四方光電激光揚塵傳感器助力打贏藍天保衛戰

  根據“兩會”期間公布的2020年政府工作報告，今年要實現單位國內生產總值能耗和主要污染物排放量繼續下降；深化重點地區大氣污染治理攻堅；要打好藍天、碧水、凈土保衛戰，實現污染防治攻堅戰階段性目標。2020年是打贏藍天保衛戰、“十三五”規劃的全面收官之年，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鍵點之一。
  
  揚塵治理，需對癥下藥；而把脈問診，監測為先。高性能的揚塵傳感器對實現揚塵全面監測、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狀
  
  行業發展初期，揚塵監測設備多基于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，在民用室內檢測應用中，經歷了從采用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數值的創新發展過程。然而針對室外揚塵監測還需要PM10和TSP的精準監測要求，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測設備配套傳感器面臨的主要挑戰。
  
  室外揚塵顆粒物監測的技術難點
  
  ①與β射線原理的設備保持較高的線性相關性
  
  國站監測設備采用的是β射線原理，其他的揚塵監測站的監測數據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檢測精度不受水霧響
  
  由于室外環境經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，大顆粒的灰塵經過傳感器采樣風道內會受到重力影響附著在傳感器內部，長期使用，會使得灰塵在傳感器內部大量堆積，影響到測量準確性。
  
  四方光電激光揚塵傳感器的技術特點
  
  四方光電基于創新的光散射技術研究，陸續推出紅外粉塵傳感器、激光粉塵傳感器等系列傳感器產品，廣泛應用于室內、室外及車內檢測等領域。
  
  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，推動技術革新升級，成功研發揚塵顆粒物傳感器PM3003S及 PM3006。
 

  圖1：PM3006S（左）及 PM3006（右）激光揚塵傳感器

  
  1、揚塵顆粒物智能識別技術（API技術）
  

  PM3003S，PM3006采用了*的API（Auto Particle Identification，自動顆粒識別）技術，在多種塵源下進行標定，根據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
  
  PM3003S、 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，保證原始信號的穩定輸出，確保測量的穩定性。

  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PM3003S、 PM3006激光揚塵傳感器前端配套了除濕裝置，防止室外環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、創新結構設計，長效防積灰。
  

  PM3003S、 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構設計，經過實際驗證，可以減少室外環境對傳感器檢測精確度的影響，降低后期維護成本。

  
  我國室外揚塵網格化監測經歷了早期的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。在使用過程中發現，民用的激光粉塵傳感器不僅不能滿足-30~70℃室外環境溫度的全天候使用要求，同時還必須面對監測場所，特別是建設工地經常噴灑降霾的水霧影響，或者下雨潮濕的氣候環境等。這種環境下，水霧經常被判斷為嚴重霧霾造成爆表。同時網格化室外粉塵監控希望得到局部的可以與國家大氣環境監測網數據具備的PM2.5/PM10/TSP的多項參數對比， 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PM2.5的數字進行比例計算，造成PM10監測數據失真。四方光電研制的PM3003S、 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、先進的流道設計實現抗污染、大流量車規級采樣機構、高濕度環境的水霧去除裝置等，低成本地實現了對室外揚塵粉塵與β射線吸收法達到0.9相關系數的高精度測量。