检测空气质量的颗粒物传感器的工作原理介绍

智能传感 2022-02-28 4266

描述

颗粒物（简称为“PM”）是悬浮固体颗粒与小液滴的混合物，可被吸入体内并可能导致严重健康问题。PM 包括特性（即形状、光学属性、尺寸和成分）各异的各种颗粒，但最常见的是按粒径分为几个子类。不同类别的颗粒物通常按照普通命名法“PMx”进行报告，其中“x”指悬浮颗粒混合物或“气溶胶”中的最大颗粒直径。例如，PM2.5 通常指直径为 2.5 微米及更小的可吸入颗粒，PM10 指直径为 10 微米及更小的颗粒，等等。在历史上，为了评估我们呼吸的空气质量，各国政府曾将特定颗粒物种类 PM10 和 PM2.5 定为重要的监测指标 , 。这是因为PM10 颗粒会刺激眼睛和喉咙等外露器官黏膜，PM2.5 颗粒会一路通过肺部进入肺泡。PM1.0 和 PM4.0 等新颗粒物种类也将列入空气质量监测设备的监测范围。这些新的测量结果可以为传统的 PM10 和 PM2.5 指标提供其它补充信息，以便进行更好的颗粒污染分析以及根据检测的气溶胶类型（例如室内尘埃与烟雾）研发适用于特定环境的监测设备。

常见污染源粒径范围（来源: John Wiley and Sons 2006 年出版的“住宅建设最佳实践指南”）。

颗粒物一般定义包括粒径不小于 100 纳米的颗粒。而小于 100 纳米的颗粒则按“超微颗粒”（或“UFP”）进行报告，本文将不予论述。在上述颗粒物定义范围内 — 包括粒径从 0.1 到 10 微米的颗粒，颗粒越小，它们便能越深入地穿过我们的呼吸道进入血液中，给我们的健康带来更大的危害。世界卫生组织 (WHO) 将悬浮颗粒物报告为 1 类致癌物和人类健康面临的最大环境风险，每年约有 1/9 的死亡人群是因其而丧生。上图显示了常见污染源的粒径范围，包括清除此种污染物所用的过滤技术

历史上，人们曾用“质量浓度”（单位：μg/m3）测量 PM 值。这背后的原因在于，传统上最为准确的 PM 测量方法是重量测定法。这种测量程序利用预先称重的过滤器收集周围环境中按粒径进行预分类的颗粒（例如让粒径小于 2.5 微米的所有颗粒进入）。在采样期（通常为 24 小时）结束之际，对过滤器进行称重，确定集聚的颗粒物总重量（单位为 μg）。然后用过滤器质量增大值除以空气在 24 小时通过过滤器的总体积，得到质量浓度（单位为 μg/m3）。虽然长期以来重量测定法一直被视为最准确的质量浓度测定方法，但这种方法在日常应用的普及当中存在某些限制，诸如：测量仪器笨重，价格昂贵，每次测量只能处理一种 PM 粒径（例如 PM2.5），无法进行实时采样，而且无法输出颗粒计数

因此，实时光学颗粒计数器 (OPC) 逐渐进入了空气质量监测市场。这种仪器基于不同的光学原理 — 通常是散射或吸收原理，其中最常用的光线散射。在 OPC 中，颗粒通过光源（通常是激光束），使入射光产生散射（或吸收）。然后散射光被光电二极管检测到，转化为实时颗粒计数和质量浓度值。

目前，光学检测是应用最为广泛的技术。这是因为光学检测易于使用，而且具有无与伦比的性价比。近年来，OPC 已经小型化至足以集成到空调设备、空气质量监测器和空气净化器当中，可用于调节和控制家庭、汽车和室外环境的空气质量。

虽然 OPC 的基本原理看起来很简单，但从实施角度看，并非所有 OPC 都以相同方式工作，其测量的空气质量主要取决于设备工程设计。光学原理对计算颗粒数量非常有效，但这种设备主要用于估算颗粒物质量浓度，而且由于颗粒物具有不同光学属性（例如形状和颜色）及不同质量密度，导致设备容易产生估算误差。因此质量估算好坏在很大程度上取决于生产商将测得光学信号转化为颗粒物质量浓度的算法。此外，内部气流工程对传感器精度和漂移也有显著影响，因为颗粒很容易积聚在光学元件（激光器、光电二极管、束流捕集器）上，如果工程设计不当，就会导致元件性能随时间流失而逐渐下降。

