微型PM2.5傳感器研究和測試

摘? 要：近年來，由于空氣污染日益嚴(yán)峻，空氣質(zhì)量引起了大家的重視和關(guān)注。隨著技術(shù)的快速發(fā)展，微型粉塵傳感器廣泛應(yīng)用各種民用設(shè)備中，它們的出現(xiàn)讓人們直觀地了解到實(shí)時(shí)的空氣質(zhì)量狀態(tài)。為了了解這些傳感器的性能，了解PM2.5產(chǎn)品測量數(shù)據(jù)的真實(shí)性，利用專業(yè)的儀器和設(shè)備模擬測試了四種品牌的微型粉塵傳感器（即PM2.5傳感器），評(píng)估它們在氣溶膠、粉塵車間和城市環(huán)境下是否適合使用。

關(guān)鍵詞：微型粉塵傳感器;PM2.5傳感器;氣溶膠;空氣污染

中圖分類號(hào)：X851;TP212? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）05-0055-04

Research and Test of Micro PM2.5 Sensor

LIU Tingting

（Tianjin University of Technology and Education，Tianjin? 300222，China）

Abstract：Recently，due to the increasingly severe air pollution，the air quality has attracted peoples attention. With the rapid development of technology，micro dust sensors are widely used in a variety of civil equipment. Their appearance makes us intuitively understand the real-time air quality state. In order to understand the performance of these sensors and the authenticity of measurement data of PM2.5 products，we use professional instruments and equipment to simulate and test four brands of micro dust sensors （PM2.5 sensors） to evaluate whether they are suitable for use in aerosol，dust workshop and urban environment.

Keywords：micro dust sensor;PM2.5 sensors;aerosol;air pollution

0? 引? 言

隨著技術(shù)的快速發(fā)展，微型PM2.5粉塵傳感器廣泛應(yīng)用于各種家電設(shè)備中，雖然這些微型粉塵傳感器性能不能與專業(yè)儀器相比，但是可以清楚地讓人們了解到周圍的空氣質(zhì)量，幫助人們及時(shí)做好預(yù)防措施。微型粉塵傳感器測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)空氣質(zhì)量的判斷有著決定性的作用。如果沒有專業(yè)設(shè)備和專業(yè)知識(shí)對(duì)這些傳感器進(jìn)行測試和驗(yàn)證，一旦傳感器可靠性不夠，其獲得的數(shù)據(jù)在很大程度上是不可信的。為了解這些傳感器的性能和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，同時(shí)給應(yīng)用廠家一個(gè)參考，作者選擇了四款主流的傳感器進(jìn)行測試，在實(shí)驗(yàn)室里利用氣溶膠發(fā)生器模擬了多種污染環(huán)境，為所研究課題提供了基礎(chǔ)理論和系統(tǒng)的專門知識(shí)，并對(duì)微型粉塵傳感器有了新的見解。

1? 傳感器介紹

1.1? 夏普粉塵傳感器GP2Y1010AU0F

該傳感器體積很小，沒有氣泵和風(fēng)扇采樣氣源，只是在傳感器中央設(shè)計(jì)了一個(gè)通孔用作空氣流動(dòng)。紅外發(fā)光二極管和光電接收管設(shè)計(jì)在通孔兩側(cè)。該傳感器結(jié)構(gòu)和電路非常簡單，價(jià)格便宜，但靈敏度和分辨率較差。

1.2? 神榮粉塵傳感器PPD42NS

該傳感器同樣沒有采樣氣源，它利用電阻加熱提供熱對(duì)流實(shí)現(xiàn)空氣流動(dòng)，但是這種方法產(chǎn)生的氣流非常弱，并且只能水平放置測量。發(fā)光二極管和光電接收管設(shè)計(jì)成45°，當(dāng)有顆粒通過時(shí)產(chǎn)生45°的反射光到接收管。傳感器輸出采用數(shù)字脈寬調(diào)制信號(hào)，雖然測量間隔可以小于1秒，但是穩(wěn)定性不夠，所以該傳感器不建議用在快速測量的應(yīng)用中。

1.3? 攀藤粉塵傳感器PMS1003

該傳感器采用激光管作為光源，一個(gè)小風(fēng)扇提供氣源，利用光反射原理采集電信號(hào)。傳感器輸出三種粒徑范圍的PM值信號(hào)，分別是PM1.0、PM2.5和PM10，并且還可提供六種粒徑的顆粒物數(shù)量濃度（PNC），分別為0.3、0.5、1.0、2.5、5.0和10.0 μm。

1.4? 宏瑞粉塵傳感器PSM-305

該傳感器采用激光散射原理，并且在腔體內(nèi)設(shè)計(jì)了反光鏡，風(fēng)扇提供采樣動(dòng)力。傳感器同樣提供三種PM值數(shù)據(jù)，分別是PM1.0、PM2.5和PM10，并且提供三種粒徑的顆粒物數(shù)量濃度（PNC），分別為0.5、1.0和2.5 μm。

