于志強(qiáng)
(上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院 材質(zhì)中心,上海 201203)
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空氣負(fù)離子測(cè)量?jī)x檢測(cè)系統(tǒng)的研究*
于志強(qiáng)
(上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院 材質(zhì)中心,上海 201203)
在總結(jié)現(xiàn)有負(fù)離子源發(fā)生裝置和環(huán)境影響的基礎(chǔ)上,結(jié)合大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),電極發(fā)射形狀類比,利用標(biāo)準(zhǔn)氣源配比,恒溫恒濕處理,流量控制,建立一套標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)離子源發(fā)生裝置系統(tǒng)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)分析表明:該系統(tǒng)在測(cè)量范圍內(nèi)具有良好的重復(fù)性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性,填補(bǔ)了行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)負(fù)離子發(fā)生源的缺失,同時(shí)為負(fù)離子濃度測(cè)試類儀器及相關(guān)負(fù)離子產(chǎn)品的計(jì)量溯源及檢測(cè)工作提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。
負(fù)離子;檢測(cè);重復(fù)性;穩(wěn)定性
近年來(lái),由于認(rèn)識(shí)到空氣負(fù)離子在醫(yī)學(xué)、生物、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的作用,空氣離子相關(guān)儀器產(chǎn)品逐年增長(zhǎng),部分省市將空氣負(fù)離子量加入日常天氣預(yù)報(bào)中,絕大部分的空氣凈化類產(chǎn)品也增添入空氣負(fù)離子項(xiàng)目的新功能作為重要指標(biāo),故空氣負(fù)離子檢測(cè)儀器在國(guó)內(nèi)也應(yīng)運(yùn)而生,且數(shù)量種類繁多。
空氣負(fù)離子測(cè)量?jī)x的校準(zhǔn)和量值溯源,我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家差距較大,就國(guó)內(nèi)而言,我國(guó)僅自1978年由伊朗的沙哈瓦特博士引進(jìn)一臺(tái)電子儀器—生物濾器(biological filter),即我國(guó)負(fù)離子發(fā)生器的前身。從事負(fù)離子相關(guān)測(cè)量的單位(福建省漳州市東南電子技術(shù)研究所、中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院等)均未有標(biāo)準(zhǔn)負(fù)離子發(fā)生源。且中國(guó)建科院申報(bào)的JC/T1016-2006也是以建筑材料為研究對(duì)象,相對(duì)應(yīng)用領(lǐng)域較局限?!叭毡緳C(jī)能性ION協(xié)會(huì)” 研發(fā)制造的測(cè)量?jī)x器和日本JIS國(guó)標(biāo)《空気中のイオン密度測(cè)定方法》已于2006年公布,且該協(xié)會(huì)也以此為基礎(chǔ)建立了標(biāo)準(zhǔn)離子源及測(cè)試系統(tǒng),目前日本、韓國(guó)和臺(tái)灣等地區(qū)均采用此方法。
因此,為改善上述情況,本文研究建立一套標(biāo)準(zhǔn)空氣離子發(fā)生裝置用于空氣負(fù)離子測(cè)量?jī)x的檢測(cè)系統(tǒng)工作,填補(bǔ)該領(lǐng)域國(guó)內(nèi)的缺失,同時(shí)提高工作效率,減少人力物力消耗。
