激光在粉尘检测领域的进展和应用
时间：2021-07-26 阅读：1099
传统的粉尘检测主要依靠取样法，包括过滤称重法、β射线法以及压电振动法，这些方法直接、方便，但是要求待测颗粒物粉尘必须具有代表性，否则结果不具备参考价值，导致实用性不强。基本操作流程与原理是，在待测颗粒物区域内，采集一部分具有代表性的待测气体，通过一定的方法测得采集物的质量、体积等参数后，进一步计算得到浓度值，还可以通过某些材料与待测粉尘发生化学反应，通过检测材料的变化间接得到粉尘的浓度。
粉尘检测技术的研究进展
英国最早进行了工业革命，随后遇到了环境污染的问题，环境与生态矛盾的日益激化，也促使当时政府在范围内最早进行粉尘检测技术的研究与开发，很多工人出现了尘肺病，50年代末期，采集粉尘器被英国科学家研制成功，可以分离呼吸性粉尘和非呼吸性粉尘(以7.07μm为分界）。
该技术以及检测器迅速传入众多西方国家，70年代初，美国科学家制定了粉尘检测的标准，各国也逐渐加大对粉尘检测的研究，代表性的有日本的柴田公司生产的LV-5E、LD-1E型红外光散射相对浓度检测仪。德国也迎头赶上，代表性的有FW-561、FW-200、RM-210、0MD-41等*设备。日本等各国政府也加大了对粉尘检测的研究。
我国在这方面的研究起步较晚，直到20世纪80年代末期，我国的粉尘检测才取得飞跃式的进步，并且研制出大量的粉尘检测设备。AFQ-20A、DCH-1是当时比较有名的设备。随着激光器制造技术的飞速发展，人们越来越认识到激光在现代粉尘检测中的重要性。相比传统的取样法进行检测，目前比较成熟的设备主要是基于光散射、β射线、光吸收法等原理研制完成。如今的非取样法精度更高、使用更方便，可以实现在线连续不间断检测，无论检测精度还是广度，都有了很高的飞跃。国内外相关领域的专家都做了大量的研究工作。
基于光散射法的粉尘检测
基于光散射测量粉尘的方法应用广泛，使用方便。激光器发出激光束，经过聚焦后照射到待测区颗粒会散射入射的激光束，在90°采光角方向放置一块旋转球面反射镜收集颗粒物反射的散射光线，在利用光电探测器将球面反射镜反射的散射光转换成电信号，经过放大滤波电路处理后，传输至ARM单片机处理器，经过算法处理，即可得到粉尘颗粒物浓度值，数据显示在本地液晶。
随着这几年的发展，核心处理器的制造工艺大幅度发展，光的衍射参数主要取决于ρ，当ρ≤1时，瑞利定律成立，当ρ≥1时，光波长与散射强度没有直接关系，散射光强于激光束照射的面积呈正比。
相比以前基于传统光源的光散射法，具有误差较大、不稳定、对检测条件有限度要求等缺点，基于激光散射法设计出来的粉尘检测系统，具有精度高、稳定性强、有效检测时间长等优点。在煤矿安全检测、环境污染检测、工业现场条件下检测都有着重要的应用。随着ARM家族的更新换代，强大的ARM处理器能为检测系统提供稳定的保证。而随着环境污染问题的日益加剧，人们日益关注身心健康，大数据等技术的发展可以使得监控的数据随时上传至云端，形成规模型数据与云端曲线，方便统计与研究。
基于激光差分探测的粉尘探测
基于差分探测的粉尘检测系统由激光发射系统、激光接收系统、电源系统、光电转换系统、滤波系统等组成，系统中还包括偏振分束器、差分光电探测器、反射镜等设备。
激光器发射出激光后，偏振方向被λ/2调整，偏振光入射到偏振分束器，可以得到两束*相同的激光束，一束激光作为参考光，经过衰减器，照射到差分探测器的一个光电二极管上，另一束激光照射过待测气体区域，照射到另一个光电二极管上。激光束照射粉尘会发生衰减，差分探测器会输出相应的电流信号，经过放大、采样和后续处理芯片，可以得到粉尘的观测浓度。
要获得污染物颗粒的质量浓度，则需要测量出激光束穿过颗粒物之后的透射光强。这项技术利用激光穿过悬浮颗粒物会发生衰减的原理，如图2所示，从而获取了待测颗粒物的光强衰减和质量浓度之间的关系，激光光源频率与响应度的关系，激光器波长与探测器响应度的关系，通过这些关系，可以计算出待测污染物的浓度。随着半导体器件以及激光器的飞速发展，这项技术也越来越受到重视，精度、稳定性、可靠性都有着飞速的提高，应用前景也很广泛，同样可以通过通讯模块连接入物联网、智慧家园、云端等设备，便于数据的处理与分析应用。
基于激光消光法的粉尘浓度检测技术
激光消光法又称为全散射法或浊度法，也属于光散射测量方法之一。激光消光法主要测量颗粒流动特性和相关参数，属于非接触测量方法，基本原理可以理解为一束激光通过待测粉尘区，激光束受到粉尘的影响，光强值发生衰减，颗粒浓度值与光强衰减相关，通过一定分析计算可以得到粉尘浓度值。
