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激光在粉塵檢測(cè)領(lǐng)域的進(jìn)展和應(yīng)用
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),?；静僮髁鞒膛c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,，還可以通過某些材料與待測(cè)粉塵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，通過檢測(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)絹碓秸J(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)過放大濾波電路處理后,，傳輸至ARM單片機(jī)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(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)量出激光束穿過顆粒物之后的透射光強(qiáng),。這項(xiàng)技術(shù)利用激光穿過懸浮顆粒物會(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(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,，通過粉塵濃度測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，通過粉塵濃度測(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*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)揮越來越大的作用,。
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