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激光在粉塵檢測領(lǐng)域的進展和應(yīng)用
閱讀：1175 發(fā)布時間：2021-7-26
隨著社會的進步，科學的發(fā)展，大批工廠拔地而起，隨之而來的是對環(huán)境的嚴重污染，對人體造成了極大的危害，同時我們的環(huán)境也岌岌可危，粉塵作為主要的污染物，尤其日益被關(guān)注的PM2.5，嚴重的影響了我們的生活質(zhì)量。因此，國家相關(guān)部門加強監(jiān)管，加大投資研究檢測粉塵的設(shè)備已經(jīng)刻不容緩。PM10是直徑小于10μm的顆粒物，低于2.5μm的顆粒物被稱為PM2.5，并且PM2.5顆粒物來源眾多、質(zhì)量輕，難以處理。由于尺寸小，鼻腔對其的阻擋不是很有效，會直接吸入體內(nèi)，對人體產(chǎn)生重大的危害。此外，霧霾中含有大量化學物質(zhì)，PM2.5由于其較小的尺寸，甚至可以直接沉積于肺部，可導致急性呼吸道感染、支氣管炎、哮喘等心血管疾病。霧霾中還含有大量的灰塵、硫酸、硝酸等物質(zhì)，會附著在眼睛粘膜系統(tǒng)，導致眼睛不適。
傳統(tǒng)的粉塵檢測主要依靠取樣法，包括過濾稱重法、β射線法以及壓電振動法，這些方法直接、方便，但是要求待測顆粒物粉塵必須具有代表性，否則結(jié)果不具備參考價值，導致實用性不強?；静僮髁鞒膛c原理是，在待測顆粒物區(qū)域內(nèi)，采集一部分具有代表性的待測氣體，通過一定的方法測得采集物的質(zhì)量、體積等參數(shù)后，進一步計算得到濃度值，還可以通過某些材料與待測粉塵發(fā)生化學反應(yīng)，通過檢測材料的變化間接得到粉塵的濃度。
粉塵檢測技術(shù)的研究進展
英國最早進行了工業(yè)革命，隨后遇到了環(huán)境污染的問題，環(huán)境與生態(tài)矛盾的日益激化，也促使當時政府在范圍內(nèi)最早進行粉塵檢測技術(shù)的研究與開發(fā)，很多工人出現(xiàn)了塵肺病，50年代末期，采集粉塵器被英國科學家研制成功，可以分離呼吸性粉塵和非呼吸性粉塵(以7.07μm為分界）。
該技術(shù)以及檢測器迅速傳入眾多西方國家，70年代初，美國科學家制定了粉塵檢測的標準，各國也逐漸加大對粉塵檢測的研究，代表性的有日本的柴田公司生產(chǎn)的LV-5E、LD-1E型紅外光散射相對濃度檢測儀。德國也迎頭趕上，代表性的有FW-561、FW-200、RM-210、0MD-41等*設(shè)備。日本等各國政府也加大了對粉塵檢測的研究。
我國在這方面的研究起步較晚，直到20世紀80年代末期，我國的粉塵檢測才取得飛躍式的進步，并且研制出大量的粉塵檢測設(shè)備。AFQ-20A、DCH-1是當時比較有名的設(shè)備。隨著激光器制造技術(shù)的飛速發(fā)展，人們越來越認識到激光在現(xiàn)代粉塵檢測中的重要性。相比傳統(tǒng)的取樣法進行檢測，目前比較成熟的設(shè)備主要是基于光散射、β射線、光吸收法等原理研制完成。如今的非取樣法精度更高、使用更方便，可以實現(xiàn)在線連續(xù)不間斷檢測，無論檢測精度還是廣度，都有了很高的飛躍。國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的專家都做了大量的研究工作。
基于光散射法的粉塵檢測
基于光散射測量粉塵的方法應(yīng)用廣泛，使用方便。激光器發(fā)出激光束，經(jīng)過聚焦后照射到待測區(qū)顆粒會散射入射的激光束，在90°采光角方向放置一塊旋轉(zhuǎn)球面反射鏡收集顆粒物反射的散射光線，在利用光電探測器將球面反射鏡反射的散射光轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過放大濾波電路處理后，傳輸至ARM單片機處理器，經(jīng)過算法處理，即可得到粉塵顆粒物濃度值，數(shù)據(jù)顯示在本地液晶。
隨著這幾年的發(fā)展，核心處理器的制造工藝大幅度發(fā)展，光的衍射參數(shù)主要取決于ρ，當ρ≤1時，瑞利定律成立，當ρ≥1時，光波長與散射強度沒有直接關(guān)系，散射光強于激光束照射的面積呈正比。
相比以前基于傳統(tǒng)光源的光散射法，具有誤差較大、不穩(wěn)定、對檢測條件有限度要求等缺點，基于激光散射法設(shè)計出來的粉塵檢測系統(tǒng)，具有精度高、穩(wěn)定性強、有效檢測時間長等優(yōu)點。在煤礦安全檢測、環(huán)境污染檢測、工業(yè)現(xiàn)場條件下檢測都有著重要的應(yīng)用。隨著ARM家族的更新?lián)Q代，強大的ARM處理器能為檢測系統(tǒng)提供穩(wěn)定的保證。而隨著環(huán)境污染問題的日益加劇，人們?nèi)找骊P(guān)注身心健康，大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展可以使得監(jiān)控的數(shù)據(jù)隨時上傳至云端，形成規(guī)模型數(shù)據(jù)與云端曲線，方便統(tǒng)計與研究。
