DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 3. 结果 3.1. 学习适应性等级分布状况 对620名初中新生采用《中学生学习适应性测验》问卷调查，结果如下。 初中新生学习适应性整体状况见表1，在7个分测验上，除家庭环境外，其它6个分测验学习适应性不良的比率均高于良好人数的比率。除学习动机、学习期望外，其它5个分测验学习适应性中等人数的比率高于良好和不良人数的比率。除了家庭环境外，其它6个分测验的检出率都高于全国的理论比率25%。 Table 1 The distribution of learning adaptability level 分测验 不良 中等 良好 学习动机 303(48.9%) 230(37.1%) 87(14%) 学习期望 313(50.5%) 259 (41 .8%) 48(7.7%) 健康状况 156(25.2%) 344(55.5%) 120(19.4%) 意志力 189(30.5%) 291(46.9%) 140(22.6%) 学习方法 182(29.4%) 360(58.1%) 78(12.6%) 学校环境 165(26.6%) 365(58.9%) 90(14.5%) 家庭环境 134(21.6%) 352(56.8%) 134(21.6%) 学习动机 303(48.9%) 230(37.1%) 87(14%) 表1. 学习适应性等级分布状况 3.2. 学习适应性的性别差异比较 学习适应性性别比较状况见表2。在健康状况分测验中男生平均分显著高于女生，而在学习动机、学习方法、学校环境、家庭环境分测验中男生平均分均显著低于女生。 Table 2 Comparison of gender differences in learning adaptabilit 分测验 男生(M ± SD) 女生(M ± SD) t 学习动机 34.96 ± 26.07 40.64 ± 25.88 −2.709 * 学习期望 36.11 ± 25.24 41.14 ± 25.76 −0.540 健康状况 56.71 ± 25.4 51.54 ± 26.54 2.468 * 意志力 51.67 ± 26.49 49.80 ± 27.76 0.857 学习方法 46.96 ± 26.18 51.06 ± 25.28 −1.969 * 学校环境 45.57 ± 24.23 50.92 ± 22.67 −2.818 * 家庭环境 54.91 ± 25.69 61.15 ± 26.01 −2.988 * 学习期望 36.11 ± 25.24 41.14 ± 25.76 −0.540 表2. 学习适应性的性别差异比较 3.3. 学习适应性不良检出率的性别比较 学习适应性不良检出率性别比较见表3，除意志力、健康状况分测验外，男生的检出率均高于女生。在学习动机分测验中男生检出率显著高于女生；在健康状况分测验中女生不良检出率显著高于男生。 Table 3 Sexual comparison of detection rate of maladaptive learnin 分测验 男生(M ± SD) 女生(M ± SD) χ² 人数(理论) 比率 人数(理论) 比率 −2.709 * 学习动机 185(167) 54.25% 118(136) 42.29% 8.78 * 学习期望 175(172) 51.32% 138(141) 49.46% 0.21 健康状况 73(86) 21.41% 83(70) 29.75% −5.67 * 意志力 97(104) 28.45% 92(85) 32.97% 1.49 学习方法 111(100) 32.55% 71(82) 29.03% 3.73 学校环境 101(91) 29.62% 64(74) 22.94% 3.51 家庭环境 88(79) 25.81% 55(64) 19.71% 3.21 表3. 学习适应性不良检出率的性别比较 3.4. 学习适应性的校际差异比较 学习适应性校际差异比较见表4。在学习期望、健康状况分测验中，民工子弟学校平均分显著高于公办学校；而在学习方法、学校环境分测验中公办学校平均分显著高于民工子弟学校。 Table 4 Comparison of inter-school differences in learning adaptabilit 分测验 公办学校(M ± SD) 民工子弟学校(M ± SD) t 学习动机 36.22 ± 25.67 39.7 ± 26.78 −1.63 学习期望 33.98 ± 24.76 41.14 ± 25.76 −3.41 * 健康状况 52.58 ± 25.64 57.50 ± 26.52 −2.27 * 意志力 51.65 ± 26.98 49.40 ± 27.20 1.00 学习方法 51.11 ± 25.77 44.83 ± 25.51 2.93 * 学校环境 50.52 ± 23.31 43.56 ± 23.69 3.56 * 家庭环境 58.48 ± 26.41 56.40 ± 25.28 0.96 表4. 学习适应性的校际差异比较 3.5. 学习适应性不良检出率的校际比较 学习适应性不良检出率校际比较结果见由表5。在学习期望分测验中，公办学校检出率显著高于民工子弟学校，而在学习方法与学校环境分测验中民工子弟学校检出率显著高于公办学校。 Table 5 Inter-school comparison of the detection rate of maladaptive learnin 分测验 男生(M ± SD) 女生(M ± SD) χ² 人数(理论) 比率 人数(理论) 比率 −2.709 * 学习动机 197(191) 50.13% 106(112) 46.70% 0.678 学习期望 215(197) 54.71% 98(116) 43.17% 7.66 * 健康状况 105(98) 26.72% 51(58) 22.47% 1.38 意志力 112(119) 28.50% 77(70) 33.92% 2.00 学习方法 101(115) 25.70% 81(67) 35.68% −6.92 * 学校环境 83(104) 21.12% 82(61) 36.12% −6.59 * 家庭环境 92(90) 23.41% 51(53) 22.47% 0.07 表5. 学习适应性不良检出率的校际比较