1.1 負(fù)離子發(fā)生裝置機(jī)理的選擇
目前已得到論證的負(fù)離子產(chǎn)生機(jī)理有四種,裝置核心從中可以比較并選擇最優(yōu)化。
1.1.1 碰撞分離效應(yīng)
正電荷和負(fù)電荷數(shù)量相等時(shí),空氣分子和原子呈電中性。當(dāng)空氣分子受到外界條件如電離劑作用后,獲得足夠能量,使原子核外圍的價(jià)電子脫離原子核的束縛而躍出軌道變成自由電子,使失去電子的中性分子或原子捕獲逃逸出來(lái)的電子,變成帶負(fù)電荷的離子,這一形成帶電荷的正負(fù)離子的過程成為空氣離子化,空氣負(fù)離子就是帶負(fù)電荷的單個(gè)氣體分子和輕離子團(tuán)的總稱。電子對(duì)原子的碰撞偶然性較大,產(chǎn)生的負(fù)離子含量區(qū)間一般為102~105個(gè)/cm3左右,發(fā)生多在都市公園、郊外田野、街道綠化區(qū)內(nèi)。
1.1.2 Lenard效應(yīng)
Lenard效應(yīng)是由諾貝爾獎(jiǎng)德國(guó)物理學(xué)家philipp von Lenard于1894年發(fā)現(xiàn)的。水滴在空氣中運(yùn)動(dòng)能量的消耗伴隨著電荷的分離。這時(shí)因?yàn)樗瓮ㄟ^外加剪切力剝離大水滴形成了水霧,水霧從水滴表面脫離時(shí)帶上負(fù)電荷,從而形成負(fù)離子。自然界的瀑布效應(yīng),噴泉效應(yīng)附近的負(fù)離子濃度較高就是由于Lenard效應(yīng)導(dǎo)致。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),水的噴射過程中,正負(fù)電荷的分離還依賴于溫度、存在的溶解雜質(zhì)、沖擊空氣的速度和接觸界面[1]。
此效應(yīng)的理論還不完備,負(fù)離子含量區(qū)間為102-104個(gè)/cm3左右,濃度較低,數(shù)據(jù)離散度大,穩(wěn)定性差,不適合應(yīng)用于裝置。
1.1.3 熱點(diǎn)效應(yīng)和壓電效應(yīng)
由于一些天然礦石晶體結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性,導(dǎo)致兩個(gè)高電荷的原子在結(jié)晶格架上排列明顯錯(cuò)位,使其在機(jī)械力的作用和晶體的溫度變化的條件下產(chǎn)生熱點(diǎn)效應(yīng)和壓電效應(yīng)。當(dāng)前研究最多的是電氣石,又叫托瑪琳,其晶體所處環(huán)境溫度與壓力變化時(shí),電氣石的正極會(huì)吸收大氣中的負(fù)離子,并把它存儲(chǔ)在其晶體內(nèi)部,多余負(fù)離子會(huì)從負(fù)極放出,因而形成永久放電特性。在一定的溫度壓力下,其放電特性相對(duì)穩(wěn)定,溫度每提高10度,效果倍增。
由于電氣石的永久電極特性,常被用來(lái)制作成手腕,護(hù)腰帶。其放射的負(fù)離子濃度穩(wěn)定性很高,但缺點(diǎn)是其濃度不大,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,5kg左右粉末狀的負(fù)離子濃度約為103個(gè)/cm3左右。
1.1.4 中性介質(zhì)荷電效應(yīng)
電暈放電可產(chǎn)生大量負(fù)離子。系統(tǒng)空間的空氣中,有不受原子束服的電子存在,當(dāng)在系統(tǒng)兩端施加高直流電壓時(shí),天然電子被電場(chǎng)力加速,當(dāng)其動(dòng)能累計(jì)值大于或等于所碰撞的氣體分子的電離點(diǎn)位時(shí),可誘發(fā)分子電離而產(chǎn)生出正離子和電子,該電子與原有的自由電子分別又被電場(chǎng)力加速,形成“電子雪崩”,正離子被加速引向負(fù)極,釋放電荷。而在電暈外區(qū),氣體分子俘獲自由電子形成了大量的空氣負(fù)離子。
