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激光在粉塵檢測領域的進展和應用
閱讀：1219 發布時間：2021-7-26
隨著社會的進步，科學的發展，大批工廠拔地而起，隨之而來的是對環境的嚴重污染，對人體造成了極大的危害，同時我們的環境也岌岌可危，粉塵作為主要的污染物，尤其日益被關注的PM2.5，嚴重的影響了我們的生活質量。因此，國家相關部門加強監管，加大投資研究檢測粉塵的設備已經刻不容緩。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，對人體產生重大的危害。此外，霧霾中含有大量化學物質，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，會附著在眼睛粘膜系統，導致眼睛不適。
傳統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，否則結果不具備參考價值，導致實用性不強。基本操作流程與原理是，在待測顆粒物區域內，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量、體積等參數后，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生化學反應，通過檢測材料的變化間接得到粉塵的濃度。
粉塵檢測技術的研究進展
英國最早進行了工業革命，隨后遇到了環境污染的問題，環境與生態矛盾的日益激化，也促使當時政府在范圍內最早進行粉塵檢測技術的研究與開發，很多工人出現了塵肺病，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備。AFQ-20A、DCH-1是當時比較有名的設備。隨著激光器制造技術的飛速發展，人們越來越認識到激光在現代粉塵檢測中的重要性。相比傳統的取樣法進行檢測，目前比較成熟的設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，可以實現在線連續不間斷檢測，無論檢測精度還是廣度，都有了很高的飛躍。國內外相關領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用廣泛，使用方便。激光器發出激光束，經過聚焦后照射到待測區顆粒會散射入射的激光束，在90°采光角方向放置一塊旋轉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換成電信號，經過放大濾波電路處理后，傳輸至ARM單片機處理器，經過算法處理，即可得到粉塵顆粒物濃度值，數據顯示在本地液晶。
隨著這幾年的發展，核心處理器的制造工藝大幅度發展，光的衍射參數主要取決于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。
相比以前基于傳統光源的光散射法，具有誤差較大、不穩定、對檢測條件有限度要求等缺點，基于激光散射法設計出來的粉塵檢測系統，具有精度高、穩定性強、有效檢測時間長等優點。在煤礦安全檢測、環境污染檢測、工業現場條件下檢測都有著重要的應用。隨著ARM家族的更新換代，強大的ARM處理器能為檢測系統提供穩定的保證。而隨著環境污染問題的日益加劇，人們日益關注身心健康，大數據等技術的發展可以使得監控的數據隨時上傳至云端，形成規模型數據與云端曲線，方便統計與研究。
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由激光發射系統、激光接收系統、電源系統、光電轉換系統、濾波系統等組成，系統中還包括偏振分束器、差分光電探測器、反射鏡等設備。
激光器發射出激光后，偏振方向被λ/2調整，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域，照射到另一個光電二極管上。激光束照射粉塵會發生衰減，差分探測器會輸出相應的電流信號，經過放大、采樣和后續處理芯片，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。這項技術利用激光穿過懸浮顆粒物會發生衰減的原理，如圖2所示，從而獲取了待測顆粒物的光強衰減和質量濃度之間的關系，激光光源頻率與響應度的關系，激光器波長與探測器響應度的關系，通過這些關系，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展，這項技術也越來越受到重視，精度、穩定性、可靠性都有著飛速的提高，應用前景也很廣泛，同樣可以通過通訊模塊連接入物聯網、智慧家園、云端等設備，便于數據的處理與分析應用。
基于激光消光法的粉塵濃度檢測技術