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user: 4. 讨论 4.1. 初中新生学习适应性总体分布状况 表1说明620名初中新生的学习适应性总体分布状况是处于中等水平的人数居多，适应不良水平的人数比率远高于适应良好水平的人数比率。除家庭环境外，其它6个分测验的检出率都高于全国的理论比率25%，这一研究结果与聂衍刚，郑雪，张卫(2004)发现一致。以上表明在中小学教育衔接过程中初中新生普遍出现学习适应不良现象，提示学校和教师要特别重视对这一过渡阶段学生学习适应性的培养。 4.2. 初中新生学习适应性性别差异 表2说明在学习适应性水平上男女生之间存在显著差异。除了在健康状况分测验中男生学习适应性平均分显著高于女生外，在学习动机、学习方法、学校环境和家庭环境分测验中男生学习适应性平均分显著低于女生。从表3不良检出率性别比较结果说明除意志力、健康状况分测验外，男生的检出率均高于女生，特别是学习动机分测验中男生检出率显著高于女生，但在健康状况分测验中女生适应不良检出率显著高于男生。以上说明总体上女生更能较快适应初中学习要求，男生的学习适应能力相对差于女生。因此学校及教师应特别注重男生学习适应性的培养，如有意识地激发他们的学习兴趣和学习动机，加强理想信念教育，培养他们长远的学习动机、树立学习自信心、学习毅力等。男生家庭也要注意改善家庭亲子关系，营造和睦家庭氛围。在健康状况分测验中女生的平均分显著低于男生，这可能是男生在课余时间打球和参加体育锻炼的时间比女生多，身体素质在各项体育活动中得到增强和提升。因此学校要特别注重组织各种适合女生锻炼的体育活动，培养激发女生的体育运动热情，关注女生青春期身心健康，增强女生的身体素质。 4.3. 初中新生学习适应性的校际差异及检出率比较 表4说明民工子弟学校平均分在学习期望、健康状况分测验中显著高于公办学校，原因可能是一方面民工子弟自我学习期望较高、期盼成材的愿望更加强烈，他们渴望通过更好的学习成绩改善自己的生存状况；另一方面民工子弟从小比较自立，经常跟随父母做一些力所能及的体力及家务劳动并在活动中增强了身体素质。 但民工子弟学校在学习方法和学校环境分测验中平均分显著低于公办学校，检出率也较高，可能有两面原因：第一，民工子弟家庭经济条件一般较差，父母学历层次较低，常为生活打工奔忙导致家庭方面对子女指导和支持力度不够；第二，在学校环境方面，民工子弟学校办学条件相对较差，教育经费投入不足致使学校教学环境简陋缺乏必要的教学设施，加上整体师资力量薄弱、教师待遇低流动性大，导致学校环境老师和学生很难形成亲密而稳定的关系从而影响了学生归属感和安全感；在具体学科教学过程中教师缺乏对学生学习方法系统指导。以上这两个原因造成了民工子弟学校学生在学习方法和学校环境两个分测验中检出率达到显著水平。 因此建议政府应加大对民工子弟学校的政策扶持力度，落实相关资金补助，帮助学校从物质、制度和精神三个层面优化学校教育环境，从而改善办学条件及学校人文环境，改善师生关系和同伴关系；民工子弟学校也要加强教师队伍的自身建设提高师资水平，使教师在教学中不仅注重“教”更要注重“学”，重视对学生学习方法的指导。 此外，学生自身因素当中的学习期望及自我学习意识都会引发学生的自觉学习行为，与学习适应性有关；学生的身心健康状况也是影响学习适应性的一个重要因素，所以公办学校应重视激发和培养学生的学习期望，提高学生健康状况。 总之，从学生长远发展性目标来看，学校应该充分认识学习适应性的功能，重视对初中新生学习适应性的指导与培养，探索促进初中新生学生学习适应性策略，为学生终身教育和全面发展奠定良好基础。
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user: 5. 结论 综上，总结及归纳初中新生现存的学习适应性问题如下： 1) 从总体水平来看，多数初中新生学习适应能力处于中等水平，适应良好人数的比率远低于适应不良人数的比率。 2) 初中新生在学习期望、学习动机、意志力、学习方法及学校环境五个分测验上存在学习适应不良现象。 3) 初中新生学习适应性在各分测验中存在性别差异。男生分别在学习动机、学习方法、学校环境及家庭环境等四个分测验中显著低于女生；但在健康状况分测验中显著高于女生。 4) 初中新生学习适应性的不良检出率在性别方面也存在显著差异。在健康状况分测验中女生适应性不良检出率显著高于男生，但在学习动机分测验中男生检出率显著高于女生。 5) 公办学校及民工子弟学校的初中新生都在一定程度上存在学习适应不良的现象，但在适应不良及适应不良检出率方面表现出不同维度的差异。
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user: 摘 要 从外磁场作用下铁磁材料内部磁畴结构变化尤其是材料存在缺陷时缺陷两侧磁畴以及磁畴壁的变化分析以及畴壁能量计算出发，得出当材料中存在缺陷时，由于缺陷对畴壁形成钉扎，使得缺陷两侧形成反向势垒，阻碍了畴壁运动，在缺陷边缘附近形成微磁固定结点，微磁结点内磁化方向的变化决定了缺陷区的泄漏微磁场特性，由于微磁固定结点内磁化强度的法向分量不连续，缺陷区形成泄漏微磁场，泄漏微磁场的奇异特征包含了缺陷信息，通过检测这个泄漏场信息，可以实现微磁缺陷检测。 关键词 :磁化，缺陷，磁畴，畴壁钉扎，微磁检测 Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 目前，利用铁磁材料出现缺陷时的磁性变化进行缺陷检测和识别的磁性无损检测方法在实际工程检测中应用较多 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]。这些检测都是利用了铁磁材料出现缺陷时的外在磁性变化特征进行缺陷检测的，对铁磁材料出现缺陷时的磁性变化机理还不是十分清楚，致使在实际检测中遇到一些与现有检测理论不符甚至相互矛盾的现象。如根据磁记忆检测理论，检测结果应与被检工件的放置方向有关系，但是实际检测中不论工件如何放置均有缺陷特征信号产生 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]。另外，磁记忆检测不能对应力集中和裂纹等缺陷进行有效识别，致使在缺陷检测中对缺陷的最终识别和判断存在较多的争议。微磁检测时遇到的如对工件退磁后出现的对原有缺陷误检、磁化方向的强烈改变是否引起相变等奇异现象和问题还不能从理论上进行系统解释。因此，深入研究铁磁材料损伤缺陷生成过程中的微磁形成机理成为微磁检测发展亟待解决的问题。本文通过研究分析铁磁物质出现缺陷时内部磁特征的变化，得出微磁检测外在磁特征产生的内部形成机理，为进一步提高微磁检测水平进而实现智能检测和定量检测提供理论基础。
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user: 2. 铁磁物质的磁化 物质的磁化是由外加磁场引起的。所谓磁化就是物体从不表现磁性变为具有一定的磁性，磁化过程一般由物质的磁化曲线表示 [ 8 ] [ 9 ]。磁化的实质就是把物体中原来方向凌乱的磁矩在外加磁场的作用下整齐排列起来的过程。当所有磁矩都排列得很整齐时，再加强磁场也不能增强磁化，即达到饱和了。已知铁磁性材料(铁、钴、镍等金属)以及亚铁磁性物质(各种铁氧体)在很弱的外加磁场下就可以磁化，并显示出强磁性。有些软磁物质在10 −4 T以下的磁场中就可以磁化到饱和。因此，地磁场环境下的铁磁材料应该在地磁场作用下由自发磁化对外显示磁性，但实际情况却并非如此。这是由于地磁场环境下的铁磁材料内部的磁有序状态发生了改变，其内部形成了多个磁化方向不同的磁畴区域，其总体效果是对外不显示磁性。但是当铁磁材料出现缺陷或内部材质分布不均匀时，在缺陷区域的磁畴结构将发生变化，对外显示磁性，以抵消由于缺陷存在而增加的材料表面能。
