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利用激光对城市环境中悬浮颗粒大小及密度检测方法的研究

  • 简介:(利用激光对城市环境中悬浮颗粒大小及密度检测方法的研究 毕业论文 80页 39768字 包括开题报告 文献综述 任务书 外文翻译 程序 电路图 答辩记录等) 摘 要 随着全世界范围内的工业、科学的飞速发展,全球环境受到严重污染。在环境受到污染的领域,与人类...
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(利用激光对城市环境中悬浮颗粒大小及密度检测方法的研究 毕业论文 80页 39768字 包括开题报告 文献综述 任务书 外文翻译 程序 电路图 答辩记录等)

摘 要
随着全世界范围内的工业、科学的飞速发展,全球环境受到严重污染。在环境受到污染的领域,与人类健康有直接关系的大气可吸入颗粒物污染已成为大气环境污染的突出问题,并日益引起各国高度重视。则有效的检测空气中的颗粒状污染物,并采取必要的保护性措施,一直受到国内外环境研究人员,乃至其他科学领域研究人员的重视。
文章根据国内外现状,介绍了目前普遍适用的几种颗粒物检测方法,并重点介绍了基于Fraunhofer衍射理论和Mie光散射理论的粒度测试方法,以及相关的理论基础。而这种基于光散射原理的粒度测试方法将在所有粒度测试方法中仍占据绝对性的统治地位。通过查阅大量的文献,提出一种新的颗粒物测量方法,许多地方作了很多的假设,跟实际操作方面还存在很大的距离。
激光光散射方法充分利用了激光的强相干性、高功率密度、高能量等优点,采用激光作为研究检测空气颗粒的工具,还选用了光电探测器、透镜,A/D转换器等器件,涉及到的知识面很广。
关键词:激光;光散射;颗粒检测;空气悬浮颗粒


Abstract
With the world-wide industrial and scientific rapid development, the global environment is seriously contaminated. In the field of environmental pollution, atmospheric pollution respirable particles from atmospheric pollution has become a prominent issue, and growing national attention. How effective to detect the distance air pollutants, and to take the necessary protective measures have been domestic environment researchers, and other scientific fields to the attention of researchers.
The article in the light of international and domestic situation, introduces several universal testing methods of the particles , and highlighted on Fraunhofer diffraction theory and Mie light scattering theory granularity about test methods, as well as relevant theoretical basis. Such granularity based on the principles of light scattering methods will be tested in all granularity testing methods and still holds absolute rule status. Through inspection of the literature, I make a new measurement of particle emissions, and many of the assumptions have been made in many places, with the actual operation being still a big distance.
Laser light scattering methods take full advantage of the strong relevant identity, high-power density, high-energy, and other advantages of the laser, with the use of laser to test air particles as a research tool, and also a choice of photovoltaic detectors, lens, A/D converters and so on , involving a wide range of knowledge.
Keywords: laser; light scattering; particle detection; air suspended particle