此種負(fù)離子的產(chǎn)生機(jī)理主要是在靠近負(fù)極金屬絲的強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。電場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng), 所產(chǎn)生的負(fù)離子就越多,一般極限值可達(dá)107個(gè)/cm3左右。且在確定下放電極幾何形狀,系統(tǒng)環(huán)境的溫濕度與供給系統(tǒng)反應(yīng)的氣體源的因素后,能獲得較佳的穩(wěn)定性重復(fù)性、高濃度的負(fù)離子。
綜上所述,排除前三種不適宜采用的負(fù)離子發(fā)生機(jī)理,唯選擇第四種即電暈放電較符合目前標(biāo)準(zhǔn)負(fù)離子發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)。
標(biāo)準(zhǔn)負(fù)離子源發(fā)生裝置是本系統(tǒng)的核心,也是設(shè)計(jì)中重點(diǎn)要考慮的部分。
1.2 離子發(fā)生體幾何形狀的設(shè)計(jì)
電暈放電法的標(biāo)準(zhǔn)離子發(fā)生體幾何形狀是影響負(fù)離子濃度高低,穩(wěn)定性的重要因素。在設(shè)計(jì)及選用過程中,研究發(fā)現(xiàn)放電極按幾何形狀分類,主要有電場(chǎng)封閉型和電場(chǎng)開放型兩種。
電場(chǎng)封閉型,就是正、負(fù)高壓電極之間距離較近,兩電極相互放電。它采用數(shù)排平行尖端,排距約1cm左右,兩排尖端之間加5~7kV直流高電壓,相鄰兩排尖端互相放電,使1cm距離空間的空氣電離,產(chǎn)生空氣負(fù)離子。此類放電幾何形狀,負(fù)離子濃度數(shù)千到數(shù)萬(wàn)個(gè),并不適宜匹配標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)離子發(fā)生源[2]。
圖1 排除的放電極幾何形狀
圖2 選用的放電極幾何形狀
電場(chǎng)開放型,就是將負(fù)高壓電極直接對(duì)空間電暈放電,使空氣電離產(chǎn)生空氣負(fù)離子。電場(chǎng)開放型有幾種:數(shù)個(gè)尖端型、球狀尖端型、液體電極型和線管型。前三類開放型放電極幾何形狀結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,產(chǎn)生臭氧量巨大且部分還需要通過添加藥物來(lái)提高負(fù)離子濃度量,在常規(guī)實(shí)驗(yàn)中并不適合。
故排除的放電極幾何形狀如圖1所示,分別為電場(chǎng)封閉型和數(shù)個(gè)尖端型、球狀尖端型、液體電極型。
選用的放電極幾何形狀如圖2所示,為線管型,該放電幾何形狀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,臭氧釋放相對(duì)較小,其通過線圈內(nèi)徑、金屬絲內(nèi)徑及載負(fù)電荷的線密度等可計(jì)算場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)度,便于觀察負(fù)離子趨勢(shì),故標(biāo)準(zhǔn)負(fù)離子發(fā)生裝置設(shè)計(jì)上選用線管型放電極形狀最佳[3]。
1.3 裝置影響因素的確定
在標(biāo)準(zhǔn)負(fù)離子發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)中,考慮到有多種因素會(huì)對(duì)最終結(jié)果產(chǎn)生影響,故在裝置的設(shè)計(jì)內(nèi)又包含設(shè)計(jì)了以下幾種輔助設(shè)備,減少可變因素,主要針對(duì)氣源控制和溫度控制。
氣源方面,配置氮氧兩種氣體供給標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生裝置,模擬自然空氣的比例21:78,總流量控制在10L/min。通過氣源輸入除了可以控制裝置內(nèi)濕度值,也可排除輸入氣源的顆粒度,減少外界對(duì)負(fù)離子發(fā)生濃度的影響。
溫控方面,混合后的氣體,以標(biāo)準(zhǔn)流量進(jìn)入迷宮式空氣加熱器中,上升到50℃,同樣排除溫度值對(duì)負(fù)離子濃度的影響。
如圖3所示,針對(duì)空氣負(fù)離子測(cè)量?jī)x系統(tǒng)的要求,系統(tǒng)主要包括以下部分:精控氣源及混合系統(tǒng)、氣體加熱倉(cāng)、離子發(fā)生部件,精密電源控制部件及測(cè)試部件。