工作原理

日本figaro 激光颗粒物传感器

日本figaro 激光颗粒物传感器 PM2.5传感器TF-LP01:TF-LP01是日本figaro开发的激光颗粒物传感器，是利用光散射原理对空气中粉尘颗粒进行检测的小型模组，能精准检测到具体PM1.0、PM2.5、PM10的数值，USART（3.3V TTL电平）和PWM（需定制）输出，具备体积小、检测精度高、重复性好、一致性好、实时响应可连续采集、抗干扰能力强、采用超静音风扇，传感器出厂100%检测和标定等优点，适用于各种需要进行PM值检测的场合。

目前，激光颗粒物传感器TF-LP01已广泛在以下领域得到很好的应用：
1.适用于工矿企业劳动部门生产现场粉尘浓度的测定-煤矿粉尘检测
2.卫生防疫站公共场所可吸入颗粒物的监测
3.环境环保监测部门大气飘尘检测，污染源调查
4.市政监烟
5.科学研究，滤料性能试验等方面现场测试
6.现场粉尘浓度测定，排气口粉尘浓度监测
7.药品制造测试
8.职业健康和安全检测
9.工厂需要清洁空气的地方，精密仪器，测试仪器，电子部件，食品，药品等制造工艺的管理
10.各种研究机构，气象学，公众卫生学，工业劳动卫生工程学，大气污染研究等
11.建筑或爆破的地方的粉尘检测，工地场所暴露监测
12.室内空气质量检测，空气净化，例如：空气净化器、空调、抽湿机、新风机或系统，甲醛检测仪、智能家居等
13.车载行业，车内空气检测和净化，移动车载城市空气检测站

Alphasense PM传感器

微粒和气溶胶是劣质空气中最危险的成分，我们知道这些微粒的大小和成分决定了它们的毒性。在Alphasense，我们率先开发了一系列由气溶胶科学家设计并由Alphasense设计的光学粒子计数器（OPC），以可承受的价格提供高质量的粒子计数和尺寸。从那时起，该系列不断发展，以提供市场上质量好、成本低的设备。

经全球研究机构和大学实验室测试，Alphasense OPC提供PM1、PM2.5和PM10（以及可选PM4.25）的数字输出以及每种尺寸的颗粒计数直方图。Alphasense的（正在申请专利的）流量校正确保了稳定的读数，即使在高粉尘环境中也是如此。

Alphasense OPC在清洁和高度污染的城市环境中广泛商用，并越来越多的用于工业应用。

Alphasense OPC–N系列颗粒物传感器

为了应对高污染城市环境中的长期项目，Alphasense进一步加固了OPC-N系列，并根据商业应用的需求改进了功能。最新的OPC-N3具有与旧的OPC-N2相同的尺寸和电源/接口，但是它现在的尺寸从0.35μm到40μm，并分为24个大小的箱子。

OPC-N3的其他功能包括改进的空气动力学，减少颗粒沉积，更好的小颗粒检测和扩展的上部尺寸测量。因此，OPC-N3可以在广泛的应用范围内进行测量，从洁净室到污染水平高达2000μg/m3（PM2.5）的区域，所有这些都具有能够测量花粉的独特功能。

OPC-R系列

OPC-R系列在一个设备中提供了优异的性能，该设备不仅非常小，只有70毫米长x 21毫米直径，而且非常经济。OPC-R2取代了OPC-R1，带来了比其前身更好的小颗粒检测、更低的风扇噪声和更好的EMC保护。R1和R2具有相同的电源要求、通信协议和数据格式，这意味着从R1升级或转换到R2是无痛的。

采用最先进的激光散射技术，OPC-R系列设备受益于0.3 L/min流速的清洁流道和准直光学元件。我们的可移动流量出口适配器可方便地进行系统集成，SPI接口和PC分析软件可简化数据收集和分析。OPC-R2有16个大小的垃圾箱，可以每秒记录PM1、PM2.5和PM10以及大小直方图，这在应用程序需要的不仅仅是PM时至关重要。

审核编辑：符乾江

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