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user: 3. 缺陷材料的磁化 对铁磁材料的技术磁化过程是通过铁磁体内畴壁位移和磁化矢量转动进行的。在磁场较弱时，一般通过畴壁的移动达到系统内能最小化，但是当畴壁的移动不能抵消不断增加的外磁场能时，只能通过畴壁内磁化矢量的转动来实现系统能量的最小化，达到能量的平衡态 [ 10 ]。外加一个磁场，缺陷两侧那些在H方向上有最大M分量的磁畴体积扩大，畴壁发生位移；当磁场增加时，原磁畴内的磁化矢量方向发生转动，当原磁畴内磁化矢量方向与相近磁畴内的磁化矢量方向趋于一致时，原磁畴壁消失，相邻磁畴发生合并；当外磁场足够大时，畴壁移动和磁化矢量转动两个过程完成，畴的宽度趋于稳定，试样处于磁饱和状态。 在没有外磁场情况下，均匀材料内部的磁畴相间分布，其磁化矢量方向及强度相互抵消，对外不显示磁性，如图1(a)。随着外磁场的作用，铁磁表面磁畴内磁化矢量与外磁场相同的磁畴体积增大，反向的磁畴体积减小，在铁磁内部，相互反平行的磁畴由于磁矩相反相互抵消而没有改变。为了在表面不产生磁荷，故在块状畴的两端出现了封闭畴。当外加磁场小于封闭畴消失的临界场H I 时，反向封闭畴的畴壁发生位移，位移方向使与外磁场方向一致的磁畴体积增大，与外磁场方向相反的磁畴体积减小，如图1(b)。当外加磁场等于或大于封闭畴消失的临界场时，反向封闭畴畴壁进一步移动，直到反向封闭畴消失，如图1(c)。 图1. 外加磁场下磁畴结构变化 由于当外加一定磁化场时缺陷表面处的封闭畴消失，因此缺陷材料的磁化过程不会是平滑连续的，而是阶梯状的。这种跳跃式的位移过程称为巴克豪森跳跃。因此，铁磁材料的磁化曲线呈现阶梯状。假设一个包含10个铁磁原子的系统，其体系能量为： E = − ∑ i j J i j ( S i ⋅ S j ) − ∑ i ( H ⋅ S i ) (1) 式(1)中，S为铁磁原子的自旋角动量，J为原子间的交换积分常数，H为外磁场。去磁状态下铁磁物质对外不显磁性，所以向上和向下自旋的原子数在局部达到平衡，如图2所示。其中J F 表示同向自旋铁磁原子间的交换常数，J AF 表示异向自旋铁磁原子间的交换常数。设同向自旋铁磁原子间的交换能为1，异向自旋铁磁原子间的交换能为−1。 图2. 铁磁物质内原子自旋与能量 在不加外磁场的情况下系统能量为： E 0 = − 9 J A F × ( − 1 ) (2) 设外磁场的方向与自旋向上的铁磁原子的方向一致，当加上外磁场后，自旋向下的铁磁原子将发生“翻转”，设只有一个自旋向下的原子发生翻转，则系统能量变为： E 1 = − 2 J F × 1 − 7 J A F × ( − 1 ) − 2 H (3) 要使自旋向上翻转有效，则系统能量必须减小，即要求： E 1 − E 0 = − 2 J F − 2 J A F − 2 H < 0 (4) 即 H > − 2 J F − 2 J A F 。 从上面分析可以看出，当磁场增大到一定值使原子自旋方向发生翻转时，铁磁物质内部磁化强度发生跳跃式变化，磁化强度在缺陷边缘处的法向不连续性导致缺陷处磁场强度的奇异变化，这个奇异变化是检测缺陷的一个磁性特征。
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user: 4. 缺陷对畴壁的钉扎 缺陷对畴壁的钉轧是由于它们的磁性参数如磁导率等与基体不同造成的。考虑在铁磁材料中出现矩形缺陷的情形，在去磁状态下，在材料表面附近形成封闭畴，其净磁化强度为零，对外不显示磁性，但是其中每一个畴内的M是沿着结晶学的易磁化方向。当施加外磁场H时，在远离缺陷的均匀铁磁材料区，磁化方向与外磁场方向一致的磁畴变大，磁化方向与外磁场方向相反的磁畴变小，畴壁向磁畴变小的磁畴区位移，在缺陷附近区域，由于缺陷的存在，畴壁不能位移，形成对畴壁的钉扎，如图3所示。 图3. 缺陷对畴壁的钉扎 磁畴内的磁化矢量要转向外磁场方向，外磁场与缺陷附近磁畴内磁化强度矢量的相互作用，打破了原来去磁状态下的能量平衡，在缺陷边缘出现不能被相邻磁畴内磁化强度抵消的磁化强度，形成不可逆微磁固定结点，出现磁极，开始对外显示磁性。由于缺陷边缘封闭畴的形成，宏观上，外磁场对缺陷两侧磁畴的Zeeman能之差表示缺陷两侧的磁场感生势能之差为2M s H。而在缺陷底部，由于封闭畴内磁化方向与外磁场方向一致，所以不会在缺陷底部出现磁荷聚集。在上述系统中封闭畴与平行与外磁场的畴之间的畴壁内的磁化矢量发生旋转，由于外磁场的作用，缺陷两侧与外磁场方向不一致的磁畴区的磁化方向趋向外磁场方向，因而在缺陷的棱缘上也会出现磁极，正如仲维畅描述的在缺陷的各棱上出现磁荷聚集的现象 [ 11 ]。由于外磁场的作用，缺陷两侧与外磁场方向不一致的磁畴区的磁化方向趋向外磁场方向。
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user: 5. 畴壁钉扎下缺陷两侧磁化方向的变化 对于铁磁材料内部的畴壁，外磁场虽无扭矩作用于磁畴的磁化，但对组成畴壁的自旋尤其是封闭畴与相邻畴之间的畴壁却作用一个磁矩，使之与外磁场一致，在仅有外磁场作用下，封闭畴与相邻畴之间的畴壁发生位移或旋转时。为了研究外磁场作用下缺陷内部磁畴变化，可分析系统内部能量密度F包括交换能、各项异性能和外磁场能 [ 12 ]： F = ∫ [ A i ( d θ d x ) 2 + K i sin 2 θ − μ 0 H M i cos θ ] d x (5) 其中，磁化强度与易轴之间的夹角θ是每一项位置x的函数，第一项为交换能，第二项为磁晶各向异性能，第三项为外磁场能。根据能量极小原则，由式(5)可得材料内部磁化强度方向与外磁场之间的欧拉方程： − 2 A i d 2 θ d x 2 + 2 K i sin θ cos θ + μ 0 H M i sin θ = 0 (6) 对上式积分一次后可得： − A i ( d θ d x ) 2 + K i sin 2 θ − μ 0 H M i cos θ = C i (7) i = 1 ， 2 ， 3 分别表示图3中的区域1，2，3。C i 为积分常数，在区域1，2，3有不同的值。