檢測空氣質(zhì)量的顆粒物傳感器的工作原理介紹

顆粒物（簡稱為“PM”）是懸浮固體顆粒與小液滴的混合物，可被吸入體內(nèi)并可能導(dǎo)致嚴(yán)重健康問題。PM 包括特性（即形狀、光學(xué)屬性、尺寸和成分）各異的各種顆粒，但最常見的是按粒徑分為幾個子類。不同類別的顆粒物通常按照普通命名法“PMx”進行報告，其中“x”指懸浮顆?；旌衔锘颉皻馊苣z”中的最大顆粒直徑。例如，PM2.5 通常指直徑為 2.5 微米及更小的可吸入顆粒，PM10 指直徑為 10 微米及更小的顆粒，等等。在歷史上，為了評估我們呼吸的空氣質(zhì)量，各國政府曾將特定顆粒物種類 PM10 和 PM2.5 定為重要的監(jiān)測指標(biāo) , 。這是因為PM10 顆粒會刺激眼睛和喉嚨等外露器官黏膜，PM2.5 顆粒會一路通過肺部進入肺泡。PM1.0 和 PM4.0 等新顆粒物種類也將列入空氣質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測范圍。這些新的測量結(jié)果可以為傳統(tǒng)的 PM10 和 PM2.5 指標(biāo)提供其它補充信息，以便進行更好的顆粒污染分析以及根據(jù)檢測的氣溶膠類型（例如室內(nèi)塵埃與煙霧）研發(fā)適用于特定環(huán)境的監(jiān)測設(shè)備。

常見污染源粒徑范圍（來源: John Wiley and Sons 2006 年出版的“住宅建設(shè)最佳實踐指南”）。

顆粒物一般定義包括粒徑不小于 100 納米的顆粒。而小于 100 納米的顆粒則按“超微顆粒”（或“UFP”）進行報告，本文將不予論述。在上述顆粒物定義范圍內(nèi) — 包括粒徑從 0.1 到 10 微米的顆粒，顆粒越小，它們便能越深入地穿過我們的呼吸道進入血液中，給我們的健康帶來更大的危害。世界衛(wèi)生組織 (WHO) 將懸浮顆粒物報告為 1 類致癌物 和人類健康面臨的最大環(huán)境風(fēng)險，每年約有 1/9 的死亡人群是因其而喪生 。上圖顯示了常見污染源的粒徑范圍，包括清除此種污染物所用的過濾技術(shù)

歷史上，人們曾用“質(zhì)量濃度”（單位：μg/m3）測量 PM 值。這背后的原因在于，傳統(tǒng)上最為準(zhǔn)確的 PM 測量方法是重量測定法。這種測量程序利用預(yù)先稱重的過濾器收集周圍環(huán)境中按粒徑進行預(yù)分類的顆粒（例如讓粒徑小于 2.5 微米的所有顆粒進入）。在采樣期（通常為 24 小時）結(jié)束之際，對過濾器進行稱重，確定集聚的顆粒物總重量（單位為 μg）。然后用過濾器質(zhì)量增大值除以空氣在 24 小時通過過濾器的總體積，得到質(zhì)量濃度（單位為 μg/m3） 。雖然長期以來重量測定法一直被視為最準(zhǔn)確的質(zhì)量濃度測定方法，但這種方法在日常應(yīng)用的普及當(dāng)中存在某些限制，諸如：測量儀器笨重，價格昂貴，每次測量只能處理一種 PM 粒徑（例如 PM2.5），無法進行實時采樣，而且無法輸出顆粒計數(shù)

因此，實時光學(xué)顆粒計數(shù)器 (OPC) 逐漸進入了空氣質(zhì)量監(jiān)測市場。這種儀器基于不同的光學(xué)原理 — 通常是散射或吸收原理，其中最常用的光線散射。在 OPC 中，顆粒通過光源（通常是激光束），使入射光產(chǎn)生散射（或吸收）。然后散射光被光電二極管檢測到，轉(zhuǎn)化為實時顆粒計數(shù)和質(zhì)量濃度值。

