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激光在粉塵檢測(cè)領(lǐng)域的進(jìn)展和應(yīng)用
閱讀：1295 發(fā)布時(shí)間：2021-7-26
隨著社會(huì)的進(jìn)步，科學(xué)的發(fā)展，大批工廠拔地而起，隨之而來(lái)的是對(duì)環(huán)境的嚴(yán)重污染，對(duì)人體造成了極大的危害，同時(shí)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(yán)重的影響了我們的生活質(zhì)量。因此，國(guó)家相關(guān)部門加強(qiáng)監(jiān)管，加大投資研究檢測(cè)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(lái)源眾多、質(zhì)量輕，難以處理。由于尺寸小，鼻腔對(duì)其的阻擋不是很有效，會(huì)直接吸入體內(nèi)，對(duì)人體產(chǎn)生重大的危害。此外，霧霾中含有大量化學(xué)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(dǎo)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(huì)附著在眼睛粘膜系統(tǒng)，導(dǎo)致眼睛不適。
傳統(tǒng)的粉塵檢測(cè)主要依靠取樣法，包括過(guò)濾稱重法、β射線法以及壓電振動(dòng)法，這些方法直接、方便，但是要求待測(cè)顆粒物粉塵必須具有代表性，否則結(jié)果不具備參考價(jià)值，導(dǎo)致實(shí)用性不強(qiáng)。基本操作流程與原理是，在待測(cè)顆粒物區(qū)域內(nèi)，采集一部分具有代表性的待測(cè)氣體，通過(guò)一定的方法測(cè)得采集物的質(zhì)量、體積等參數(shù)后，進(jìn)一步計(jì)算得到濃度值，還可以通過(guò)某些材料與待測(cè)粉塵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)檢測(cè)材料的變化間接得到粉塵的濃度。
粉塵檢測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展
英國(guó)最早進(jìn)行了工業(yè)革命，隨后遇到了環(huán)境污染的問(wèn)題，環(huán)境與生態(tài)矛盾的日益激化，也促使當(dāng)時(shí)政府在范圍內(nèi)最早進(jìn)行粉塵檢測(cè)技術(shù)的研究與開(kāi)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(guó)科學(xué)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(cè)器迅速傳入眾多西方國(guó)家，70年代初，美國(guó)科學(xué)家制定了粉塵檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)，各國(guó)也逐漸加大對(duì)粉塵檢測(cè)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(duì)濃度檢測(cè)儀。德國(guó)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(guó)政府也加大了對(duì)粉塵檢測(cè)的研究。
我國(guó)在這方面的研究起步較晚，直到20世紀(jì)80年代末期，我國(guó)的粉塵檢測(cè)才取得飛躍式的進(jìn)步，并且研制出大量的粉塵檢測(cè)設(shè)備。AFQ-20A、DCH-1是當(dāng)時(shí)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?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到激光在現(xiàn)代粉塵檢測(cè)中的重要性。相比傳統(tǒng)的取樣法進(jìn)行檢測(cè)，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(shí)現(xiàn)在線連續(xù)不間斷檢測(cè)，無(wú)論檢測(cè)精度還是廣度，都有了很高的飛躍。國(guó)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(cè)
基于光散射測(cè)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(guò)聚焦后照射到待測(cè)區(qū)顆粒會(huì)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(cè)器將球面反射鏡反射的散射光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大濾波電路處理后，傳輸至ARM單片機(jī)處理器，經(jīng)過(guò)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(dāng)ρ≤1時(shí)，瑞利定律成立，當(dāng)ρ≥1時(shí)，光波長(zhǎng)與散射強(qiáng)度沒(méi)有直接關(guān)系，散射光強(qiáng)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(duì)檢測(cè)條件有限度要求等缺點(diǎn)，基于激光散射法設(shè)計(jì)出來(lái)的粉塵檢測(cè)系統(tǒng)，具有精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、有效檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。在煤礦安全檢測(cè)、環(huán)境污染檢測(cè)、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)條件下檢測(cè)都有著重要的應(yīng)用。隨著ARM家族的更新?lián)Q代，強(qiáng)大的ARM處理器能為檢測(cè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的保證。而隨著環(huán)境污染問(wèn)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(shí)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(jì)與研究。