在1，3均匀区的边界条件为： θ ( x = − ∞ ) = 0 ， θ ( x = + ∞ ) = π ( d θ d x ) x = − ∞ = 0 ， ( d θ d x ) x = + ∞ = 0 } (8) 将式(8)带入式(7)可求得1，3区的积分常数分别为： C 1 = − μ 0 H M 1 ， C 3 = μ 0 H M 1 因此，适用于1，3区的欧拉方程分别为： − A 1 ( d θ d x ) 2 + K 1 sin 2 θ − μ 0 H M 1 cos θ + μ 0 H M 1 = 0 − A 1 ( d θ d x ) 2 + K 1 sin 2 θ − μ 0 H M 1 cos θ − μ 0 H M 1 = 0 (9) 适用于2区的欧拉方程为： − A 2 ( d θ d x ) 2 + K 2 sin 2 θ − μ 0 H M 2 cos θ = C 2 (10) 显然，1，2区的欧拉方程同时满足在x 1 处的边界条件： θ = θ 1 ；2，3区的欧拉方程同时满足在x 2 处的边界条件： θ = θ 2 ，假定在x 1 和x 2 两个交界处磁矩变化的连续条件为： A 1 d θ d x | x = x 1 = A d θ d x | x = x 1 A 1 d θ d x | x = x 2 = A 2 d θ d x | x = x 21 (11) 令 h = μ 0 H M 1 K 1 ， a = 1 − M 2 A 2 M 1 A 1 ， b = 1 − A 2 K 2 A 1 K 1 ，根据上述连续性条件，可消去2区中的积分常数C 2 ，得到： ( cos θ 1 + h a 2 b ) 2 − ( cos θ 2 + h a 2 b ) 2 = 2 h b (12) 上述不同区域的欧拉方程反映了外磁场作用下，缺陷内部磁化强度方向与易磁化轴夹角的变化，夹角的变化反映了在外磁场作用下磁畴的变化，磁畴大小的变化导致畴壁处磁化强度的变化，被钉扎畴壁处磁化场外泄，形成反映缺陷边缘的漏磁场信号，检测这个泄漏场并分析其特征变化可实现缺陷的定量分析，为提高微磁检测质量与水平提供了理论依据。为了直观理解外磁场作用下缺陷内部磁化强度方向与易磁化轴夹角的变化，假设在铁磁体内(以铁为例)的缺陷区 a = 1 ， b = 1 ， A 1 = 2.4 × 10 − 6 erg / cm ， K 1 = 4.8 × 10 5 erg / cm 3 ， M 1 = 1707 G ( 290 K ) 。则由式 h = μ 0 H M 1 K 1 可计算得h，根据式(12)，作出 θ 1 和 θ 2 随外磁场H不断增大时二者之间的变化曲线，如图4所示。 图4. 钉扎畴壁两侧磁化方向之间的关系 由θ 1 随θ 2 的变化关系可知，在一定外磁场下，铁磁体内与外磁场方向一致的磁畴体积增大，与外磁场方向反向的磁畴体积缩小，通过畴壁的移动达到系统能量的平衡，畴壁方向最终趋向与一个稳定态，即两侧的磁化强度方向不再发生变化，这时缺陷形成对畴壁的钉扎，当畴壁被钉扎后，畴壁有发生转动的倾向，即一侧的磁化强度与外磁场的夹角减小的同时，另一侧的磁化强度与外磁场的夹角有增大的趋势，畴壁两侧畴内的磁化强度与外磁场的夹角对应着多个局部稳定态。在零磁场时，存在能量最小的稳定解。对于不同的外磁场，畴壁方向的最终稳定态不同，随着外磁场的增大，稳定态的建立时间逐步变短，当外磁场增加一定程度，达到封闭畴消失的临界场，封闭畴消失，形成新的多畴和畴壁。这种变化是不可逆的，在外磁场撤去后得以保留，形成不可逆固定微磁结点 [ 13 ] [ 14 ]。但是，当外加反向磁场时，由于上述解的局部稳定性，有可能使钉扎的畴壁发生位移和转向，因而有可能使局部的稳定性消失，这就是在进行微磁检测时，对工件进行退磁后短时间内检测不到缺陷的原因。在外磁场作用下，由于缺陷对畴壁的钉扎，会同时发生畴壁位移和畴转，因此，缺陷存在时，即使外磁场较弱，铁磁材料在缺陷区域也会表现出较强的磁化特征，这也是微磁检测不需要人工磁化而得以进行缺陷检测的原因之一。
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user: 6. 结论 通过上述对于外磁场下铁磁材料内部磁畴结构变化尤其是材料存在缺陷时缺陷两侧磁畴以及磁畴壁的变化分析以及畴壁能量计算，可以看出当材料中存在缺陷时，由于缺陷对畴壁形成钉扎，使得缺陷两侧形成反向势垒，阻碍了畴壁运动，在缺陷边缘附近形成微磁固定结点，微磁结点内磁化方向的变化决定了缺陷区的泄漏微磁场特性，由于微磁固定结点内磁化强度的法向分量不连续，缺陷区形成泄漏微磁场，泄漏微磁场的奇异特征包含了缺陷信息，成为微磁缺陷检测的基础。
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user: 摘 要 采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法研究了具有不同晶体对称性(立方、斜方六面体、正交和单斜结构)的La 0.9 Sr 0.1 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3−δ (LSGM)体系的氧空位形成和迁移能。结果显示立方结构的LSGM具有最小的氧空位形成能和迁移势垒，而其他三种结构的空位形成能和迁移势垒都比较大，这意味着在四种不同晶体结构的LSGM体系中，立方结构的LSGM具有最好的氧离子电导。本文的计算结果不仅能够解释实验观察到的不同晶体对称性LSGM体系氧离子电导行为的差异，而且能够在一定程度上预言在固体氧化物燃料电池电解质的应用中最理想的晶体结构。 关键词 :固体氧化物燃料电池(SOFC)，氧空位形成能，氧空位迁移能 Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 氧离子导体在氧泵、氧传感器和固体氧化物燃料电池领域都有着广阔的应用前景，因此是目前重要的研究材料之一。目前已经广泛地认识到钙钛矿型氧化物具有高的氧离子扩散率。近年来Sr、Mg掺杂的LaGaO 3 材料由于比传统的氧离子导体氧化钇稳定氧化锆(YSZ)具有更高的氧离子电导和宽的氧分压范围内的稳定性引起了人们的广泛注意 [ 1 ] - [ 6 ]，有望成为SOFC固体电解质的理想材料之一。 作为SOFC的电解质材料，要求其氧离子电导尽可能高而电子电导尽可能低甚至可以忽略。氧离子电导主要由氧空位形成能和迁移能决定，与晶体结构有着密切的关系。然而，目前文献报道La 0.9 Sr 0.1 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3−δ 在室温下有立方相 [ 1 ] [ 2 ]、正交相 [ 3 ] [ 4 ] 和单斜相 [ 5 ] [ 6 ] 三种晶体结构。Feng [ 1 ] 和Trofimenko [ 2 ] 证实LSGM在室温下为立方结构，空间群 P m 3 ¯ m (No. 221)；Lerch et al. [ 4 ] 通过粉末中子衍射分析得出LSGM在室温下为正交结构(空间群Imma，No. 74)，而在1073K为立方结构(空间群 P m 3 ¯ m ，No. 221)的结论。Slater et al. [ 5 ] 则发现了更加复杂的结构变化，他们认为La 0.9 Sr 0.1 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3−δ 在室温下具有单斜结构(空间群I2/a，No.15)，在723 and 1273 K温度范围发生两相转变：单斜结构(假正交)-单斜结构(假斜方六面体)-斜方六面体结构(R3c)。