目前，光學(xué)檢測是應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)。這是因為光學(xué)檢測易于使用，而且具有無與倫比的性價比。近年來，OPC 已經(jīng)小型化至足以集成到空調(diào)設(shè)備、空氣質(zhì)量監(jiān)測器和空氣凈化器當(dāng)中，可用于調(diào)節(jié)和控制家庭、汽車和室外環(huán)境的空氣質(zhì)量。

雖然 OPC 的基本原理看起來很簡單，但從實施角度看，并非所有 OPC 都以相同方式工作，其測量的空氣質(zhì)量主要取決于設(shè)備工程設(shè)計。光學(xué)原理對計算顆粒數(shù)量非常有效，但這種設(shè)備主要用于估算顆粒物質(zhì)量濃度，而且由于顆粒物具有不同光學(xué)屬性（例如形狀和顏色）及不同質(zhì)量密度，導(dǎo)致設(shè)備容易產(chǎn)生估算誤差。因此質(zhì)量估算好壞在很大程度上取決于生產(chǎn)商將測得光學(xué)信號轉(zhuǎn)化為顆粒物質(zhì)量濃度的算法。此外，內(nèi)部氣流工程對傳感器精度和漂移也有顯著影響，因為顆粒很容易積聚在光學(xué)元件（激光器、光電二極管、束流捕集器）上，如果工程設(shè)計不當(dāng)，就會導(dǎo)致元件性能隨時間流失而逐漸下降。

工作原理

雖然 OPC 的基本原理看起來很簡單，但從實施角度看，并非所有 OPC 都以相同方式工作，其測量的空氣質(zhì)量主要取決于設(shè)備工程設(shè)計。光學(xué)原理對計算顆粒數(shù)量非常有效，但這種設(shè)備主要用于估算顆粒物質(zhì)量濃度，而且由于顆粒物具有不同光學(xué)屬性（例如形狀和顏色）及不同質(zhì)量密度，導(dǎo)致設(shè)備容易產(chǎn)生估算誤差。因此質(zhì)量估算好壞在很大程度上取決于生產(chǎn)商將測得光學(xué)信號轉(zhuǎn)化為顆粒物質(zhì)量濃度的算法。此外，內(nèi)部氣流工程對傳感器精度和漂移也有顯著影響，因為顆粒很容易積聚在光學(xué)元件（激光器、光電二極管、束流捕集器）上，如果工程設(shè)計不當(dāng)，就會導(dǎo)致元件性能隨時間流失而逐漸下降。

日本figaro 激光顆粒物傳感器

日本figaro 激光顆粒物傳感器 PM2.5傳感器TF-LP01:TF-LP01是日本figaro開發(fā)的激光顆粒物傳感器，是利用光散射原理對空氣中粉塵顆粒進行檢測的小型模組，能精準(zhǔn)檢測到具體PM1.0、PM2.5、PM10的數(shù)值，USART（3.3V TTL電平）和PWM（需定制）輸出，具備體積小、檢測精度高、重復(fù)性好、一致性好、實時響應(yīng)可連續(xù)采集、抗干擾能力強、采用超靜音風(fēng)扇，傳感器出廠100%檢測和標(biāo)定等優(yōu)點，適用于各種需要進行PM值檢測的場合。