基于激光差分探測(cè)的粉塵探測(cè)
基于差分探測(cè)的粉塵檢測(cè)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(cè)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(guò)衰減器，照射到差分探測(cè)器的一個(gè)光電二極管上，另一束激光照射過(guò)待測(cè)氣體區(qū)域，照射到另一個(gè)光電二極管上。激光束照射粉塵會(huì)發(fā)生衰減，差分探測(cè)器會(huì)輸出相應(yīng)的電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大、采樣和后續(xù)處理芯片，可以得到粉塵的觀測(cè)濃度。
要獲得污染物顆粒的質(zhì)量濃度，則需要測(cè)量出激光束穿過(guò)顆粒物之后的透射光強(qiáng)。這項(xiàng)技術(shù)利用激光穿過(guò)懸浮顆粒物會(huì)發(fā)生衰減的原理，如圖2所示，從而獲取了待測(cè)顆粒物的光強(qiáng)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(zhǎng)與探測(cè)器響應(yīng)度的關(guān)系，通過(guò)這些關(guān)系，可以計(jì)算出待測(cè)污染物的濃度。隨著半導(dǎo)體器件以及激光器的飛速發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)也越來(lái)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(guò)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(cè)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(cè)量方法之一。激光消光法主要測(cè)量顆粒流動(dòng)特性和相關(guān)參數(shù)，屬于非接觸測(cè)量方法，基本原理可以理解為一束激光通過(guò)待測(cè)粉塵區(qū)，激光束受到粉塵的影響，光強(qiáng)值發(fā)生衰減，顆粒濃度值與光強(qiáng)衰減相關(guān)，通過(guò)一定分析計(jì)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(guò)測(cè)量消光值計(jì)算出介質(zhì)中顆粒的濃度，數(shù)據(jù)采集簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)設(shè)施搭建方便，簡(jiǎn)單易行，可以直接獲得連續(xù)的測(cè)量值，進(jìn)一步發(fā)展，換取不同的單色激光器，增加激光強(qiáng)度，可以擴(kuò)大探測(cè)范圍，通過(guò)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的標(biāo)定，該探測(cè)手段可以用于不同顆粒種類的探測(cè)。
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(cè)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(zhǔn)直透鏡組成，實(shí)現(xiàn)激光的精準(zhǔn)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(hào)上傳至MFC架構(gòu)搭建的上位機(jī)進(jìn)行顯示和處理。最后設(shè)計(jì)粉塵生成裝置，評(píng)估整體搭建的系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及精度。根據(jù)CMOS相機(jī)的像素位深和激光器的輸出功率，設(shè)定最佳曝光時(shí)間，上位機(jī)評(píng)估系統(tǒng)隨機(jī)誤差產(chǎn)生的因素，通過(guò)粉塵濃度測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)粉塵濃度測(cè)量結(jié)果與取樣法得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，系統(tǒng)的零點(diǎn)漂移范圍是-10～+10g/m3，在較低濃度范圍內(nèi)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果觀察，在線監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)在線連續(xù)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果有一定的參考價(jià)值。
基于主動(dòng)激光雷達(dá)的遙感探測(cè)技術(shù)