因此，有关La 0.9 Sr 0.1 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3−δ 晶体结构的问题目前仍未解决，没有形成一致性的结论。这种晶体结构的不确定性使得有关该材料氧离子电导和晶体结构内在关系的研究也变得困难重重。 基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算是从细节上理解电子和氧空位输运机制的重要手段 [ 7 ] - [ 14 ]。人们已经针对LaGaO 3 基氧离子导体进行了许多模拟计算来研究其缺陷形成能 [ 7 ] 和氧空位迁移能 [ 8 ]，这些前期的工作成功地再现了实验观察到的趋势。本文通过密度泛函理论计算系统地研究了立方、斜方六面体、正交和单斜结构LSGM的氧空位形成能和迁移能，目的是为了阐明不同晶体结构LSGM氧离子电导的内在机制。
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user: 2. 计算方法 我们采用了基于密度泛函理论(DFT)的DMol3计算程序包。在Dmol3软件包中所提供的LDA泛函有VWN和PWC两种，所提供的GGA泛函有PW91、BP、BOPBLYP、VWN-BP、PBE、RBPE和HCTC等几种。根据其他类似钙钛矿材料的文献报道 [ 7 ] [ 9 ]，我们选用广义梯度近似(GGA)中的Perdew-Wang (PW91)泛函来描述电子交换相关能。DFT半核赝势(DSPP)是全电子计算中的局域赝势，其核内电子的效应由包含一定程度相对论效应的简单势来描述。对于Sr、Mg在LaGaO 3 中少量掺杂我们采用虚晶近似(VCA)的方法来建模，虚晶近似的方法至少在原理上能够用于研究和预言掺杂作用，并且已经证明对于钙钛矿固溶体是此种方法的研究是准确的。VCA计算是根据占有率的大小来确定赝势的贡献比例的。不同晶体结构的分数原子坐标和原子间距来源于文献报道 [ 4 ] [ 5 ]，在本章的研究中共涉及立方(C-LSGM)、斜方六面体(R-LSGM)、正交(O-LSGM)和单斜(M-LSGM)四种晶体结构。为了达到绝对能量收敛(≤ 0.5 meVatom −1 )，基于Monkhorst-Pack scheme，四种晶体结构原胞中布里渊区k点的选取分别为C-LSGM：6 × 6 × 6 (10个不可约点)，R-LSGM：4 × 4 × 4 (32 个不可约点)，O-LSGM：4 × 5 × 4 (40个不可约点)和M-LSGM：4 × 4 × 4 (32个不可约点)。每种晶体结构原胞的晶格参数和内部坐标都按照残余力residual force ≤ 0.1 eVÅ-1的收敛标准进行充分优化。 含有一个氧空位的超胞用充分优化的四种原胞模型C-LSGM、R-LSGM、O-LSGM 和M-LSGM构建，超胞大小分别为C-LSGM：2 × 2 × 4，R-LSGM、O-LSGM和M-LSGM：2 × 2 × 2，每个含有氧空位的超胞都包含79个原子。超胞能量收敛标准与原胞相同(≤ 0.5 meVatom −1 )，k点的选取分别为C-LSGM：3 × 3 × 1，O-LSGM：2 × 3 × 2，R-LSGM和M-LSGM：2 × 2 × 2，超胞的结构弛豫限制在一个以缺陷位置为中心半径为3.2 Å的球形区域。对于气态氧分子总能量的计算，O 2 分子被放置在一个与O-LSGM超胞尺寸相同的真空盒子中，k点设置为2 × 2 × 2 (4个不可约点)，同时需要考虑自旋极化。我们采用DMOL 3 程序包中的Complete LST/QST (Linear Synchronous Transit/Quadratic Synchronous Transit)方法来搜索过渡态，此方法能够以一种简单的方式显示过渡态并能够直接得到氧空位氧空位迁移势垒(E m )。
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user: 3. 计算模型及结构参数 图1(a)~(d)分别显示了立方( P m 3 ¯ m )、斜方六面体(R3c)、正交(Imma)和单斜(I2/a)结构LSGM原胞的球棍模型图。 P m 3 ¯ m 是一个完美的立方钙钛矿结构，R3c、Imma和I2/a则是由共顶角的GaO 6 八面体组成的，属于旋转扭曲的钙钛矿家族。 图1. 不同晶体对称性LSGM原胞的球棍模型(灰、白和黑色球分别代表La/Sr， Ga/Mg和O离子)：(a) C-LSGM ( P m 3 ¯ m )；(b) R-LSGM (R3c)；(c) O-LSGM (Imma)；(d) M-LSGM (I2/a) 在计算氧空位之前，不同晶体对称性的LSGM原胞都通过能量最小化方法进行优化模拟，优化后的晶格参数列在表1中，并且和对应的实验值进行了对比，计算晶格参数与实验值非常接近，说明了后面的缺陷模拟是可靠的和有效的。 Table 1 Calculated and experimental structural parameters of cubic， rhombohedral， orthorhombic and monoclinic LSG LSGM体系 晶格参数 Calc. Expt. 立方结构LSGM a = 3.9000Å a = 3.9760 Å α = b = g = 90˚ α = b = g = 90˚ 斜方六面体结构LSGM a = 5.5903 Å a = 5.5592 Å c = 13.6776 Å c = 13.4354 Å α = b = 90˚ α = b = 90˚ g = 120˚ g = 120˚ 正交结构LSGM a = 5.5085 Å a = 5.5179 Å b = 7.7973 Å b = 7.8200 Å c = 5.5756 Å c = 5.5394 Å α = b = g = 90˚ α = b = g = = 90˚ 单斜结构LSGM a = 7.8135 Å a = 7.8160 Å b = 5.5742 Å b = 5.5393 Å c = 5.5108 Å c = 5.5147 Å α = g = 90˚ α = g = 90˚ b = 90.121˚ b = 90.060˚ 表1. 立方、斜方六面体、正交和单斜四种结构LSGM计算和实验的结构参数
