武汉理工大学自主创新项目申请书

受理部门校团委/教务处项目编号武汉理工大学自主创新研究基金项目申请书（本科生类，2014版）项目类型：依托竞赛(I类)、团队培育(II类)、自主申报(III类)项目子类：学生自主申报项目（III类）项目名称：利用光折射测量空气中PM2.5浓度专业类别：0702物理学类申请人：杨亚锋联系电话：[phone]电子邮箱：[e-mail]所在单位：理学院申请日期：2014年03月06日填写说明1、填写申请书前，请认真阅读《武汉理工大学自主创新研究基金管理暂行办法(校科字〔2009〕7号》和《武汉理工大学自主创新研究基金本科生项目实施细则》。2、申请书各项内容要实事求是，逐条认真填写。请严格按照要求填写申请书，形式审查不合格的项目申请将被视为无效申请。3、本申请书包括五个部分：一、基本信息表（申请人信息、项目信息），二、项目组主要成员表，三、经费申请表，四、报告正文，五、签字盖章页。其中前三个部分的信息（简称申请信息）将进入学校数据库。4、本申请书（Word文档）中内嵌了程序脚本（宏），用于辅助申请人填写项目类型（子类）、前三部分以及项目编号，检查申请信息完整性并保护文档。填写申请书时，应先启用宏！1）点击此处的项目类型，选择项目类型和子类。2）点击第一、二部分表格左侧的按钮：申请人信息，项目信息，1至8以及次序，将弹出编辑窗口；请在编辑窗口中输入或选择。编辑窗口中带红色星号（*）的项为必填项；编辑窗口下方信息栏会实时给出填写提示或错误提醒。3）在第三部分（经费申请表）中，请填写预算经费及备注，经费将被自动汇总。5、第四部分（报告正文）可直接在本申请书中填写；建议在其它Word文档中撰写完后，复制到本申请书。6、点击尾页或此处的【检查与保护】，应用程序将自动检查申请信息的完整性和一致性，如有问题会提示更正。通过检查后，将以只读方式保护申请书并将其设置成适合打印与提交的样式。上交申请书前，应该先“检查与保护”。7、如需再编辑文档，包括更改前三部分的申请信息和第四部分的报告正文，请点击尾页或此处的【再编辑文档】。再编辑后需再次“检查与保护”。每次“检查与保护”后申请书会以新的文件名（版本号）保存。请勿重命名。旧版本可自行删除。8、点击申请书首页或此处的项目编号，可填写由学校指定的项目编号。上交的的申请书（正式版）中，一定要有项目编号。9、申请书为A4开本，于左侧装订成册，双面打印，一式三份。需向学校报送一份申请书原件（有关各方签字、签署意见并签章后，由学院统一报送）。其他两份申请书由所在单位及申请人个人留存备档。10、填报申请书的详细说明，可参考《自主创新基金项目申请书使用说明》。一、基本信息表申请人信息姓名杨亚锋性别男民族汉族出生年月1993-05身份证号421122199305091817学号0121214420209学院理学院专业班级电信科1202电话[phone]QQ337183910电子邮箱[e-mail]申请人曾参与科研情况（限100字）参与学校组织的学科竞赛并获得物理课程知识学习一等奖和物理基础实验技能一等奖；获得国家励志奖学金。指导教师姓名职称/学位所在单位联系电话电子邮箱陈凤翔副教授/博士理学院[e-mail]项目信息项目名称利用光折射测量空气中PM2.5浓度项目研究所属专业/学科专业类别代码0702二级学科代码14030专业类别名称物理学类二级学科名称光学申请经费（万元）0.55起止年月2014-05至2015-10研究预期成果类型首选1自然科学类学术论文关键词（分号分隔，最多五个）激光；折射率；PM2.5中文摘要（限400字）本项目拟开发一种全新的基于光折射率变化测量PM2.5浓度的装置。首先从理论上研究光折射率与PM2.5浓度间的关系；其次在实验上通过对混有PM2.5的空气所形成的气胶体进行压缩，实现PM2.5颗粒在小范围内的高富集，通过测量PM2.5富集区内光折射率的变化，反演出原始空气中PM2.5的浓度，并开发出相应测试装置，提供实时、准确地测量空气中PM2.5浓度的变化，为“健康生活”提供更好的参考。