目 录
0.引言 1
0.1文献综述 1
0.1.1概述 1
0.1.2研究历史与现状 1
0.1.3存在的问题 2
0.1.4总结与研究思路 3
0.1.5参考文献 4
0.2研究思路 4
0.3研究意义 4
1.名词解释 5
1.1总悬浮颗粒物和可吸入颗粒物 5
1.2激光 5
1.3光散射 5
1.4声学支和光学支 5
1.5二次电子发射 6
1.6光电探测器 6
2.研究背景 6
3.理论基础 7
3.1激光与工作物质的相互作用 7
3.1.1自发辐射 7
3.1.2受激辐射 7
3.1.3受激吸收 8
3.2光散射的种类 9
3.2.1瑞利散射 9
3.2.2米氏散射(或米-德拜散射) 9
3.2.3康普顿散射 9
3.2.4拉曼散射(或联合散射) 11
3.2.5布里渊散射 11
3.3激光器 12
3.3.1激光器工作原理 12
3.3.2激光器的种类 13
3.4光电探测器 15
3.4.1外光电效应 15
3.4.2 内光电效应 16
3.4.3光热效应 17
3.5模/数(A/D)转换器 19
4、几种颗粒检测方法的比较 20
4.1透气法(也叫弗氏法) 20
4.2显微镜法 20
4.3 透射电镜观察法(TEM观察法) 20
5、激光光散射方法检测颗粒 21
5.1器件的选择 21
5.1.1 He-Ne激光器 21
5.1.2光电倍增管 22
5.1.3 ADC0808/0809转换器 24
5.1.4 采样/保持电路 26
5.1.5透镜 26
5.2准备工作 27
5.3激光光散射测量颗粒工作原理 27
5.4 误差分析 29
5.4.1 样品误差 29
5.4.2光学参数的选择方面的误差 29
5.4.3 仪器误差 30
5.5光散射粒度测试方法的优点及局限性总结 30
5.6 光散射技术的发展及展望 31
5.6.1能在线分析 31
5.6.2测量的量程进一步扩大 31
5.6.3测量内容多样化 31
6.创新部分 32
7.结束语 33
参考文献 34
致谢 35
附录 36
附录1 36
附录2 48
附件 57
附件1 57
附件2 70
附件3 71
附件4 72
附件5 73