基于激光差分探測的粉塵探測
基于差分探測的粉塵檢測系統(tǒng)由激光發(fā)射系統(tǒng)、激光接收系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、濾波系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)中還包括偏振分束器、差分光電探測器、反射鏡等設(shè)備。
激光器發(fā)射出激光后，偏振方向被λ/2調(diào)整，偏振光入射到偏振分束器，可以得到兩束*相同的激光束，一束激光作為參考光，經(jīng)過衰減器，照射到差分探測器的一個光電二極管上，另一束激光照射過待測氣體區(qū)域，照射到另一個光電二極管上。激光束照射粉塵會發(fā)生衰減，差分探測器會輸出相應(yīng)的電流信號，經(jīng)過放大、采樣和后續(xù)處理芯片，可以得到粉塵的觀測濃度。
要獲得污染物顆粒的質(zhì)量濃度，則需要測量出激光束穿過顆粒物之后的透射光強。這項技術(shù)利用激光穿過懸浮顆粒物會發(fā)生衰減的原理，如圖2所示，從而獲取了待測顆粒物的光強衰減和質(zhì)量濃度之間的關(guān)系，激光光源頻率與響應(yīng)度的關(guān)系，激光器波長與探測器響應(yīng)度的關(guān)系，通過這些關(guān)系，可以計算出待測污染物的濃度。隨著半導體器件以及激光器的飛速發(fā)展，這項技術(shù)也越來越受到重視，精度、穩(wěn)定性、可靠性都有著飛速的提高，應(yīng)用前景也很廣泛，同樣可以通過通訊模塊連接入物聯(lián)網(wǎng)、智慧家園、云端等設(shè)備，便于數(shù)據(jù)的處理與分析應(yīng)用。
基于激光消光法的粉塵濃度檢測技術(shù)
激光消光法又稱為全散射法或濁度法，也屬于光散射測量方法之一。激光消光法主要測量顆粒流動特性和相關(guān)參數(shù)，屬于非接觸測量方法，基本原理可以理解為一束激光通過待測粉塵區(qū)，激光束受到粉塵的影響，光強值發(fā)生衰減，顆粒濃度值與光強衰減相關(guān)，通過一定分析計算可以得到粉塵濃度值。
激光消光法，是建立在以單色激光作為光源，通過測量消光值計算出介質(zhì)中顆粒的濃度，數(shù)據(jù)采集簡單，實驗設(shè)施搭建方便，簡單易行，可以直接獲得連續(xù)的測量值，進一步發(fā)展，換取不同的單色激光器，增加激光強度，可以擴大探測范圍，通過實驗參數(shù)的標定，該探測手段可以用于不同顆粒種類的探測。
基于以上原理，可以研制一套融合CMOS采集和光纖成像的灰塵濃度在線監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括電源模塊、發(fā)射光路模塊、透射光采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及粉塵模擬模塊。發(fā)射光路系統(tǒng)由YAG激光器、濾波器、分束鏡、準直透鏡組成，實現(xiàn)激光的精準發(fā)射和系統(tǒng)的較好融合，提高系統(tǒng)整體穩(wěn)定度，采集端收集的信號上傳至MFC架構(gòu)搭建的上位機進行顯示和處理。最后設(shè)計粉塵生成裝置，評估整體搭建的系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及精度。根據(jù)CMOS相機的像素位深和激光器的輸出功率，設(shè)定最佳曝光時間，上位機評估系統(tǒng)隨機誤差產(chǎn)生的因素，通過粉塵濃度測量結(jié)果進行對比分析，通過粉塵濃度測量結(jié)果與取樣法得到的結(jié)果進行對比分析，系統(tǒng)的零點漂移范圍是-10～+10g/m3，在較低濃度范圍內(nèi)，根據(jù)實驗結(jié)果觀察，在線監(jiān)測效果較差，反之在中高濃度范圍內(nèi)，系統(tǒng)精度高，且可靠穩(wěn)定，可以實現(xiàn)在線連續(xù)檢測，檢測結(jié)果有一定的參考價值。
基于主動激光雷達的遙感探測技術(shù)