圖3 系統(tǒng)裝置示意圖
系統(tǒng)裝置的工作原理:氧氣與氮?dú)猓?jīng)減壓后,進(jìn)入質(zhì)量流量控制器中,混合模擬大氣環(huán)境,避免濕度、顆粒物的影響?;旌虾蟮臍怏w,以標(biāo)準(zhǔn)流量進(jìn)入迷宮式的空氣加熱器中,加熱到一定溫度。再進(jìn)入離子發(fā)生腔,通過高精密電源控制及微電流計(jì)監(jiān)控, 在線管型負(fù)離子發(fā)生腔內(nèi)形成電場(chǎng)。此時(shí)腔內(nèi)不受原子束縛的自由電子在電場(chǎng)力的作用下, 沿電場(chǎng)的反方向作加速運(yùn)動(dòng)。達(dá)到一定的強(qiáng)度,將其它分子的外層電子轟擊掉,被其它分子所俘獲,形成一定濃度的負(fù)離子,從聚四氟乙烯材料的測(cè)試出口輸出,接入到負(fù)離子檢測(cè)儀內(nèi),實(shí)現(xiàn)該裝置對(duì)負(fù)離子測(cè)量?jī)x的檢測(cè)。各部件特點(diǎn)如下:
2.1 總負(fù)離子發(fā)生腔體效果圖
圖4中a所示,離子發(fā)生腔體設(shè)計(jì)的效果圖拆分后可觀察到內(nèi)部的迷宮式的空氣加熱器中。圖4中b所示,垂直剖面效果圖可以觀察內(nèi)部的放電極形狀。
形狀最終采用線管式發(fā)生器,內(nèi)腔Φ50mm×190mm,電暈絲使用鎢絲,尺寸為Φ0.1mm×190mm,整體精密幾何尺寸加工,外部為不銹鋼材料。輸出部件為聚四氟乙烯材料,從Φ50mm的內(nèi)口轉(zhuǎn)換為46mm×8mm的矩形口,以配合大部分測(cè)試儀接口。
圖4 離子發(fā)生腔體設(shè)計(jì)的效果圖
2.2 精密氣體質(zhì)量流量控制器
氧氣流量計(jì)與氮?dú)饬髁坑?jì)分為0~5L/min和0~20L/min,精度高達(dá)0.5%。
2.3 靜電發(fā)生器及微電流監(jiān)控表
發(fā)生器電源為精密高壓電源EST705,電壓范圍30kV,調(diào)制電流1mA。EST122型微電流監(jiān)控表(北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所),電流調(diào)制精度為10-14A。
空氣負(fù)離子測(cè)量?jī)x檢測(cè)系統(tǒng)為保證各測(cè)量點(diǎn)的技術(shù)指標(biāo),采用控制變量法,最大程度上排除影響負(fù)離子濃度檢測(cè)的變量,確定測(cè)量點(diǎn)并研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性和重復(fù)性。
由于空氣負(fù)離子極高的活性和不確定性,當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定性≤10%,重復(fù)性≤10%時(shí),就已滿足既定的裝置目標(biāo),可用于負(fù)離子測(cè)量?jī)x器的比對(duì)工作。
選取測(cè)試距離為20cm、40cm 和60cm,分別作為1、2、3測(cè)試點(diǎn)。選用DLY-4G-232Y型的負(fù)離子檢測(cè)儀作為測(cè)試儀器。該儀器準(zhǔn)確度高,還具有響應(yīng)快、穩(wěn)定性較好的特性,適合用來(lái)比較負(fù)離子濃度穩(wěn)定性與重復(fù)性的影響。
由于圓筒的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于圓筒的直徑,在圓筒內(nèi)部可近似認(rèn)為電場(chǎng)方向與徑向相反,并且是軸對(duì)稱的,由高斯定理可求出電場(chǎng)強(qiáng)度的大小:
E=l /(2prε0)
(1)
式中,l 表示負(fù)極金屬絲單位長(zhǎng)度上所載負(fù)電荷數(shù),即所載負(fù)電荷的線密度;r表示圓筒半徑;ε0為真空介電常數(shù)。
正、負(fù)極間所加高壓用U表示,金屬絲的半徑用a表示,圓筒的內(nèi)半徑用b表示,則
(2)
l =2prε0U/ln(b/a)
(3)
將式(2)代入式(1)得