0.引言
0.1文献综述
0.1.1概述
测量,是人们认识和改造自然的重要手段。人类对天体的认识,时间的计量,新元素的发现,化学成分的分析,微观现象的研究,物理单位的制定和统一,若干物理定律的发明……都需要进行各种各样的测量。
现代工业中,从零件加工到机器的装配、调整、更离不开测量。没有统一和精确的测量,便无法保证产品质量。
随着科学技术的纵深发展,各学科之间的渗透性越来越强,所研究的对象更加广泛。一个研究课题的解决,往往需要进行大量的非常复杂的测量、统计、分析和归纳工作。因而,测量工作在科学研究中的地位越来越重要。测量学本身,也在科学技术的发展中逐步形成了一门完整的、精密及理论与实践密切结合的学科。
作为检测颗粒大小及密度的工具——激光,几乎是一种单色光波,其相干性高,可用于藉干涉效应反映物质状态及分布,产生全像纪录;频率范围极窄,可在一个狭小的方向內集中高能量,低发散性可以让激光照射到很远的地方,仍保持相当高的强度,其中的光线很近似互相平行。激光拥有上述特性,并不是因为它有与別不同的光能,而是它的功率密度十分高,这就是激光被广泛应用的原因。
现今,在环境受到污染的领域,人们呼吸时吸入的不是纯净的空气而是气溶胶。气溶胶对人体的危害程度主要与其成分、浓度、来源和粒径有关。气溶胶浓度和暴露时间决定了吸人剂量,有害颗粒物浓度越高、持续时间越长、危害就越大。气溶胶粒径与其在呼吸道内沉积、滞留和清赊有关 颗粒物的来源分为生物(植物及动物)、矿物、燃烧、家庭或个人装饰及放射性气溶胶。植物气溶胶的粒径约为5~lO0um,如花粉、霉及其他杂物;动物气溶胶的粒径约为0.5-lO0um.最小约为0.01-0.8um,如细菌、病毒;燃烧产生的气溶胶,其粒径约为0.0l-lO00um,源于燃烧木材及烟草产物等;家庭或个人清洁及化妆产生的气溶胶,粒径分布在0.1-1000um之间;放射性气溶胶,主要是指放射性粒子附着在较大的颗粒上,其中部分颗粒可被吸人肺部。其放射性将损坏肺部并增加肺癌的危险 上述气溶胶的来源可能是短期的、季节性的或连续性的,其粒径从毫微米到10微米,对人体健康的危害很大【1】。
0.1.2研究历史与现状
随着全球的各方面发展,环境在人们的不知不觉中已受到了严重的污染。在环境受到污染的领域,人们呼吸时吸入的已不再是纯净的空气而是气溶胶。研究表明,空气污染是直接影响到人体健康的重要因素,空气中的颗粒物成分决定了其是否有害和将会导致何种疾病。
最近几年,各国开始高度重视对大气中悬浮颗粒的检测、控制及消除的研究,直接面临三个问题:一是颗粒污染对人体的危害到底有多大?它是通过何种途径进入人体并造成何种危害?二是颗粒污染在整个大气污染中占有多大的比重?它们是如何产生的、以何种形式存在?三是如何检测到颗粒污染和如何进行治理?因此,如何有效的检测空气中的颗粒状污染物,以采取必要的保护性措施,一直是国内外环境研究人员的一个重要研究课题。
进人20世纪60年代中期,随着激光技术、光电子技术和电子计算机等先进技术的飞速发展和广泛应用,以激光为光源,基于光散射原理的微粒测量技术受到人们的普遍重视,并有了迅速的发展,被认为是一种先进、具有广泛发展前途的测量方法。Swithenbank等人在1976年发展了基于Fraunhofer衍射理论的激光微粒测量方法。后来发展成Malvern衍射式粒度分析仪。由于该粒度分析仪具有测量范围宽,适用范围广,测量时间短以及不受被测颗粒的光学特性参数的影响等特点,受到了人们的广泛重视。但是,Fraunhofer衍射理论是严格的光散射理论的近似,只有在被测颗粒粒度远大于入射光波长以及颗粒的相对折射率比1大得多时,Fraunhofer衍射理论与实际颗粒的光散射才比较接近。为了从根本上解决这个问题,一些学术专家就曾提出综合运用Fraunhofer衍射理论和Mie光散射理论的一种新的微粒测量技术,即FDAMS (Fraunhofer Diffraction and Mie Scattering)激光微粒测量技术,其在小颗粒范围内采用了经典的Mie光散射理论,从而保证了测量装置在不同颗粒粒度范围内,具有较高的测量精度。典型的仪器有FAM激光测粒仪。
随着世界范围内颗粒测量技术的快速发展,我国的粒度测试技术也有了全新的发展,但用的比较普遍的仍是筛分法和显微镜法。这些传统的方法存在操作烦琐、耗时长等缺点,已越来越不适应当前工业生产和科研的快速反应的要求。
0.1.3存在的问题
激光光散射法在粒度测试中有以下优点: (1)测量范围广; (2)测定速度快,自动化程度高,操作简单; (3)测量准确,重现性好.并且正得到更加广泛而深人的应用,但研究人员仍应客观的看到由其基本原理而产生的局限性:(1)应用于高浓度的样品中。由于使用的是光源,对于高浓度的样品(尤其在线测量时),光线无法正常穿过,因此无法准确得到光强分布信息。(2)应用于形状不规则的颗粒。由于在d~ 的通常情况下,应用的是Mie理论,而建立在球形粒子模型基础上的该理论对粒子的非球形度很敏感,因此在测量薄片状、长圆柱状,纤维状的颗粒,便会引起误差。
其中激光光散射法的主要误差来源有;
(1)样品分散性的好坏。如果超细粉颗粒之间形成硬团聚,高频超声都无法分散,则激光光散射法所测得的将是二次粒径。这一现象也是所有粒度分析方法的误差来源,只能从超细粉的制备、运输、贮存等方面解决。
(2)样品形状的影响.从表2中可以看出t对于近似圆球形的颗粒.激光光散射测量很准确,但对于非球形,尤其是棒状、片晶状的样品则误差较大。
(3)光学参数的选择。由于激光光散射粒度测试仪大部分采用Mie理论,而Mie理论的应用需要已知介质和样品的折射率等光学参数。但很多样品的光学参数未知或很难获得,通过经验选择光学参数必然带来较大的误差。 (悬浮颗粒大小及密度检测方法)

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