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參數，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，激光束受到粉塵的影響，光強值發生衰減，顆粒濃度值與光強衰減相關，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中顆粒的濃度，數據采集簡單，實驗設施搭建方便，簡單易行，可以直接獲得連續的測量值，進一步發展，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測系統，系統主要包括電源模塊、發射光路模塊、透射光采集模塊、數據處理模塊以及粉塵模擬模塊。發射光路系統由YAG激光器、濾波器、分束鏡、準直透鏡組成，實現激光的精準發射和系統的較好融合，提高系統整體穩定度，采集端收集的信號上傳至MFC架構搭建的上位機進行顯示和處理。最后設計粉塵生成裝置，評估整體搭建的系統的穩定性以及精度。根據CMOS相機的像素位深和激光器的輸出功率，設定最佳曝光時間，上位機評估系統隨機誤差產生的因素，通過粉塵濃度測量結果進行對比分析，通過粉塵濃度測量結果與取樣法得到的結果進行對比分析，系統的零點漂移范圍是-10～+10g/m3，在較低濃度范圍內，根據實驗結果觀察，在線監測效果較差，反之在中高濃度范圍內，系統精度高，且可靠穩定，可以實現在線連續檢測，檢測結果有一定的參考價值。
基于主動激光雷達的遙感探測技術
常規的粉塵探測技術有紅外線方法(VIR)、熱紅外方法(TIR)、微波極化指數方法(MPI)等，但是隨著環境污染的加劇以及科技的發展，主動激光雷達遙感探測技術進入了技術人員的研究計劃，但是經過大量實驗的實踐，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，從衛星提供的數據上，稠密的灰塵和薄的云層數據看起來是一樣的，尤其在不容易區分的區域，激光衛星不能很好的區分它們，為了更好的解決這個問題，結合紅外手段的激光雷達引起了研究人員的注意，利用了熱紅外的優勢(區分冰晶云和稠密的灰塵層)，和激光雷達的優勢，來探測薄的灰塵層和水云層。這種新技術(CLIM)結果表明，塵埃被誤區分的概率大幅度降低，并且這種整合的系統比單一的傳感器穩定并且精度高。
基于激光雷達和紅外探測技術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。基于激光和紅外探測技術的粉塵檢測系統，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于沙塵氣溶膠的相關信息，主動激光雷達系統使用來自衛星的數據架構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。隨著技術的發展，當前是五維架構，增加了體積退偏比以及中間層的溫度。CLIM結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概念被提出，系統包括從衛星、航天局采集的數據，系統結合了每一個傳感器的優點，克服了單一傳感器的缺點，系統集成了可視化、微波、主動激光雷達探測。粉塵遙感探測技術原理。
基于MODIS的檢測技術
MODIS檢測技術主要從大量的訓練數據中統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。根據光譜分析，該算法根據亮度將場景劃分為亮面和暗面，進而進行粉塵檢測。訓練數據的統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。雖然統計分析提供了合理的結果，但其準確性取決于訓練數據的數量。目前，地表僅被劃分為黑暗和明亮的表面以監測沙塵暴，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
近些年來通訊技術的突飛猛進，粉塵檢測系統也由單一的系統演化為集合了檢測、運算、顯示、遠程傳輸、監控的網絡。使用者可以遠程獲取遠程情況，更加全身心的投入到工作。工業上也可以使用類似設備，檢測設備組網，通過處理器將數據上傳至云端，建立廠房粉塵檢測濃度分析數據庫，形成分析曲線以及測評報告，計算出生產安全指數，防患于未然。
激光粉塵檢測的應用及展望
總之，環境污染日益嚴重，霧霾粉塵導致的危害應該引起重視，粉塵等污染物的檢測應該受到重視，檢測設備發展迅速，由單機檢測到多機并聯組網檢測，數據分享與合并，通過*數據傳輸設備組建監控網絡，讓人們的生活更加便捷，體驗到科技對生活的改變，通過大數據，云計算、云存儲等技術將實時記錄的數據傳輸至云端，生成相應的粉塵檢測曲線以及環境評估報告，供工廠以及使用者評估環境情況，做出生產調整，確保風險，保證生產工人的身體健康。
激光技術也在飛速發展，激光越來越廣泛地應用在各個領域，隨著環境污染的加劇，激光粉塵檢測越來越有用武之地，憑借著快速、連續、高效、精準等特點，激光粉塵檢測將發揮越來越大的作用。