颗粒物/粉尘传感器检测技术解析与应用

一、 核心检测原理

颗粒物/粉尘传感器主要基于以下物理原理工作：

  1. 光学散射法 (主流)：

    • 原理： 发射光源（通常为激光二极管或红外LED）照射通过采样气流的颗粒物。颗粒物使光线发生散射（包括前向、侧向、后向散射等）。探测器（光电二极管）在特定角度（如90°侧向）接收散射光信号。
    • 信号转换： 接收到的散射光强度与颗粒物的浓度、粒径分布及光学特性相关。传感器内部电路将光信号转换为电信号，再通过特定算法（需考虑粒径分布、折射率等因素）估算出颗粒物质量浓度（如 PM1.0, PM2.5, PM10）。
    • 特点： 响应速度快、可实时监测、技术成熟、成本相对可控，是便携式和在线监测设备的主流选择。

  2. 压电天平法 (微量振荡天平法)：

    • 原理： 颗粒物通过惯性冲击或静电等方式沉积在一个高频振荡的压电晶体谐振器表面。颗粒物质量增加导致谐振频率下降。
    • 信号转换： 精确测量频率变化量，即可直接计算出沉积颗粒物的质量。结合采样流量和测量时间，得到颗粒物质量浓度。
    • 特点： 测量精度高，被视为基准方法之一；但设备复杂、成本高、维护要求高，通常用于标准参考站或实验室。

  3. β射线吸收法：

    • 原理： 使颗粒物沉积在滤膜上。用低能β射线（如C-14）照射滤膜。沉积颗粒物会吸收部分β射线。
    • 信号转换： 探测器测量透过滤膜的β射线强度衰减量。衰减程度与沉积颗粒物的质量成正比，从而计算出质量浓度。
    • 特点： 测量直接、精度高、不受颗粒物光学特性影响；但涉及放射源，需特殊许可和管理，设备体积较大，维护复杂，常用于标准监测站。
 

二、 核心性能参数 (选型依据)

  • 测量范围： 传感器可准确测量的颗粒物浓度范围（如 0-1000 μg/m³）。
  • 分辨率： 能够检测出的最小浓度变化量（如 1 μg/m³）。
  • 精度与准确度：
    • 精度： 在相同条件下重复测量的离散程度（一致性）。
    • 准确度： 测量值与真实值或标准参考值的接近程度。受校准方法和环境影响显著。
  • 响应时间： 传感器输出达到稳定值90%所需的时间（T90），反映对浓度变化的跟踪速度。
  • 粒径切割特性： 传感器对不同粒径颗粒物的捕获效率（如 PM2.5 指空气动力学直径≤2.5μm的颗粒物）。切割特性决定了其测量的目标粒径范围。
  • 检出限： 传感器能够可靠检测到的最低浓度（通常为噪声水平的2-3倍）。
  • 零点漂移与量程漂移： 在无颗粒物或恒定浓度条件下，传感器输出随时间的变化程度，影响长期稳定性。
  • 环境适应性： 对温度、湿度变化的敏感度（温湿度补偿能力至关重要）。
  • 采样流量： 单位时间内通过传感器采样区的空气体积（如 1.0 L/min），需保持稳定。
 

三、 关键技术与挑战

  1. 环境干扰抑制：

    • 湿度干扰： 水蒸气在高湿环境下会冷凝或形成微小液滴，产生类似颗粒物的散射信号，造成显著正偏差。先进的传感器采用动态加热（加热采样气流至露点以上）、湿度补偿算法、双通道设计（参考通道测量背景散射）等技术进行抑制。
    • 温度影响： 温度变化影响光源输出、探测器灵敏度、气流特性等。需内置温度传感器进行实时补偿。
    • 气流扰动： 非均匀气流或湍流会影响颗粒物分布和光路稳定性，需优化气路设计（如迷宫式结构、稳流腔）。

  2. 粒径识别与浓度换算：

    • 散射光信号不仅与浓度有关，还强烈依赖于颗粒物的粒径分布和光学特性（折射率）。传感器通常基于预设的典型粒径分布和折射率模型进行浓度换算。当实际颗粒物特性偏离模型时，会引入误差。部分高端传感器尝试通过测量多个散射角度或结合其他原理来提高粒径识别能力。

  3. 校准与溯源：

    • 传感器出厂前需在标准测试条件下进行多点校准（通常在标准粉尘发生装置中进行）。
    • 现场使用时，为了获得更高准确度，尤其是与标准方法比对时，可能需要进行现场标定。
    • 确保测量结果的可溯源性至国家或国际标准至关重要。

  4. 长期稳定性与维护：

    • 光学窗口污染、光源老化、探测器性能漂移都会影响长期稳定性。
    • 需要定期清洁光学窗口（部分传感器带自动清洁功能）。
    • 建议根据使用环境和厂家要求进行周期性校准检查或返厂校准。
 

四、 广泛应用领域

  • 室内空气质量监测：