濃度的計(jì)算在獲得顆粒的粒徑以及粒徑分布，以及光的透過(guò)率后，我們利用(1.23)公式可以計(jì)算濃度的數(shù)值：將(1.23)公式中直徑以0.005mm為間距，劃分為[0.005,0.01],[0.01,0.015],[0.015,0.02],…,[0.095,0.1]mm區(qū)間；計(jì)算落在各個(gè)區(qū)間內(nèi)的顆粒個(gè)數(shù)，并與總數(shù)相比較，求得粒徑分布的百分比概率；計(jì)算各區(qū)域內(nèi)、中心半徑的消光效率因子Qext；代入公式求得顆粒的總個(gè)數(shù)N計(jì)數(shù)和N質(zhì)量。2.6.5準(zhǔn)確度討論計(jì)算顆粒濃度的準(zhǔn)確度，我們考慮用以下的方式來(lái)確定。電路測(cè)量偏差帶來(lái)的濃度偏差分析。由于1秒采集一個(gè)入射光光強(qiáng)值和透過(guò)光光強(qiáng)值，在一段時(shí)間內(nèi)就有一組透過(guò)率可用于計(jì)算顆粒濃度，因此透過(guò)率測(cè)量帶來(lái)的偏差將影響濃度測(cè)量。由于N計(jì)數(shù)的計(jì)算公式可以表式為： （2.1）計(jì)算透過(guò)率引起的偏離，可以將利用以下公式求得[6]： （2.2）顆粒粒徑偏差帶來(lái)的濃度偏離。我們?cè)O(shè)計(jì)的方案是這樣的：在一段時(shí)間內(nèi)拍攝300張左右的顯微顆粒照片；按次序?qū)⒚?0張定為一組（60只是舉例，只要每組的圖像個(gè)數(shù)盡可能一致就行）；每組圖片可以計(jì)算得到一個(gè)顆粒濃度值，即N計(jì)數(shù)1，N計(jì)數(shù)2，…N計(jì)數(shù)5；計(jì)算這5個(gè)值的偏差ΔN計(jì)數(shù)2。因此，總的計(jì)數(shù)濃度偏差應(yīng)為上述2種偏差的絕對(duì)值之和，我們假設(shè)為?N計(jì)數(shù),那么質(zhì)量濃度誤差就為 （2.3）2.6.6相比其他方法的創(chuàng)新我們將歸納本套方法與其他測(cè)量方案相比的創(chuàng)新之處：（1）系統(tǒng)造價(jià)低。與MESA系統(tǒng)以及顯微法等其他方法相比，在光散射系統(tǒng)中，氦氖激光器是最昂貴部件，其他所需部件，如顯微CCD僅需58元、自行設(shè)計(jì)的光透過(guò)率的測(cè)量電路僅需百元以內(nèi)、利用玻璃制作的樣品室的原材料價(jià)格約為60元，等。(2)直接、實(shí)時(shí)的觀測(cè)效果，且圖像包含的顆粒數(shù)較多。在本套裝置里，我們選用了二維顯微CCD來(lái)拍攝圖像，顯然，從二維的圖像上我們還可以看到顆粒的運(yùn)動(dòng)情況，并且在顆粒較多的情況下，一張圖像上能夠捕捉到多個(gè)顆粒的信息，這是選用一維CCD則無(wú)法達(dá)到這個(gè)效果。另外，與其他光學(xué)方法相比，例如MSEA法，光脈動(dòng)法，以及非光學(xué)的所有方法相比，利用二維CCD的光散射法都是唯一的、能夠?qū)崟r(shí)觀測(cè)的方法。（3）系統(tǒng)調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單。根據(jù)圖2.1所示，真正需要仔細(xì)調(diào)節(jié)的透鏡是位于顯微CCD前的lens4，調(diào)節(jié)該透鏡可以選擇顆粒的放大倍數(shù)。如果放置透鏡組，可以極大地增加放大倍數(shù)，但是缺點(diǎn)是，放大倍數(shù)越高，調(diào)節(jié)的難度就越大，這是由CCD視場(chǎng)更小、景深更小的原因造成。其他透鏡，如放置于焦點(diǎn)處的、使激光發(fā)散的透鏡，調(diào)節(jié)起來(lái)較簡(jiǎn)單，因?yàn)榧す獾陌l(fā)散角小，且擴(kuò)束前后的光斑尺寸無(wú)需變化很大?？偟膩?lái)說(shuō)，整套系統(tǒng)難調(diào)節(jié)的地方只有一個(gè)，也就是顯微CCD前透鏡的位置的調(diào)節(jié)。（4）遠(yuǎn)距離、非接觸式的特點(diǎn)。這個(gè)特點(diǎn)對(duì)于有毒有害顆粒的測(cè)量來(lái)說(shuō)尤為重要，它可以保證實(shí)驗(yàn)操作者的安全。選用非光學(xué)方法，如顯微法、篩選法，都需要一定程度的樣品接觸。