二、项目主要成员表（注：项目主要成员不包含项目申请人）次序姓名学院年级专业班级学号电话项目分工年参加月数签名1武汉理学院大二电信科12020121214420201搭建实验装置，制作实物模型122朱文浩理学院大二电信科12020121214420211搭建实验装置，制作实物模型123王青理学院大二电信科12020121214420217搭建实验装置，制作实物模型124董晓旭理学院大二电信科12020121214420231测量125舒晓榕理学院大二电信科12020121214420229测量12678参与人数统计子表：总人数大一大二大三大四大五研一研二研三66说明：a)点击表格左上角“次序”按钮，可对项目主要成员次序进行调整。b)参与人数统计子表“总人数”需填写；其他项为零可不填。三、经费申请表预算科目申请经费（万元）年度预算经费（万元）备注（计算依据与说明）201420151.设备费0.002.材料费0.400.200.20购买空气压缩、光电传感器等3.测试化验加工费0.050.05单片机PCB板开发加工4.差旅费0.005.会议费0.00——6.国际合作与交流费0.00——7.出版/文献/信息传播/知识产权事务费0.100.10论文版面费8.劳务费0.00——总计0.550.200.35说明：年度预算经费只需填写不为零的项；如总计行未及时更新，请任选一项，按TAB键。四、报告正文1项目背景及研究意义在环境日益恶化的今天，寻找其真正的源头已经成为亟待解决的问题了，而其中占很大比例的就是PM2.5。PM2.5学名细颗粒物，又称细粒、细颗粒。细颗粒指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5微米的颗粒物。它能较长时间悬浮于空气中，其在空气中含量浓度越高，就代表空气污染越严重。早在1997年，美国已经提出PM2.5检测标准，但是被大多数国家和地区忽略，直到2010年被重新提及，除美国和欧盟一些国家将细颗粒物纳入国标并进行强制性限制外，世界上大部分国家都还未开展对细颗粒物的监测，大多通行只对PM10进行监测。在我国，2011年1月1日首次才对PM2.5的测定进行规范，但PM2.5监测只是在环保部进行的《环境空气质量标准》修订中，并没有被纳入强制性检测指标。一年后，环保部要求74个城市在10月底完成PM2.5“国控点”监测的试运行。在正式检测后，发现北、上、广等一线城市PM2.5指标显著高于其他城市。此外，PM2.5还呈现出一种逐年递增的趋势。2011年，我国地区最高PM2.5含量达到80微克每立方米，由PM2.5引起的雾霾天气比沙尘暴带来的危害更大。虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有害物质（例如，重金属、微生物等），且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。通常来说，粒径10微米以上的颗粒物，会被挡在人的鼻子外面；粒径在2.5微米至10微米之间的颗粒物，能够进入上呼吸道，但部分可通过痰液等排出体外，另外也会被鼻腔内部的绒毛阻挡，对人体健康危害相对较小；而粒径在2.5微米以下的细颗粒物，直径相当于人类头发的1/10大小，不易被阻挡，被吸入人体后会直接进入支气管，干扰肺部的气体交换，引发包括哮喘、支气管炎和心血管病等方面的疾病。而人体的生理结构决定了我们的呼吸系统对PM2.5没有任何过滤、阻拦能力。随着医学技术的进步，PM2.5对人类健康的危害逐步暴露出其恐怖的一面。每个人每天平均要吸入约1万升的空气，进入肺泡的微尘可迅速被吸收、不经过肝脏解毒直接进入血液循环分布到全身；其次，会损害血红蛋白输送氧的能力，丧失血液。对贫血和血液循环障碍的病人来说，可能产生严重后果。例如可以加重呼吸系统疾病，甚至引起充血性心力衰竭和冠状动脉等心脏疾病。