2? 測試環(huán)境

測試分為兩部分，一個(gè)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室，在實(shí)驗(yàn)室模擬不同的環(huán)境溫濕度，溫度23℃～60℃，濕度45%～90%，除了環(huán)境氣溶膠顆粒外，我們還選擇了兩種不同平均粒徑的燃燒氣溶膠，香煙煙霧（100 nm）和點(diǎn)燃火柴（50 nm）的排放，我們稱為“火柴排放”。火柴排放的粒子大小和組成與車輛排放物相似，并且在實(shí)驗(yàn)室中更容易實(shí)現(xiàn)。另外我們還測試了混凝土粉塵氣溶膠，其中大部分顆粒大小在微米范圍內(nèi)。另一個(gè)測試在室外，選擇在市中心的繁忙路口，主要污染來自汽車尾氣，PM2.5濃度范圍為5 μg/m3～20 μg/m3左右。

3? 測試結(jié)果與討論

3.1? 夏普和神榮傳感器

圖1～圖3是夏普和神榮傳感器在三種類型的氣溶膠下的測試結(jié)果。測試方法：將傳感器放入測試腔內(nèi)，產(chǎn)生PM2.5濃度約1 mg/m3的氣溶膠，關(guān)閉發(fā)生后開始測量，經(jīng)過1小時(shí)～2小時(shí)衰減至最低值為止。圖1（a）、圖2（a）和圖3（a）顯示了三種類型的氣溶膠與粉塵儀讀數(shù)的線性相關(guān)性，最大值為1 mg/m3。高濃度時(shí)，兩種傳感器在這幾種類型的氣溶膠里PM響應(yīng)都很好，線性回歸系數(shù)R2在0.85～0.99之間。但是當(dāng)PM2.5濃度降至100 μg/m3以下時(shí)，響應(yīng)變得越來越差（如圖1（b）、圖2（b）和圖3（b）所示）。還有一點(diǎn)，在混凝土粉塵PM2.5濃度高于約600 μg/m3時(shí)，傳感器輸出信號(hào)處于飽和狀態(tài)（如圖3（a）所示）。

3.2? 攀藤和宏瑞傳感器

攀藤傳感器在三種類型的氣溶膠里，PM2.5濃度在200 μg/m3～850 μg/m3范圍內(nèi)反應(yīng)非常好，如圖4（a）、圖5（a）和圖6（a）所示。傳感器讀數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)PM2.5濃度非常吻合（R2=0.99）。在低濃度（PM2.5濃度低于20 μg/m3），吻合度仍然非常好（R2=0.95）。與攀藤傳感器一樣，宏瑞傳感器在中高濃度下的靈敏度和吻合度都還不錯(cuò)，但在濃度小于20 μg/m3以下吻合度欠佳，校正系數(shù)在5倍～10倍之間，但是宏瑞傳感器的讀數(shù)比攀藤傳感器的讀數(shù)更寬。在PM2.5濃度大于20 μg/m3時(shí)，傳感器對(duì)濃度響應(yīng)很好，R2=0.99（如圖4（b）所示）。對(duì)煙霧顆粒（如圖5（b）所示）和混凝土粉塵（如圖6（b）所示）的反應(yīng)也很好，R2值在0.97～0.99范圍內(nèi)。

4? 不同溫度下的性能

在所有的傳感器中，夏普傳感器對(duì)溫度最敏感，在室溫23℃～50℃范圍內(nèi)線性增加約50%。在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，神榮傳感器的輸出相對(duì)好一點(diǎn)，線性增長率約為5%。攀藤傳感器溫度在45℃以下保持穩(wěn)定，在45℃～65℃之間線性增加約為20%。宏瑞傳感器穩(wěn)定溫度達(dá)到50℃時(shí)，在更高溫度下讀數(shù)升高。

5? 結(jié)? 論

結(jié)果表明，神榮和夏普傳感器只適合在高濃度和大顆粒粒子環(huán)境下使用，比如霧霾、沙塵暴或煙霧環(huán)境中，不適合在干凈環(huán)境或超細(xì)顆粒環(huán)境下使用;攀藤和宏瑞傳感器適用于普通家庭生活環(huán)境，攀藤和宏瑞傳感器的線性響應(yīng)可以低至約

5 μg/m3，R2>0.7。在PM2.5濃度相對(duì)較高，即50 μg/m3以上的環(huán)境中，四種傳感器都可以使用（R2>0.90），比如環(huán)境污染的大城市，工地和交通繁忙的路口等。所有的傳感器對(duì)于大型燃燒氣溶膠都比小型氣溶膠要好，但是攀藤傳感器對(duì)混凝土粉塵響應(yīng)表現(xiàn)一般，例如監(jiān)測沙塵暴中的PM2.5濃度。

在空氣溫度隨時(shí)間變化的情況下，夏普傳感器不適合使用，因?yàn)槠漭敵鰧?duì)溫度變化過于敏感，其他三種傳感器基本不受環(huán)境溫度影響，溫度最高達(dá)50℃左右。在高濕環(huán)境下，夏普和神榮傳感器在相對(duì)濕度低至75%的時(shí)候開始出現(xiàn)偏離，宏瑞傳感器表現(xiàn)良好，達(dá)到92%，攀藤最佳達(dá)到97%。

雖然每種類型的傳感器都可以用在某些場合，但沒有適用于所有應(yīng)用的傳感器。每種傳感器都有自己的特點(diǎn)，都可以在不同的應(yīng)用中找到合適的位置，對(duì)于特定的應(yīng)用，傳感器的選擇應(yīng)基于對(duì)應(yīng)用最關(guān)鍵的特性要求。希望本研究能給選型用戶一些參考價(jià)值。

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作者簡介：劉婷婷（1984.12-），女，漢族，江蘇徐州人，本科，助理講師，研究方向：電氣控制、儀器儀表。