3測(cè)量結(jié)果在實(shí)驗(yàn)中，我們測(cè)量了三種不同環(huán)境下的顆粒度。首先，我們測(cè)量了實(shí)驗(yàn)室空氣的顆粒度，然后點(diǎn)燃一種滅蚊片，產(chǎn)生煙霧，分別在點(diǎn)燃一分鐘(濃煙)和三十分鐘后（淡煙）各測(cè)量一次。然后對(duì)三組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出了結(jié)果。3.1實(shí)驗(yàn)室空氣顆粒度測(cè)量結(jié)果3.1.1透過(guò)率測(cè)量結(jié)果我們利用單片機(jī)控制及通信電路對(duì)樣品空間的顆粒進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量，然后用MATLAB做出的面板對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，可以畫出實(shí)測(cè)樣品的透過(guò)率曲線，并計(jì)算出透過(guò)率的平均值，以及標(biāo)準(zhǔn)偏差。以下是我們對(duì)樣品進(jìn)行三分鐘的采樣數(shù)據(jù)所得出的測(cè)量結(jié)果：圖3.1透過(guò)率曲線圖（GUI面板的截屏圖）對(duì)應(yīng)的透過(guò)率的平均值為：T＝99.4469%。標(biāo)準(zhǔn)偏差為：ΔT＝0.000505。3.1.2顆粒度結(jié)果在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，我們測(cè)得了圖像跟實(shí)際空間的換算關(guān)系為0.0049217mm/piexl，而算的顆粒的放大倍數(shù)為5.0375，那么我們的系統(tǒng)所能測(cè)量的最小顆粒直徑為0.0049217/5.0375=0.00098mm。我們以80張圖像作為一組，共處理了5組圖像。如圖3.2為5組圖像的顆粒粒徑及其分布統(tǒng)計(jì)，5組圖像中測(cè)量到的顆粒的最小粒徑分別為0.00406mm，0.00413mm，0.00497mm，0.00558mm，0.00473mm平均直徑分別為0.018985mm，0.017890mm，0.021318mm，0.019284mm，0.019552mm。由這5組圖像計(jì)算得到的顆粒計(jì)數(shù)濃度分別為110.8537，104.6707，87.9080，86.2376，94.6518個(gè)/cm3，平均值為96.8644個(gè)/cm3，誤差為10.6616個(gè)/cm3。質(zhì)量濃度分別為0.39717，0.31379，0.44596，0.32401，0.37024mg/m3。平均值為0.3703mg/m3，誤差為0.0411mg/m3。圖3.25組圖像計(jì)算得到的粒徑尺寸及其分布（橫坐標(biāo)單位為mm，縱坐標(biāo)單位為個(gè)）另一方面，根據(jù)4.2式可以計(jì)算電路測(cè)量引入的計(jì)數(shù)濃度誤差為，則電路引起的質(zhì)量濃度誤差為 綜上，本次測(cè)量的最終結(jié)果可以表示為：0.37030.0750mg/m3。另外計(jì)數(shù)濃度表示為96.8644±19.5302個(gè)/cm3。3.1.3結(jié)果分析3.2節(jié)給出的結(jié)果即為本次測(cè)量的最終測(cè)量結(jié)果，包括了粒徑尺寸、粒徑分布，以及顆粒濃度。對(duì)于結(jié)果分析如下。首先，本實(shí)驗(yàn)實(shí)際測(cè)得的顆粒的最小粒徑為0.005mm。雖然本系統(tǒng)的測(cè)量分辨率為0.00098mm，但是由于占據(jù)一個(gè)像素點(diǎn)的亮點(diǎn)不能被認(rèn)為是散射的顆粒像（有可能是噪聲點(diǎn)），因此實(shí)測(cè)的最小顆粒直徑是0.005mm。如果實(shí)驗(yàn)中提高顯微CCD前面的光學(xué)透鏡的放大倍數(shù)的話，仍有希望測(cè)得更小顆粒。其次，實(shí)驗(yàn)室空氣中顆粒濃度為0.3703mg/m3，這相當(dāng)于在一個(gè)大約指甲蓋大小的空間里，存在0.3703mg的顆粒物，這對(duì)大氣來(lái)說(shuō)是合理的。另外，我們用科學(xué)的誤差分析方法計(jì)算了顆粒濃度的誤差。