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user: 4. 结果及讨论 4.1. 氧空位的形成能 在Sr、Mg掺杂的LaGaO 3 (LSGM)系统中主要的输运机制是氧空位的迁移，氧空位的形成主要通过如下缺陷反应产生： 2 SrO La 2 O 3 2 S r ′ La + V o ⋅ ⋅ + 2 O o × 2 MgO Ga 2 O 3 2 M g ′ Ga + V o ⋅ ⋅ + 2 O o × 其中 V o ⋅ ⋅ 代表氧空位， O o × 代表晶格氧。电导活化能总体上包括氧空位的形成能和迁移能。 氧空位的形成能通过如下方程计算得到： E f ( V o ⋅ ⋅ ) = E V o ⋅ ⋅ + 1 2 E O 2 − E perfect 其中 E V o ⋅ ⋅ 表示每个包含一个氧空位的超胞总能量计算值， 1 2 E O 2 表示氧气分子中一个氧原子能量计算值， E perfect 则对应于相同超胞的完美晶体总能量计算值。 图2显示了计算得到立方、斜方六面体、正交和单斜四种结构LSGM中一个氧空位的形成能，在立方和斜方六面体结构LSGM中氧空位的位置仅有一种情况，因为所有的氧原子位置是等价的，而在正交和单斜结构LSGM中由于存在两种不等价的氧原子位置(O 1 和O 2 位)，因此对应有两个氧空位形成能，其中O 2 位的形成能高于O 1 位，但是差别很小，仅有0.06~0.07 eV。图2显示立方结构LSGM的氧空位形成能为3.96 eV，远远小于斜方六面体、正交和单斜结构，后三种结构LSGM的氧空位形成能大约为5.50 eV，这意味着立方结构LSGM中的氧离子或许更容易被激发解离出来参与输运过程。 图2. 计算不同晶体结构LSGM的氧空位形成能(E f )，其中氧原子能量(1/2)E O 2 从氧气分子计算得到。C-O和R-O对应于立方和斜方六面体结构中氧空位，O-O 1 ， O-O 2 ， M-O 1 和M-O 2 则对应于正交和单斜结构中O 1 或O 2 位的氧空位 4.2. 氧空位的迁移能 对于立方和斜方六面体结构LSGM来讲，仅需要考虑一种空位迁移路径，而对于正交和单斜结构则需要考虑O 1 -O 2 和O 2 -O 2 两种空位迁移路径。在正交和单斜结构中由于两个最近邻的O 1 位距离太远(超过3.9 Å)，因此两个O 1 位之间的迁移是不可能出现的 [ 10 ]，这里勿需考虑。 我们使用DMOL 3 程序包中的complete LST/QST方法来搜索过渡态(TS)，首先使用同步线性转变最大化[linear synchronous transit (LST)]， 再沿着能量反应路径共轭的方向使用能量最小化的方法，然后对近似的过渡态再使用二次同步转变[quadratic synchronous transit (QST)]最大化。在此基础上另外一种方法——共轭梯度最小化被采用，此循环周而复始直到找到静态点，就这样搜索到过渡态并直接得到氧空位迁移的能量势垒。 图3. 四种结构中沿着不同迁移路径的氧空位迁移能(E m )，C-O-O和R-O-O分别对应于立方和斜方六面体结构LSGM中两个近邻氧位之间的空位迁移能，O-O 1 -O 2 、O-O 2 -O 2 、M-O 1 -O 2 和M-O 2 -O 2 分别对应于正交和单斜结构LSGM中O 1 和O 2 位之间及两个近邻O 2 位之间的空位迁移能 对于立方和斜方六面体结构LSGM来说，氧离子在两个等价的氧空位之间发生迁移，对于正交和单斜结构LSGM来说，氧离子可以在两个近邻的O 2 位或者O 1 和O 2 位之间发生迁移。图3显示了计算得到四种结构中沿着每个迁移路径氧空位的迁移能。从图中可以清楚地看出立方结构LSGM的氧空位迁移能要远低于其他三种结构，迁移能按如下顺序增加 E m C ≪ E m R < E m O < E m M ( E m O 和 E m M 为沿着O 1 -O 2 和O 2 -O 2 两种迁移路径的平均值)。不同结构的空位迁移能出现一个明显的趋势：晶格越扭曲(对称性越低)，迁移能就越大，这与文献报道其他钙钛矿材料的结论一致 [ 8 ] [ 11 ]。同时在正交和单斜结构LSGM中两个近邻O 2 位之间的空位迁移能要明显低于O 1 和O 2 位之间的迁移能，这表明在低温区氧空位的迁移在两个近邻O 2 位之间要比O 1 和O 2 位之间更容易发生，也有可能仅有前一种迁移路径发生迁移。 根据以上计算结果，立方结构LSGM中空位形成能和迁移能都远远小于其他三种结构，因此可以推测立方结构LSGM在四种结构中具有最高的氧离子电导。氧离子电导按如下顺序增加 σ M ≤ σ O ≤ σ R ≪ σ C ，也就是说出现一个明显的趋势：晶格越接近完美立方对称，电导率越高。
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user: 5. 结论 我们采用密度泛函理论研究了立方、斜方六面体、正交和单斜四种结构La 0.9 Sr 0.1 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3−δ 电解质的氧空位形成能和迁移能。总结如下： 1) 空位形成能和迁移能：计算结果显示立方结构LSGM与斜方六面体、正交和单斜结构相比，具有最小的空位形成能和迁移能，而另外三种结构的空位形成能和迁移能相似且都比较大。 2) 空位迁移能的变化规律：计算的平均空位迁移能按如下顺序增加： E m C ≪ E m R < E m O < E m M ，呈现一个明显的变化趋势：晶格越扭曲(对称性越低)，迁移能越高。在正交和单斜结构的LSGM中，两个近邻O 2 位之间的迁移能要明显低于O 1 和O 2 位之间的迁移能，这表明在正交和单斜结构的LSGM中与O 1 -O 2 路径相比，被解离后的氧空位更容易沿O 2 -O 2 路径发生迁移。 3) 最佳晶体结构：与其他三种结构相比，立方结构的LSGM具有最低的空位形成能和迁移能，因此在四种结构中立方结构LSGM具有最好的氧离子电导。氧离子电导随对称性的变化趋势为：晶格越接近完美立方对称，氧离子电导就越高。 我们计算并比较了立方、斜方六面体、正交和单斜四种结构La 0.9 Sr 0.1 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3−δ 电解质的氧空位形成能和迁移能，探讨了氧离子电导随对称性的变化趋势：晶格越接近完美立方对称(对称性越高)，氧离子电导就越高，此趋势与文献报道其他钙钛矿材料一致，并且预言了立方结构LSGM在四种结构中具有最好的氧离子电导。