E=U/ln(b/a)
(4)
由式(2)和式(3)可以看出圓筒內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度的分布。負(fù)離子的產(chǎn)生主要是在靠近負(fù)極金屬絲的強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。電場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng),所產(chǎn)生的負(fù)離子就越多。負(fù)離子發(fā)生裝置確定后, 內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度是由正、負(fù)極上所加的電壓決定,在裝置結(jié)構(gòu)確定的前提下,轉(zhuǎn)換成微電流作為輸入量[4]。
故此套系統(tǒng)中的負(fù)離子濃度是通過兩方面來(lái)調(diào)節(jié)的,第一個(gè)是調(diào)節(jié)負(fù)離子發(fā)生裝置的電壓,通過微電流產(chǎn)生不同濃度的負(fù)離子;第二個(gè)是選用檢測(cè)系統(tǒng)不同的測(cè)試點(diǎn)來(lái)確定負(fù)離子的濃度。
在負(fù)離子測(cè)量與標(biāo)定中,1000個(gè)/cm3以下的低負(fù)離子數(shù),尤其是500個(gè)/cm3以下的極低負(fù)離子測(cè)量一直是一個(gè)難點(diǎn),由于負(fù)離子在空氣中無(wú)處不在,無(wú)法排除低濃度值時(shí)大氣中負(fù)離子的本底值。因此,結(jié)合測(cè)試儀器指標(biāo)以及技術(shù)現(xiàn)狀,選擇的測(cè)試濃度點(diǎn)均大于1000個(gè)/cm3,讀數(shù)方式為每隔三秒讀數(shù)一次,讀數(shù)一分鐘,見表1。
表1 測(cè)試點(diǎn)1的負(fù)離子數(shù)據(jù)
續(xù)表
在測(cè)量點(diǎn)位置1,負(fù)離子測(cè)量?jī)x檢測(cè)系統(tǒng)的重復(fù)性(≤0.7%)和穩(wěn)定性(≤2.5%)。由于數(shù)據(jù)量太大,測(cè)試點(diǎn)位置2與位置3只寫結(jié)論。在測(cè)量點(diǎn)位置2,負(fù)離子測(cè)量?jī)x檢測(cè)系統(tǒng)的重復(fù)性(≤2.5%)和穩(wěn)定性(≤5.5%)。測(cè)量點(diǎn)位置3,負(fù)離子測(cè)量?jī)x檢測(cè)需提供的重復(fù)性(≤6.5%)和穩(wěn)定性(≤8.5%)。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,空氣負(fù)離子測(cè)量?jī)x檢測(cè)系統(tǒng)在測(cè)量點(diǎn)1,2,3(即測(cè)試距離為20cm,40cm ,60cm)滿足初設(shè)的重復(fù)性穩(wěn)定性要求。
4 系統(tǒng)的準(zhǔn)確性研究與國(guó)內(nèi)外負(fù)離子測(cè)試儀比對(duì)
4.1 系統(tǒng)的準(zhǔn)確性
目前國(guó)內(nèi)唯一的負(fù)離子測(cè)試儀標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 18809—2002 空氣離子測(cè)量?jī)x通用規(guī)范》是由福建省漳州市東南電子技術(shù)研究所起草的,該標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍僅為該單位設(shè)計(jì)生產(chǎn)的DLY系列負(fù)離子測(cè)試儀,即是本次重復(fù)性穩(wěn)定性研究中采用的儀器DLY-4G-232Y型負(fù)離子測(cè)試儀。
該儀器DLY-4G-232Y型負(fù)離子測(cè)試儀有福建省漳州市東南電子技術(shù)研究所的出廠檢驗(yàn)報(bào)告,并另由上海計(jì)量院比對(duì)后出具溯源證書。
4.2 國(guó)內(nèi)外負(fù)離子測(cè)試儀比對(duì)
