揚塵傳感器的需求及應用現(xiàn)狀

根據(jù)“兩會”期間公布的2020年政府工作報告，今年要實現(xiàn)單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗和主要污染物排放量繼續(xù)下降；深化重點地區(qū)大氣污染治理攻堅；要打好藍天、碧水、凈土保衛(wèi)戰(zhàn)，實現(xiàn)污染防治攻堅戰(zhàn)階段性目標。

2020年是打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)、“十三五”規(guī)劃的全面收官之年，我國大氣污染治理進入攻堅“深水期”，剩下的都是難啃的“硬骨頭”。作為一直以來的重點和難點，揚塵污染治理已然成為大氣污染防治目標完成與否的關(guān)鍵點之一。

揚塵治理，需對癥下藥；而把脈問診，監(jiān)測為先。高性能的揚塵傳感器對實現(xiàn)揚塵全面監(jiān)測、精準治理、降低成本等多方面的重要性不言而喻。

揚塵傳感器的需求及應用現(xiàn)狀

行業(yè)發(fā)展初期，揚塵監(jiān)測設備多基于β射線吸收法，然而受儀器體積較大、成本高昂等因素掣肘，量大面廣的需求無法得到真正滿足。

基于光散射原理的粉塵傳感器，在民用室內(nèi)檢測應用中，經(jīng)歷了從采用LED光源和擴散式采樣，用于粉塵濃度變化的趨勢檢測，到升級為激光光源和風扇采樣，可以精確檢測PM2.5數(shù)值的創(chuàng)新發(fā)展過程。然而針對室外揚塵監(jiān)測還需要PM10和TSP的精準監(jiān)測要求，則無法得到滿足。

因此，能夠同時準確測量PM2.5/PM10/TSP、體積小、購買和維護成本低成為了揚塵監(jiān)測設備配套傳感器面臨的主要挑戰(zhàn)。

室外揚塵顆粒物監(jiān)測的技術(shù)難點

① 與β射線原理的設備保持較高的線性相關(guān)性

國站監(jiān)測設備采用的是β射線原理，其他的揚塵監(jiān)測站的監(jiān)測數(shù)據(jù)必須要與其保持高度一致性，但由于原理上的差異，要做到這一點，傳感器需要采用更高性能的器件，有效提升顆粒物識別的能力。

② 滿足室外-30℃~70℃的工作溫度要求

溫度對傳感器激光管的影響非常大，然而室外溫度范圍更寬，夏天在太陽下暴曬，溫度可能會到達70℃；冬天北方嚴寒地區(qū)最低溫度可能達到零下30℃。這就要求傳感器在此溫度下不僅能夠正常工作，還要確保檢測的準確性。

③檢測精度不受水霧影響

由于室外環(huán)境經(jīng)常會遇到凝霜與露水的情況，這些水汽進入到傳感器后會嚴重影響到傳感器的測量值，甚至會造成傳感器永久損壞。

④長期使用，精度不受積灰影響

揚塵傳感器工作在室外，大顆粒的灰塵經(jīng)過傳感器采樣風道內(nèi)會受到重力影響附著在傳感器內(nèi)部，長期使用，會使得灰塵在傳感器內(nèi)部大量堆積，影響到測量準確性。

四方光電激光揚塵傳感器的技術(shù)特點

四方光電基于創(chuàng)新的光散射技術(shù)研究，陸續(xù)推出紅外粉塵傳感器、激光粉塵傳感器等系列傳感器產(chǎn)品，廣泛應用于室內(nèi)、室外及車內(nèi)檢測等領(lǐng)域。

在此基礎上，四方光電針對揚塵傳感器的應用場景，以及不同地方標準需求，推動技術(shù)革新升級，成功研發(fā)揚塵顆粒物傳感器PM3003X及PM3006。

圖1：PM3003X（左）及 PM3006（右）激光揚塵傳感器

1、揚塵顆粒物智能識別技術(shù)（API技術(shù)）

PM3003X，PM3006采用了獨特的API（Auto Particle Identification，自動顆粒識別）技術(shù)，在多種塵源下進行標定，根據(jù)檢測到的顆粒物分布進行自動判斷，確保PM2.5、PM10和TSP的檢測精度。

2、高溫、恒功率、線型激光管

PM3003X、 PM3006激光揚塵傳感器采用了工作溫度在-30~70℃的恒功率、線型光源，其光功率高達100mW，相比點光源高出20倍以上，原始信號更強，大大提升了顆粒物的識別效率。同時對光源采用了恒功率控制，保證原始信號的穩(wěn)定輸出，確保測量的穩(wěn)定性。

圖2：室外揚塵傳感器與民用粉塵傳感器光源差別

左：高功率線型光源，右：低功率點光源

3、自帶除水霧裝置，不受水汽影響

四方光電研制的PM3003X、 PM3006激光揚塵傳感器前端配套了除濕裝置，防止室外環(huán)境中細小的水珠進入檢測氣室，消除水汽對揚塵傳感器的精度影響。

4、 創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設計，長效防積灰

PM3003X、 PM3006激光揚塵傳感器通過流體力學仿真對采樣風道進行了長效防積灰結(jié)構(gòu)設計，經(jīng)過實際驗證，可以減少室外環(huán)境對傳感器檢測精確度的影響，降低后期維護成本。

我國室外揚塵網(wǎng)格化監(jiān)測經(jīng)歷了早期的β射線吸收法，到采用民用凈化器大量應用的激光粉塵傳感器的過程。在使用過程中發(fā)現(xiàn)，民用的激光粉塵傳感器不僅不能滿足-30~70℃室外環(huán)境溫度的全天候使用要求，同時還必須面對監(jiān)測場所，特別是建設工地經(jīng)常噴灑降霾的水霧影響，或者下雨潮濕的氣候環(huán)境等。這種環(huán)境下，水霧經(jīng)常被判斷為嚴重霧霾造成爆表。同時網(wǎng)格化室外粉塵監(jiān)控希望得到局部的可以與國家大氣環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)具備的PM2.5/PM10/TSP的多項參數(shù)對比，民用激光傳感器由于激光功率小，采樣流量小， PM10分辨率很低，無法提供準確的PM10，通常采用根據(jù)PM2.5的數(shù)字進行比例計算，造成PM10監(jiān)測數(shù)據(jù)失真。四方光電研制的PM3003X、 PM3006激光揚塵傳感器通過采用寬溫型大功率線型激光光源、API粉塵自動識別技術(shù)、先進的流道設計實現(xiàn)抗污染、大流量車規(guī)級采樣機構(gòu)、高濕度環(huán)境的水霧去除裝置等，低成本地實現(xiàn)了對室外揚塵粉塵與β射線吸收法達到0.9相關(guān)系數(shù)的高精度測量。
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