電路引入的誤差為0.0339mg/m3，圖像處理顆粒粒徑引入的誤差為0.0411mg/m3，測(cè)量結(jié)果是較為精確的。3.2有煙霧時(shí)的測(cè)量結(jié)果3.2.1濃煙時(shí)的測(cè)量結(jié)果以下是點(diǎn)燃滅蚊片一分鐘后的測(cè)量結(jié)果，數(shù)據(jù)的處理方法以上已經(jīng)做了示例，所以以下的數(shù)據(jù)處理直接給出測(cè)量結(jié)果及計(jì)算結(jié)果。圖3.3濃煙時(shí)的透過(guò)率曲線相應(yīng)的透過(guò)率平均值T＝99.3307%透過(guò)率偏差為ΔT＝0.0009639相應(yīng)的五組顆粒粒徑分布如下所示。對(duì)應(yīng)的顆粒計(jì)數(shù)濃度分別為52.8996，54.363，43.759，65.5279，42.5341個(gè)/cm3，平均值為51.8167個(gè)/cm3，誤差為9.3106個(gè)/cm3。對(duì)應(yīng)的質(zhì)量濃度分別為1.4535，1.656，1.6426，1.4402，1.5443mg/m3，平均值為1.5473mg/m3，誤差為0.1015mg/m3。對(duì)應(yīng)的顆粒的平均直徑分別為0.03743，0.03874，0.04154，0.03475，0.04108mm。圖3.45組圖像計(jì)算得到的粒徑尺寸及其分布（橫坐標(biāo)單位為mm，縱坐標(biāo)單位為個(gè)）電路測(cè)量引入的計(jì)數(shù)濃度誤差為7.4876個(gè)/cm3，電路測(cè)量引入的質(zhì)量濃度誤差為0.0227mg/m3。最終計(jì)數(shù)濃度表示為51.816716.7982個(gè)/cm3，質(zhì)量濃度表示為1.54730.1242mg/m3。3.2.2淡煙時(shí)的測(cè)量結(jié)果以下是淡煙時(shí)的測(cè)量結(jié)果及數(shù)據(jù)處理結(jié)果。圖3.5淡煙時(shí)的透過(guò)率曲線相應(yīng)的透過(guò)率平均值T＝99.4097%相應(yīng)的透過(guò)率偏差為ΔT＝0.001722相應(yīng)的五組顆粒粒徑分布如下所示。對(duì)應(yīng)的顆粒計(jì)數(shù)濃度分別為100.8731,86.3824，114.4877，89.627，100.4906個(gè)/cm3，平均值為98.3722個(gè)/cm3，誤差為11.0757個(gè)/cm3。對(duì)應(yīng)的質(zhì)量濃度分別為1.2654，1.0968，1.1272，1.4775，1.2184mg/m3，平均值為1.2371mg/m3，誤差為0.1506mg/m3。對(duì)應(yīng)的顆粒平均直徑分別為0.02882，0.02894，0.02659，0.03157，0.02850mm。圖3.65組圖像計(jì)算得到的粒徑尺寸及其分布（橫坐標(biāo)單位為mm，縱坐標(biāo)單位為個(gè)）電路測(cè)量引入的計(jì)數(shù)濃度誤差為28.7819個(gè)/cm3，電路測(cè)量引入的質(zhì)量濃度誤差為0.0361mg/m3。所以總的計(jì)數(shù)濃度可以表示為98.372239.8576個(gè)/cm3，總的質(zhì)量濃度表示為1.23710.1867mg/m3。4結(jié)論本課題利用光學(xué)散射原理搭建了大氣顆粒度的測(cè)量裝置。裝置使用顯微CCD拍攝顆粒的散射像，該部分由透鏡放大系統(tǒng)和一個(gè)裸露的CCD傳感元件組成。顯微CCD能夠克服普通攝像機(jī)必然會(huì)縮小圖像的問(wèn)題，并利用放大系統(tǒng)對(duì)小粒徑顆粒的散射像進(jìn)行放大，從而可以測(cè)量微米量級(jí)的顆粒。另外，我們?cè)O(shè)計(jì)了光電測(cè)量的電路系統(tǒng)，可以測(cè)量光經(jīng)過(guò)顆粒散射后的實(shí)際透過(guò)率，結(jié)合Mie的光散射理論計(jì)算不同粒徑的顆粒的消光因子，最終可以測(cè)得顆粒的濃度。本項(xiàng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有以下幾方面的創(chuàng)新：（1）顯微CCD具有放大作用，能夠測(cè)量微米量級(jí)的顆粒，并且二維CCD能夠給出直