經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)研、取證及工作經(jīng)驗(yàn),市面上現(xiàn)存的國(guó)內(nèi)外空氣負(fù)離子測(cè)量?jī)x種類目前常用的4種。通過日本JIS國(guó)標(biāo)《空気中のイオン密度測(cè)定方法》出廠要求的日本Inti公司 ITC-201A型,美國(guó)AIC公司的AIC-1000型,上海電動(dòng)工具研究所生產(chǎn)的SD9207B型,及福建漳州東南研究所DLY-4G-232Y型這四種。
以下采用這4種空氣負(fù)離子測(cè)量?jī)x在3組相同的測(cè)試條件下,分別進(jìn)行3組離子濃度的比對(duì)試驗(yàn),見表2。
表2 4臺(tái)負(fù)離子測(cè)試儀比對(duì)數(shù)據(jù)
續(xù)表
選取具有代表性的一組數(shù)據(jù)使用En比率值計(jì)算來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià),該能力統(tǒng)計(jì)量很典型地被用于測(cè)量比對(duì)計(jì)劃或測(cè)量審核活動(dòng)。
選取具有代表性的一組數(shù)據(jù)使用En比率值計(jì)算來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。
En=(xi-xref)/(Ui2+Uref2)0.5
式中,xi為測(cè)量?jī)x顯示的數(shù)值;xref為帶證書測(cè)量?jī)x給出的相應(yīng)離子濃度數(shù)值, 以此作為每臺(tái)被檢儀器的參考值;Ui為參加測(cè)量結(jié)果xi的不確定度;Uref為參考實(shí)驗(yàn)室指定值xref的不確定度。
以有溯源報(bào)告的DLY-4G-232Y型數(shù)據(jù)為參考實(shí)驗(yàn)室樣板數(shù)據(jù),比對(duì)結(jié)果En值見圖5所示。
圖5 國(guó)內(nèi)外測(cè)試儀比對(duì)En結(jié)果
以En=1 和En=-1 兩條能力界線為界,最終,國(guó)內(nèi)外在用的3臺(tái)測(cè)試儀全部絕對(duì)值En< 1, 其結(jié)果令人滿意的,檢測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確性達(dá)到要求。
選取的國(guó)內(nèi)外負(fù)離子測(cè)試儀性能都符合基本要求,除DLY-4G-232Y型帶溯源證書外,其中ITC-201A型(日本)優(yōu)于AIC-1000型(美國(guó))和SD9207B型(上海)。
由于負(fù)離子的易反應(yīng)、不穩(wěn)定性,以及其不具備存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)氣體的條件,因此,負(fù)離子測(cè)試儀不能向其他氣體分析儀一樣使用標(biāo)準(zhǔn)氣體來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)。空氣負(fù)離子測(cè)量?jī)x檢測(cè)系統(tǒng)的建立,為負(fù)離子測(cè)試儀的校準(zhǔn)提供了一種新方法,完善了負(fù)離子濃度測(cè)試儀及相關(guān)負(fù)離子產(chǎn)品的計(jì)量檢測(cè)工作,填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白。另一方面在項(xiàng)目的研究過程中,項(xiàng)目組還對(duì)不同的負(fù)離子測(cè)試儀在不同工況下測(cè)量積累了數(shù)據(jù),項(xiàng)目研究中積累的大量數(shù)據(jù)也為今后其他負(fù)離子的檢測(cè)工作或發(fā)生裝置的建立提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。
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10.3969/j.issn.1000-0771.2015.06.01
*上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院(I00RY0808)