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user: 摘 要 本文针对南京某粮食烘干中心的热源改造工程，对燃煤热风炉、空气源热泵和燃气热风炉三种烘干热源的节能性、经济性和环保性进行综合分析，以寻求最佳的替代热源。结果表明：空气源热泵不仅运行能耗最小，与燃煤热风炉相比，仅为当量标煤的23.6%、等价标煤的69%，并且单位稻谷的烘干成本最小，为0.0405元/kg，投资回收期仅为251天；当其运行所耗电能来源于清洁能源发电时，空气源热泵的环保效益最佳。对于该项目而言，空气源热泵作为热源替代，综合效益最佳。 关键词 :空气源热泵，烘干热源，燃气热风炉，经济性，环保性 Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 粮食是人类赖以生存与发展的重要物质基础，而粮食干燥是提高粮食产量、保障粮食品质、实现粮食安全储藏的重要环节。目前全球性粮食因干燥和储藏不当造成的损失高达5%~10% [ 1 ]，如何减少收获后的粮食损失，实现粮食高效、安全、经济的干燥对粮食安全意义重大。目前的谷物烘干以燃煤热风炉为主，因其出风温度较高、烘干速度快，单位谷物烘干成本较低，但其尾气排放产生严重的环境污染问题 [ 1 ]。为实现环境质量显著改善，主要污染物排放总量大幅减少，江苏省于2018年底实施“两减六治三提升”行动，减少煤炭消费总量。因此，燃煤热风炉的应用越来越受到限制，寻找合适的烘干热源替代成为烘干行业的首要任务 [ 2 ]。而热泵技术以其独特的干燥原理、高效的能源利用率及环保等优点逐渐应用于干燥领域，其应用前景广阔 [ 3 ] - [ 8 ]。燃气热风炉因其使用天然气这一清洁能源，环保性能较佳，目前备受烘干市场青睐。 本文选取南京某粮食烘干中心的烘干热源改造工程为研究对象，该中心现有4台30吨和2台15吨的粮食烘干机，未改造前，采用3台65万大卡和1台50万大卡燃煤热风锅炉作为烘干热源。拟选用10台42匹的空气源热泵热风机组或4台60万大卡的燃气热风炉作为替代烘干热源，在保证稻谷相同烘干效果的情况下，现将燃煤热风炉、空气源热泵和燃气热风炉这三种烘干热源进行节能性、经济性和环保性比较，以探寻最佳的烘干热源替代。
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user: 2. 节能性分析 不同能源的计量方式不一样，因此将空气源热泵消耗的电能和燃气热风炉消耗的天然气转换成等价标煤，对三种热源方式的运行能耗进行比较，研究这三种热源方式的节能效益。根据文献 [ 9 ] 取空气源热泵所消耗的电能折标煤系数，其中当量折标系数为燃料的理论发热量与标准煤的发热量之比，等价折标系数是指二次能源的等价热量与标准热量之比 [ 10 ]。三种烘干热源的能源热值与设备热效率根据文献 [ 11 ] [ 12 ] 选取，具体取值如表1所示。 Table 1 Energy calorific value and equipment thermal efficienc 热源方式 能源种类 理论热值 热效率 实际热值 当量折标系数 等价折标系数 燃煤热风炉 煤 29.3 MJ/kg 0.73 21.39 MJ/kg 1 kg.ce/kg 1 kg.ce/kg 空气源热泵 电 3.6 MJ/kWh 3.1 11.16 MJ/kWh 0.1229 kg.ce/kWh 0.36 kg.ce/kWh 燃气热风炉 天然气 35.6 MJ/Nm3 0.9 32.04 MJ/Nm 3 1.2143 kg.ce/Nm 3 1.2143 kg.ce/Nm 3 表1. 能源热值与设备热效率 如前所述，烘干150吨稻谷一天所需制热量为3.01 × 107 kcal，根据表1所示数据对采用三种热源方式的烘干系统能耗进行计算，得到各热源方式的能耗如表2所示。 Table 2 Operating energy consumption of the three heat source method 热源方式 能源种类 运行能耗 当量标煤(ce) 等价标煤(ce) 燃煤热风炉 煤 5890.603 kg 5890.603 5890.603 空气源热泵 电 11290.32 kWh 1387.581 4064.516 燃气热风炉 天然气 3292.584 Nm 3 4775.337 4775.337 表2. 三种热源方式的运行能耗 由表2可知，在保证稻谷相同烘干效果的情况下，三种热源方式的运行能耗折合成当量标煤和等价标煤计算，空气源热泵的运行能耗最小，与燃煤热风炉相比，仅为其当量标煤的23.6%、等价标煤的69%，而燃气热风炉的运行能耗占燃煤热风炉所消耗的当量标煤的81%，说明空气源热泵的节能效果较为显著。
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user: 3. 经济性分析 烘干热源的经济性是选择烘干热源的重要因素之一，因此，本文分别从初投资、单位稻谷的烘干成本和投资回收期三个方面对这三种热源方式的经济性能进行比较。 1) 初投资 本项目为热源改造项目，原有烘干热源为燃煤热风炉，因此，本文的初投资仅考虑空气源热泵和燃气热风炉这两种热源设备的初投资，如表3所示。 Table 3 Initial investment of two heat source equipmen 热源方式 型号 数量(台) 单价(万元) 总价(万元) 空气源热泵 HZHG140 10 10 100 燃气热风炉 RLY-60 4 3 12 表3. 两种热源设备的初投资 由表3可知，与燃气热风炉相比，空气源热泵的初投资较高。 2) 单位稻谷烘干成本 单位稻谷的烘干成本计算公式 [ 13 ] 为： P = W × t 电 + S × t 能 + P 人 G (1) 式中：P——单位稻谷的烘干成本，元/kg； W——干燥系统总能耗，kWh； t 电 ——电价，元/kWh； S——干燥系统其他能源总能耗，t； t 能 ——其他能源价格，元/t； G——烘干塔处理量，t； P 人 ——人工费，元。 烘干系统所耗能源的单价按照南京地区2019年商用能源价格计算，其中电价享受农业补贴，为0.45元/kWh。空气源热泵干燥与燃气热风炉可实现全自动运行，无需人员看守，而燃煤热风炉则需要司炉工进行看守。因此，采用燃煤热风炉作为烘干热源需要在干燥成本中计算人工费，该项目未改造前需12人两班倒，本文人工费按3000元/天计算；而改造后留4人两班倒。在保证稻谷相同烘干效果的情况下，三种热源方式的干燥成本计算结果见表4。 Table 4 The drying costs per unit of rice for the three heat source 热源方式 燃煤热风炉 空气源热泵 燃气热风炉 总制热量kW 34，960.5 kW 34，960.5 kW 34，960.5 kW 单位成本 煤价 1200元/t 电价 0.45元/kWh 燃气价 2.8元/Nm 3 消耗量 用煤量 5890.603 kg 用电量 11，290.32 kWh 用气量 3292.584 Nm 3 人工费 3000元 1000元 1000元 运行费用 10068.72元 6080.64元 12，011.23元 单位烘干成本 0.0671元/kg 0.0405元/kg 0.0801元/kg 表4. 三种热源方式单位稻谷的烘干成本 由表4可知，稻谷的单位烘干成本分别为：燃煤热风炉0.0671元/kg，空气源热泵0.0405元/kg，燃气热风炉0.0801元/kg。显然，空气源热泵烘干的单位成本最低，其次为燃煤热风炉，而燃气热风炉的单位稻谷烘干成本最高，约为空气源热泵的2倍。因此，采用空气源热泵替代燃煤热风炉作为烘干热源，一天可节约烘干成本约4000元，与其他烘干热源相比，具有较好的经济效益。 3) 投资回收期 投资回收期是评价工程经济性的参数之一，因此，本文对三种热源方式的投资回收期进行比较，寻找经济效益最佳的烘干热源替代。投资回收期的计算公式 [ 14 ] 如下： ∑ t = 0 P t C I t − C O = 0 (2) 式中： P t ——投资回收期，天； t——时间，天； CI——日节省费用，元； CO——初投资，元。 因粮食烘干系统是季节性运行，在夏热冬冷地区一般分为稻季和麦季，本文假设一年中稻季和麦季合计共180天，而该粮食烘干中心日烘干产量为150 t。由表3、表4以及公式(2)计算可知，燃气热风炉的初投资虽然比空气源热泵较低，但是其单位烘干成本高于原有燃煤热风炉，约为空气源热泵的2倍。而空气源热泵虽然初投资较高，但是其单位烘干成本较低，仅为0.0405元/kg，投资回收期仅为251天，经济效益可观。