激光消光法，是建立在以单色激光作为光源，通过测量消光值计算出介质中颗粒的浓度，数据采集简单，实验设施搭建方便，简单易行，可以直接获得连续的测量值，进一步发展，换取不同的单色激光器，增加激光强度，可以扩大探测范围，通过实验参数的标定，该探测手段可以用于不同颗粒种类的探测。
基于以上原理，可以研制一套融合CMOS采集和光纤成像的灰尘浓度在线监测系统，系统主要包括电源模块、发射光路模块、透射光采集模块、数据处理模块以及粉尘模拟模块。发射光路系统由YAG激光器、滤波器、分束镜、准直透镜组成，实现激光的精准发射和系统的较好融合，提高系统整体稳定度，采集端收集的信号上传至MFC架构搭建的上位机进行显示和处理。最后设计粉尘生成装置，评估整体搭建的系统的稳定性以及精度。根据CMOS相机的像素位深和激光器的输出功率，设定最佳曝光时间，上位机评估系统随机误差产生的因素，通过粉尘浓度测量结果进行对比分析，通过粉尘浓度测量结果与取样法得到的结果进行对比分析，系统的零点漂移范围是-10～+10g/m3，在较低浓度范围内，根据实验结果观察，在线监测效果较差，反之在中高浓度范围内，系统精度高，且可靠稳定，可以实现在线连续检测，检测结果有一定的参考价值。
基于主动激光雷达的遥感探测技术
常规的粉尘探测技术有红外线方法(VIR)、热红外方法(TIR)、微波极化指数方法(MPI)等，但是随着环境污染的加剧以及科技的发展，主动激光雷达遥感探测技术进入了技术人员的研究计划，但是经过大量实验的实践，激光雷达探测存在一定的弊端，虽然可以提供高精度的尘埃气溶胶的垂直剖面，从卫星提供的数据上，稠密的灰尘和薄的云层数据看起来是一样的，尤其在不容易区分的区域，激光卫星不能很好的区分它们，为了更好的解决这个问题，结合红外手段的激光雷达引起了研究人员的注意，利用了热红外的优势(区分冰晶云和稠密的灰尘层)，和激光雷达的优势，来探测薄的灰尘层和水云层。这种新技术(CLIM)结果表明，尘埃被误区分的概率大幅度降低，并且这种整合的系统比单一的传感器稳定并且精度高。
基于激光雷达和红外探测技术的探测方法可以被分为两个部分，选择迭代边界和场景分类算法，选择迭代边界使用动态门限方案进行探测，场景分类算法主要基于一个双波长的激光雷达。基于激光和红外探测技术的粉尘检测系统，可以得到高精度的云和气溶胶的垂直剖面，并且可以提供丰富的关于沙尘气溶胶的相关信息，主动激光雷达系统使用来自卫星的数据架构出一个衰减及后向散射的三维图形信息，分层积分颜色对比和中间层海拔高度。随着技术的发展，当前是五维架构，增加了体积退偏比以及中间层的温度。CLIM结合了主动激光雷达和IIR措施来检测粉尘，检测失误率大幅度降低，因此，一个集成多传感器的粉尘检测系统概念被提出，系统包括从卫星、航天局采集的数据，系统结合了每一个传感器的优点，克服了单一传感器的缺点，系统集成了可视化、微波、主动激光雷达探测。粉尘遥感探测技术原理。
基于MODIS的检测技术
MODIS检测技术主要从大量的训练数据中统计出了几种主要的场景类型，如灰尘、云层、植被表面和非植被表面的光谱曲线。根据光谱分析，该算法根据亮度将场景划分为亮面和暗面，进而进行粉尘检测。训练数据的统计分析是本研究所使用的主要方法，以达到所需的光谱特征的灰尘。虽然统计分析提供了合理的结果，但其准确性取决于训练数据的数量。目前，地表仅被划分为黑暗和明亮的表面以监测沙尘暴，因此更严格的地物分类和特定地点阔值可以显著提高算法的精确度。
激光粉尘检测拓展系统
近些年来通讯技术的突飞猛进，粉尘检测系统也由单一的系统演化为集合了检测、运算、显示、远程传输、监控的网络。使用者可以远程获取远程情况，更加全身心的投入到工作。工业上也可以使用类似设备，检测设备组网，通过处理器将数据上传至云端，建立厂房粉尘检测浓度分析数据库，形成分析曲线以及测评报告，计算出生产安全指数，防患于未然。
激光粉尘检测的应用及展望
总之，环境污染日益严重，雾霾粉尘导致的危害应该引起重视，粉尘等污染物的检测应该受到重视，检测设备发展迅速，由单机检测到多机并联组网检测，数据分享与合并，通过*数据传输设备组建监控网络，让人们的生活更加便捷，体验到科技对生活的改变，通过大数据，云计算、云存储等技术将实时记录的数据传输至云端，生成相应的粉尘检测曲线以及环境评估报告，供工厂以及使用者评估环境情况，做出生产调整，确保风险，保证生产工人的身体健康。
激光技术也在飞速发展，激光越来越广泛地应用在各个领域，随着环境污染的加剧，激光粉尘检测越来越有用武之地，凭借着快速、连续、高效、精准等特点，激光粉尘检测将发挥越来越大的作用。