常規(guī)的粉塵探測(cè)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(dòng)激光雷達(dá)遙感探測(cè)技術(shù)進(jìn)入了技術(shù)人員的研究計(jì)劃，但是經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐，激光雷達(dá)探測(cè)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(lái)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(gè)問(wèn)題，結(jié)合紅外手段的激光雷達(dá)引起了研究人員的注意，利用了熱紅外的優(yōu)勢(shì)(區(qū)分冰晶云和稠密的灰塵層)，和激光雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)，來(lái)探測(cè)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(dá)和紅外探測(cè)技術(shù)的探測(cè)方法可以被分為兩個(gè)部分，選擇迭代邊界和場(chǎng)景分類算法，選擇迭代邊界使用動(dòng)態(tài)門限方案進(jìn)行探測(cè)，場(chǎng)景分類算法主要基于一個(gè)雙波長(zhǎng)的激光雷達(dá)?；诩す夂图t外探測(cè)技術(shù)的粉塵檢測(cè)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(dòng)激光雷達(dá)系統(tǒng)使用來(lái)自衛(wèi)星的數(shù)據(jù)架構(gòu)出一個(gè)衰減及后向散射的三維圖形信息，分層積分顏色對(duì)比和中間層海拔高度。隨著技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)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(dòng)激光雷達(dá)和IIR措施來(lái)檢測(cè)粉塵，檢測(cè)失誤率大幅度降低，因此，一個(gè)集成多傳感器的粉塵檢測(cè)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(gè)傳感器的優(yōu)點(diǎn)，克服了單一傳感器的缺點(diǎn)，系統(tǒng)集成了可視化、微波、主動(dòng)激光雷達(dá)探測(cè)。粉塵遙感探測(cè)技術(shù)原理。
基于MODIS的檢測(cè)技術(shù)
MODIS檢測(cè)技術(shù)主要從大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)中統(tǒng)計(jì)出了幾種主要的場(chǎng)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(chǎng)景劃分為亮面和暗面，進(jìn)而進(jìn)行粉塵檢測(cè)。訓(xùn)練數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析是本研究所使用的主要方法，以達(dá)到所需的光譜特征的灰塵。雖然統(tǒng)計(jì)分析提供了合理的結(jié)果，但其準(zhǔn)確性取決于訓(xùn)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(cè)沙塵暴，因此更嚴(yán)格的地物分類和特定地點(diǎn)闊值可以顯著提高算法的精確度。
激光粉塵檢測(cè)拓展系統(tǒng)
近些年來(lái)通訊技術(shù)的突飛猛進(jìn)，粉塵檢測(cè)系統(tǒng)也由單一的系統(tǒng)演化為集合了檢測(cè)、運(yùn)算、顯示、遠(yuǎn)程傳輸、監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)。使用者可以遠(yuǎn)程獲取遠(yuǎn)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(cè)設(shè)備組網(wǎng)，通過(guò)處理器將數(shù)據(jù)上傳至云端，建立廠房粉塵檢測(cè)濃度分析數(shù)據(jù)庫(kù)，形成分析曲線以及測(cè)評(píng)報(bào)告，計(jì)算出生產(chǎn)安全指數(shù)，防患于未然。
激光粉塵檢測(cè)的應(yīng)用及展望
總之，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，霧霾粉塵導(dǎo)致的危害應(yīng)該引起重視，粉塵等污染物的檢測(cè)應(yīng)該受到重視，檢測(cè)設(shè)備發(fā)展迅速，由單機(jī)檢測(cè)到多機(jī)并聯(lián)組網(wǎng)檢測(cè)，數(shù)據(jù)分享與合并，通過(guò)*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(yàn)到科技對(duì)生活的改變，通過(guò)大數(shù)據(jù)，云計(jì)算、云存儲(chǔ)等技術(shù)將實(shí)時(shí)記錄的數(shù)據(jù)傳輸至云端，生成相應(yīng)的粉塵檢測(cè)曲線以及環(huán)境評(píng)估報(bào)告，供工廠以及使用者評(píng)估環(huán)境情況，做出生產(chǎn)調(diào)整，確保風(fēng)險(xiǎn)，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(lái)越廣泛地應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，隨著環(huán)境污染的加劇，激光粉塵檢測(cè)越來(lái)越有用武之地，憑借著快速、連續(xù)、高效、精準(zhǔn)等特點(diǎn)，激光粉塵檢測(cè)將發(fā)揮越來(lái)越大的作用。