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user: 4. 环保性分析 本文从污染物的排放量来分析比较三种热源方式的环保性。空气源热泵仅消耗电能，对环境友好，在此假设电能来源于燃煤发电，将其转换成燃煤发电过程中产生的污染物排放。各消耗单位能源产生的污染物排放量 [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] 如表5所示。 Table 5 Emissions of pollutants consuming unit energ 热源方式 能源种类 烟尘(kg) SO 2 (kg) NOx (kg) CO (kg) CO 2 (kg) 燃煤热风炉 原煤(t) 7.5 16.72 3.62 22.7 2334 空气源热泵 燃煤发电(104 kWh) 33.5 80.3 69 0.72 10523 燃气热风炉 天然气(104 Nm 3 ) 3.02 6.30 18.43 0.063 20180 表5. 消耗单位能源的污染物排放量 根据表2所示的运行能耗结合如表5所示的单位能耗的污染物排放量计算可得烘干150t稻谷各热源方式产生的污染物排放量，如表6所示。 Table 6 Emissions of pollutants by heat sourc 热源方式 能源种类 烟尘(kg) SO 2 (kg) NOx (kg) CO (kg) CO 2 (kg) 燃煤热风炉 原煤 44.18 98.49 21.32 133.72 13748.67 空气源热泵 燃煤发电 37.82 90.66 77.90 0.81 11880.81 燃气热风炉 天然气 1.19 2.48 7.25 0.02 7935.96 表6. 各热源方式的污染物排放量 综上所述，燃气热风炉的总污染物排放量最小，环保效益最佳。此外，燃气热风炉的初投资最低。但燃气热风炉所用的天然气为一次能源，且其单位稻谷烘干成本最高，约为空气源热泵的2倍。同时使用燃气热风炉附近需有天然气管道，目前大部分粮食烘干中心的地理位置不具备条件。而空气源热泵虽然总污染物排放量大于燃气热风炉，初投资较高，但是其对粮食烘干中心周围无直接环境污染。若其电能来源于清洁能源发电而非燃煤发电时，换算成一次能源后空气源热泵的总污染物排放量大大地降低，并且空气源热泵技术属于可再生能源。综合分析三种热源的节能、经济及环保效益，对于南京某烘干中心的热源改造工程，空气源热泵作为燃煤热风炉的替代，综合效益最佳。
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user: 5. 结语 本文以南京某粮食烘干中心的热源改造工程为研究对象，对燃煤热风炉、空气源热泵和燃气热风炉三种烘干热源的节能性、经济性和环保性进行分析，得出以下结论： 1) 空气源热泵的运行能耗最小，与燃煤热风炉相比，仅为当量标煤的23.6%、等价标煤的69%，而燃气热风炉的运行能耗为燃煤热风炉消耗的当量标煤的81%，空气源热泵的节能效果较为显著。 2) 虽然空气源热泵的初投资较高，但其单位烘干成本最低，仅为0.0405元/kg，投资回收期仅为251天，经济效益可观；而燃气热风炉虽然初投资较低，但其单位烘干成本最高，不仅高于原有燃煤热风炉烘干，而且约为空气源热泵的2倍。 3) 燃气热风炉的总污染物排放量最小，环保效益最佳。但燃气热风炉所用的天然气为一次能源，并且使用燃气热风炉需附近有天然气管道，目前大部分粮食烘干中心的地理位置不具备条件。而空气源热泵虽然总污染物排放量大于燃气热风炉，但是其对粮食烘干中心周围无直接环境污染。若其电能来源于清洁能源发电而非燃煤发电时，换算成一次能源后空气源热泵的总污染物排放量大大地降低，并且空气源热泵技术属于可再生能源。
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user: 摘 要 目标跟踪物在运动过程不断移动以及在运动过程中被遮挡的问题一直是研究的一个焦点和重点问题。本文通过阐述Mean Shift算法原理，研究了Mean Shift算法对目标物的快速跟踪过程。并通过两组实验分别对运动目标物及在遮挡条件下运动目标物进行跟踪。第一组实验中，选取移动的物体篮球为目标物，并通过Mean Shift算法，不断迭代跟踪新的篮球位置，实现对篮球的跟踪。第二个实验中，选取移动的人为目标物，目标物在移动过程中被其他人遮挡，通过将颜色灰度特征应用到Mean Shift算法中，减少了其他物体对目标物跟踪的干扰，从而实现不断跟踪新目标。实验结果证明，Mean Shift算法能够快速、有效地实现目标跟踪。 关键词 :目标跟踪，目标遮挡，Mean Shift算法 Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 目标跟踪在计算机视觉领域有着非常重要的应用 [ 1 ]。对于目标物的跟踪，如果单纯靠人眼识别观察，不仅耗费大量时间，而且可能会出现差错。视频目标跟踪，就是确定视频序列中每幅图像运动目标的位置 [ 2 ]。随着科学技术的发展，视频目标跟踪技术已经被广泛应用于智能视频监控 [ 3 ]、现代化军事 [ 4 ]、航空航天 [ 5 ]、智能交通系统 [ 6 ]、人机交互 [ 7 ] 以及工业生产、检测诊断等众多领域 [ 8 ]。 在进行目标跟踪时，目标速度过快，跟踪的实时性问题是跟踪技术的难点 [ 9 ]，运动跟踪算法的优劣极大影响跟踪结果的好坏。Mean Shift算法是一种基于迭代收敛到概率密度的局部极大的非参数估计算法，减少了跟踪算法的计算量 [ 10 ]，具有实时性好，对目标的旋转、变形、以及边缘状态遮挡不敏感的优点 [ 11 ]。 而在复杂的运动环境下，物体被遮挡等其他因素干扰对目标的区分与跟踪就显得困难 [ 12 ]。通过KCF算法可将灰度特征换成多通道的彩色特征，即可实现在跟踪过程中利用颜色特征，实现对目标物运动甚至遮挡条件下的跟踪。 本文通过对Mean Shift算法的研究，将算法应用到目标跟踪技术中。通过两组实验，分别对运动物体以及运动物体在遮挡条件下进行目标跟踪。