目前，激光顆粒物傳感器TF-LP01已廣泛在以下領(lǐng)域得到很好的應(yīng)用：
1.適用于工礦企業(yè)勞動部門生產(chǎn)現(xiàn)場粉塵濃度的測定-煤礦粉塵檢測
2.衛(wèi)生防疫站公共場所可吸入顆粒物的監(jiān)測
3.環(huán)境環(huán)保監(jiān)測部門大氣飄塵檢測，污染源調(diào)查
4.市政監(jiān)煙
5.科學(xué)研究，濾料性能試驗等方面現(xiàn)場測試
6.現(xiàn)場粉塵濃度測定，排氣口粉塵濃度監(jiān)測
7.藥品制造測試
8.職業(yè)健康和安全檢測
9.工廠需要清潔空氣的地方，精密儀器，測試儀器，電子部件，食品，藥品等制造工藝的管理
10.各種研究機構(gòu)，氣象學(xué)，公眾衛(wèi)生學(xué)，工業(yè)勞動衛(wèi)生工程學(xué)，大氣污染研究等
11.建筑或爆破的地方的粉塵檢測，工地場所暴露監(jiān)測
12.室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測，空氣凈化，例如：空氣凈化器、空調(diào)、抽濕機、新風(fēng)機或系統(tǒng)，甲醛檢測儀、智能家居等
13.車載行業(yè)，車內(nèi)空氣檢測和凈化，移動車載城市空氣檢測站

Alphasense PM傳感器

微粒和氣溶膠是劣質(zhì)空氣中最危險的成分，我們知道這些微粒的大小和成分決定了它們的毒性。在Alphasense，我們率先開發(fā)了一系列由氣溶膠科學(xué)家設(shè)計并由Alphasense設(shè)計的光學(xué)粒子計數(shù)器（OPC），以可承受的價格提供高質(zhì)量的粒子計數(shù)和尺寸。從那時起，該系列不斷發(fā)展，以提供市場上質(zhì)量好、成本低的設(shè)備。

經(jīng)全球研究機構(gòu)和大學(xué)實驗室測試，Alphasense OPC提供PM1、PM2.5和PM10（以及可選PM4.25）的數(shù)字輸出以及每種尺寸的顆粒計數(shù)直方圖。Alphasense的（正在申請專利的）流量校正確保了穩(wěn)定的讀數(shù)，即使在高粉塵環(huán)境中也是如此。

Alphasense OPC在清潔和高度污染的城市環(huán)境中廣泛商用，并越來越多的用于工業(yè)應(yīng)用。

Alphasense OPC–N系列顆粒物傳感器

為了應(yīng)對高污染城市環(huán)境中的長期項目，Alphasense進一步加固了OPC-N系列，并根據(jù)商業(yè)應(yīng)用的需求改進了功能。最新的OPC-N3具有與舊的OPC-N2相同的尺寸和電源/接口，但是它現(xiàn)在的尺寸從0.35μm到40μm，并分為24個大小的箱子。

OPC-N3的其他功能包括改進的空氣動力學(xué)，減少顆粒沉積，更好的小顆粒檢測和擴展的上部尺寸測量。因此，OPC-N3可以在廣泛的應(yīng)用范圍內(nèi)進行測量，從潔凈室到污染水平高達2000μg/m3（PM2.5）的區(qū)域，所有這些都具有能夠測量花粉的獨特功能。

OPC-R系列

OPC-R系列在一個設(shè)備中提供了優(yōu)異的性能，該設(shè)備不僅非常小，只有70毫米長x 21毫米直徑，而且非常經(jīng)濟。OPC-R2取代了OPC-R1，帶來了比其前身更好的小顆粒檢測、更低的風(fēng)扇噪聲和更好的EMC保護。R1和R2具有相同的電源要求、通信協(xié)議和數(shù)據(jù)格式，這意味著從R1升級或轉(zhuǎn)換到R2是無痛的。

采用最先進的激光散射技術(shù)，OPC-R系列設(shè)備受益于0.3 L/min流速的清潔流道和準(zhǔn)直光學(xué)元件。我們的可移動流量出口適配器可方便地進行系統(tǒng)集成，SPI接口和PC分析軟件可簡化數(shù)據(jù)收集和分析。OPC-R2有16個大小的垃圾箱，可以每秒記錄PM1、PM2.5和PM10以及大小直方圖，這在應(yīng)用程序需要的不僅僅是PM時至關(guān)重要。

審核編輯：符乾江