常規(guī)的粉塵探測技術(shù)有紅外線方法(VIR)、熱紅外方法(TIR)、微波極化指數(shù)方法(MPI)等，但是隨著環(huán)境污染的加劇以及科技的發(fā)展，主動激光雷達遙感探測技術(shù)進入了技術(shù)人員的研究計劃，但是經(jīng)過大量實驗的實踐，激光雷達探測存在一定的弊端，雖然可以提供高精度的塵埃氣溶膠的垂直剖面，從衛(wèi)星提供的數(shù)據(jù)上，稠密的灰塵和薄的云層數(shù)據(jù)看起來是一樣的，尤其在不容易區(qū)分的區(qū)域，激光衛(wèi)星不能很好的區(qū)分它們，為了更好的解決這個問題，結(jié)合紅外手段的激光雷達引起了研究人員的注意，利用了熱紅外的優(yōu)勢(區(qū)分冰晶云和稠密的灰塵層)，和激光雷達的優(yōu)勢，來探測薄的灰塵層和水云層。這種新技術(shù)(CLIM)結(jié)果表明，塵埃被誤區(qū)分的概率大幅度降低，并且這種整合的系統(tǒng)比單一的傳感器穩(wěn)定并且精度高。
基于激光雷達和紅外探測技術(shù)的探測方法可以被分為兩個部分，選擇迭代邊界和場景分類算法，選擇迭代邊界使用動態(tài)門限方案進行探測，場景分類算法主要基于一個雙波長的激光雷達?；诩す夂图t外探測技術(shù)的粉塵檢測系統(tǒng)，可以得到高精度的云和氣溶膠的垂直剖面，并且可以提供豐富的關(guān)于沙塵氣溶膠的相關(guān)信息，主動激光雷達系統(tǒng)使用來自衛(wèi)星的數(shù)據(jù)架構(gòu)出一個衰減及后向散射的三維圖形信息，分層積分顏色對比和中間層海拔高度。隨著技術(shù)的發(fā)展，當前是五維架構(gòu)，增加了體積退偏比以及中間層的溫度。CLIM結(jié)合了主動激光雷達和IIR措施來檢測粉塵，檢測失誤率大幅度降低，因此，一個集成多傳感器的粉塵檢測系統(tǒng)概念被提出，系統(tǒng)包括從衛(wèi)星、航天局采集的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)結(jié)合了每一個傳感器的優(yōu)點，克服了單一傳感器的缺點，系統(tǒng)集成了可視化、微波、主動激光雷達探測。粉塵遙感探測技術(shù)原理。
基于MODIS的檢測技術(shù)
MODIS檢測技術(shù)主要從大量的訓練數(shù)據(jù)中統(tǒng)計出了幾種主要的場景類型，如灰塵、云層、植被表面和非植被表面的光譜曲線。根據(jù)光譜分析，該算法根據(jù)亮度將場景劃分為亮面和暗面，進而進行粉塵檢測。訓練數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析是本研究所使用的主要方法，以達到所需的光譜特征的灰塵。雖然統(tǒng)計分析提供了合理的結(jié)果，但其準確性取決于訓練數(shù)據(jù)的數(shù)量。目前，地表僅被劃分為黑暗和明亮的表面以監(jiān)測沙塵暴，因此更嚴格的地物分類和特定地點闊值可以顯著提高算法的精確度。
激光粉塵檢測拓展系統(tǒng)
近些年來通訊技術(shù)的突飛猛進，粉塵檢測系統(tǒng)也由單一的系統(tǒng)演化為集合了檢測、運算、顯示、遠程傳輸、監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)。使用者可以遠程獲取遠程情況，更加全身心的投入到工作。工業(yè)上也可以使用類似設(shè)備，檢測設(shè)備組網(wǎng)，通過處理器將數(shù)據(jù)上傳至云端，建立廠房粉塵檢測濃度分析數(shù)據(jù)庫，形成分析曲線以及測評報告，計算出生產(chǎn)安全指數(shù)，防患于未然。
激光粉塵檢測的應(yīng)用及展望
總之，環(huán)境污染日益嚴重，霧霾粉塵導致的危害應(yīng)該引起重視，粉塵等污染物的檢測應(yīng)該受到重視，檢測設(shè)備發(fā)展迅速，由單機檢測到多機并聯(lián)組網(wǎng)檢測，數(shù)據(jù)分享與合并，通過*數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備組建監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，讓人們的生活更加便捷，體驗到科技對生活的改變，通過大數(shù)據(jù)，云計算、云存儲等技術(shù)將實時記錄的數(shù)據(jù)傳輸至云端，生成相應(yīng)的粉塵檢測曲線以及環(huán)境評估報告，供工廠以及使用者評估環(huán)境情況，做出生產(chǎn)調(diào)整，確保風險，保證生產(chǎn)工人的身體健康。
激光技術(shù)也在飛速發(fā)展，激光越來越廣泛地應(yīng)用在各個領(lǐng)域，隨著環(huán)境污染的加劇，激光粉塵檢測越來越有用武之地，憑借著快速、連續(xù)、高效、精準等特點，激光粉塵檢測將發(fā)揮越來越大的作用。