由于这些颗粒还可以通过支气管和肺泡进入血液，其中的有害气体、重金属等溶解在血液中，对人体健康的伤害更大。既然PM2.5对我们的危害如此之大，如何有效检测PM2.5就成了一个重要的待解决问题。现行的PM2.5测量法有称重法，β射线吸收法和微量振荡天平法。三种方法各有其优缺点。称重法最直接可靠，但是需人工称重，程序繁琐费时，且不能实现实时监控；β射线吸收法属于一种间接测量方法，其优点是能实现自动实时监控，有利于远程测量，减少人工工作量，但其成本相对较高；微量振荡天平法也属于称重法的一种，属于直接测量，准确度较高，其成本也相对较高。在本项目中，我们将利用光折射原理来测量空气中PM2.5的浓度。与其他几种方法对比，这种方法测量简单，精度高，使用方便，成本低，而且能对PM2.5浓度进行实时监测，为及时发现污染源，控制污染扩散，为“健康生活”提供更好的保证。2项目研究目标、研究内容和拟解决的关键问题研究目标本项目拟建立一种新的测量PM2.5浓度的方法。理论上，研究光折射率与PM2.5浓度间的关系；实验上，通过将混有PM2.5的空气所形成的气胶体进行压缩，实现小范围内的PM2.5颗粒的富集，通过测量光折射率的变化，反演出原始空气中PM2.5的浓度。研究内容1、光折射率与PM2.5浓度之间的关系通过理论推导建立光通过混有PM2.5的气溶胶时，其折射率与PM2.5浓度之间关系的数学模型。2、空气中PM2.5的过滤与富集通过将混有PM2.5的空气以一定速率流过过滤装置，先滤除其中的PM10和其他较大的杂质，仅让PM2.5随气流进入实验装置，并通过另一过滤装置将空气中混有的PM2.5过滤，留在具有一定体积的实验装置中，排出洁净空气，实现PM2.5的富集。3、光折射率的测量通过激光和光电传感器件结合数学计算测量光折射率。拟解决的关键问题1．在测试装置内实现无损耗地富集PM2.5；2．折射率的测量，拟使用光电传感器件；3．理论上折射率与PM2.5浓度的关系的计算和测量结果对理论推导结果的修正。3项目研究的实施方案及拟采取的研究方法和技术路线研究方法图1研究方法图实施方案1.大量查阅相关文献资料，并和指导老师讨论，学习更深入的光学方面的知识；2.理论推导气溶胶折射率与其中含有的PM2.5浓度的关系；3.搭建实验装置；4.根据测得的折射率，结合理论推导结果，给出PM2.5浓度的预测估计值；5.与气象观测站的标准观测数据进行对比，对理论推导结果进行修正和改进；6.制作出用于实际测量的实物模型，利用光电传感器件结合计算机的信号处理实现对PM2.5浓度的实时监测和报告。技术路线项目分两个方面同时进行。1.理论推导气溶胶的折射率与其中所含有的PM2.5微粒的浓度之间的关系。通过查阅资料和在老师的指导下自学光学方面的知识，通过理论计算得出。2.折射率的测量。首先通过空气压缩机将混有PM2.5和其他杂质的空气以一定速率通过第一个过滤装置，过滤掉其中的PM10和其他较大的灰尘颗粒，然后再让气流通过第二层过滤装置，将其中的PM2.5截留下来，在放有测量器件的具有一定体积的装置内实现PM2.5的富集，并进行测量。将一束激光射入气溶胶内，通过光电传感器件测量出出射光线的位置偏转，结合相关理论可以计算出装置内含有PM2.5的气溶胶的折射率。图2测量折射率的原理简图上述两个步骤完成后，便可以依据理论计算的结果和所测量出的折射率对测量装置内的PM2.5浓度做出估计，同时通过抽入的空气的体积和测量装置的体积关系，换算出实际空气中PM2.5的浓度，将所得结果和气象观测站的数据进行对比，进一步对理论推导结果进行修正和改进，使预测估计更加准确。4项目的可行性分析气溶胶（aerosol）是由固体或液体小质点分散并悬浮在气体介质中形成的胶体分散体系，又称气体分散体系。其分散相为固体或液体小质点，其大小为0.001～100微米，分散介质为气体。气溶胶中的粒子具有很多特有的动力性质，光学性质，电学性质。比如布朗