檢測空氣質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，可被吸入體內并可能導致嚴重健康問題。PM 包括特性（即形狀、光學屬性、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”指懸浮顆粒混合物或“氣溶膠”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 , 。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量監(jiān)測設備的監(jiān)測范圍。這些新的測量結果可以為傳統(tǒng)的 PM10 和 PM2.5 指標提供其它補充信息，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（例如室內塵埃與煙霧）研發(fā)適用于特定環(huán)境的監(jiān)測設備。

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?！保ɑ颉癠FP”）進行報告，本文將不予論述。在上述顆粒物定義范圍內 — 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

歷史上，人們曾用“質量濃度”（單位：μg/m3）測量 PM 值。這背后的原因在于，傳統(tǒng)上最為準確的 PM 測量方法是重量測定法。這種測量程序利用預先稱重的過濾器收集周圍環(huán)境中按粒徑進行預分類的顆粒（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）。然后用過濾器質量增大值除以空氣在 24 小時通過過濾器的總體積，得到質量濃度（單位為 μg/m3） 。雖然長期以來重量測定法一直被視為最準確的質量濃度測定方法，但這種方法在日常應用的普及當中存在某些限制，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，實時光學顆粒計數(shù)器 (OPC) 逐漸進入了空氣質量監(jiān)測市場。這種儀器基于不同的光學原理 — 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），使入射光產生散射（或吸收）。然后散射光被光電二極管檢測到，轉化為實時顆粒計數(shù)和質量濃度值。

目前，光學檢測是應用最為廣泛的技術。這是因為光學檢測易于使用，而且具有無與倫比的性價比。近年來，OPC 已經小型化至足以集成到空調設備、空氣質量監(jiān)測器和空氣凈化器當中，可用于調節(jié)和控制家庭、汽車和室外環(huán)境的空氣質量。

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，其測量的空氣質量主要取決于設備工程設計。光學原理對計算顆粒數(shù)量非常有效，但這種設備主要用于估算顆粒物質量濃度，而且由于顆粒物具有不同光學屬性（例如形狀和顏色）及不同質量密度，導致設備容易產生估算誤差。因此質量估算好壞在很大程度上取決于生產商將測得光學信號轉化為顆粒物質量濃度的算法。此外，內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元件（激光器、光電二極管、束流捕集器）上，如果工程設計不當，就會導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，其測量的空氣質量主要取決于設備工程設計。光學原理對計算顆粒數(shù)量非常有效，但這種設備主要用于估算顆粒物質量濃度，而且由于顆粒物具有不同光學屬性（例如形狀和顏色）及不同質量密度，導致設備容易產生估算誤差。因此質量估算好壞在很大程度上取決于生產商將測得光學信號轉化為顆粒物質量濃度的算法。此外，內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元件（激光器、光電二極管、束流捕集器）上，如果工程設計不當，就會導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、重復性好、一致性好、實時響應可連續(xù)采集、抗干擾能力強、采用超靜音風扇，傳感器出廠100%檢測和標定等優(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已廣泛在以下領域得到很好的應用：
1.適用于工礦企業(yè)勞動部門生產現(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，污染源調查
4.市政監(jiān)煙
5.科學研究，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，氣象學，公眾衛(wèi)生學，工業(yè)勞動衛(wèi)生工程學，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.室內空氣質量檢測，空氣凈化，例如：空氣凈化器、空調、抽濕機、新風機或系統(tǒng)，甲醛檢測儀、智能家居等
13.車載行業(yè)，車內空氣檢測和凈化，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家設計并由Alphasense設計的光學粒子計數(shù)器（OPC），以可承受的價格提供高質量的粒子計數(shù)和尺寸。從那時起，該系列不斷發(fā)展，以提供市場上質量好、成本低的設備。

經全球研究機構和大學實驗室測試，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)應用。

Alphasense OPC–N系列顆粒物傳感器

為了應對高污染城市環(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，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可以在廣泛的應用范圍內進行測量，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系列在一個設備中提供了優(yōu)異的性能，該設備不僅非常小，只有70毫米長x 21毫米直徑，而且非常經濟。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升級或轉換到R2是無痛的。

采用最先進的激光散射技術，OPC-R系列設備受益于0.3 L/min流速的清潔流道和準直光學元件。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，這在應用程序需要的不僅僅是PM時至關重要。

審核編輯：符乾江