微型PM2.5传感器研究和测试

摘  要：近年来，由于空气污染日益严峻，空气质量引起了大家的重视和关注。随着技术的快速发展，微型粉尘传感器广泛应用各种民用设备中，它们的出现让人们直观地了解到实时的空气质量状态。为了了解这些传感器的性能，了解PM2.5产品测量数据的真实性，利用专业的仪器和设备模拟测试了四种品牌的微型粉尘传感器（即PM2.5传感器），评估它们在气溶胶、粉尘车间和城市环境下是否适合使用。

关键词：微型粉尘传感器;PM2.5传感器;气溶胶;空气污染

中图分类号：X851;TP212      文献标识码：A 文章编号：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

隨着技术的快速发展，微型PM2.5粉尘传感器广泛应用于各种家电设备中，虽然这些微型粉尘传感器性能不能与专业仪器相比，但是可以清楚地让人们了解到周围的空气质量，帮助人们及时做好预防措施。微型粉尘传感器测量数据的准确性，对空气质量的判断有着决定性的作用。如果没有专业设备和专业知识对这些传感器进行测试和验证，一旦传感器可靠性不够，其获得的数据在很大程度上是不可信的。为了解这些传感器的性能和数据的准确性，同时给应用厂家一个参考，作者选择了四款主流的传感器进行测试，在实验室里利用气溶胶发生器模拟了多种污染环境，为所研究课题提供了基础理论和系统的专门知识，并对微型粉尘传感器有了新的见解。

1  传感器介绍

1.1  夏普粉尘传感器GP2Y1010AU0F

该传感器体积很小，没有气泵和风扇采样气源，只是在传感器中央设计了一个通孔用作空气流动。红外发光二极管和光电接收管设计在通孔两侧。该传感器结构和电路非常简单，价格便宜，但灵敏度和分辨率较差。

1.2  神荣粉尘传感器PPD42NS

该传感器同样没有采样气源，它利用电阻加热提供热对流实现空气流动，但是这种方法产生的气流非常弱，并且只能水平放置测量。发光二极管和光电接收管设计成45°，当有颗粒通过时产生45°的反射光到接收管。传感器输出采用数字脉宽调制信号，虽然测量间隔可以小于1秒，但是稳定性不够，所以该传感器不建议用在快速测量的应用中。

1.3  攀藤粉尘传感器PMS1003

该传感器采用激光管作为光源，一个小风扇提供气源，利用光反射原理采集电信号。传感器输出三种粒径范围的PM值信号，分别是PM1.0、PM2.5和PM10，并且还可提供六种粒径的颗粒物数量浓度（PNC），分别为0.3、0.5、1.0、2.5、5.0和10.0 μm。

1.4  宏瑞粉尘传感器PSM-305

该传感器采用激光散射原理，并且在腔体内设计了反光镜，风扇提供采样动力。传感器同样提供三种PM值数据，分别是PM1.0、PM2.5和PM10，并且提供三种粒径的颗粒物数量浓度（PNC），分别为0.5、1.0和2.5 μm。

2  测试环境

测试分为两部分，一个室内实验室，在实验室模拟不同的环境温湿度，温度23℃～60℃，湿度45%～90%，除了环境气溶胶颗粒外，我们还选择了两种不同平均粒径的燃烧气溶胶，香烟烟雾（100 nm）和点燃火柴（50 nm）的排放，我们称为“火柴排放”。火柴排放的粒子大小和组成与车辆排放物相似，并且在实验室中更容易实现。另外我们还测试了混凝土粉尘气溶胶，其中大部分颗粒大小在微米范围内。另一个测试在室外，选择在市中心的繁忙路口，主要污染来自汽车尾气，PM2.5浓度范围为5 μg/m3～20 μg/m3左右。

3  测试结果与讨论

3.1  夏普和神荣传感器

图1～图3是夏普和神荣传感器在三种类型的气溶胶下的测试结果。测试方法：将传感器放入测试腔内，产生PM2.5浓度约1 mg/m3的气溶胶，关闭发生后开始测量，经过1小时～2小时衰减至最低值为止。图1（a）、图2（a）和图3（a）显示了三种类型的气溶胶与粉尘仪读数的线性相关性，最大值为1 mg/m3。高浓度时，两种传感器在这几种类型的气溶胶里PM响应都很好，线性回归系数R2在0.85～0.99之间。但是当PM2.5浓度降至100 μg/m3以下时，响应变得越来越差（如图1（b）、图2（b）和图3（b）所示）。还有一点，在混凝土粉尘PM2.5浓度高于约600 μg/m3时，传感器输出信号处于饱和状态（如图3（a）所示）。

3.2  攀藤和宏瑞传感器

攀藤传感器在三种类型的气溶胶里，PM2.5浓度在200 μg/m3～850 μg/m3范围内反应非常好，如图4（a）、图5（a）和图6（a）所示。传感器读数与标准PM2.5浓度非常吻合（R2=0.99）。在低浓度（PM2.5浓度低于20 μg/m3），吻合度仍然非常好（R2=0.95）。与攀藤传感器一样，宏瑞传感器在中高浓度下的灵敏度和吻合度都还不错，但在浓度小于20 μg/m3以下吻合度欠佳，校正系数在5倍～10倍之间，但是宏瑞传感器的读数比攀藤传感器的读数更宽。在PM2.5浓度大于20 μg/m3时，传感器对浓度响应很好，R2=0.99（如图4（b）所示）。对烟雾颗粒（如图5（b）所示）和混凝土粉尘（如图6（b）所示）的反应也很好，R2值在0.97～0.99范围内。

4  不同温度下的性能

在所有的传感器中，夏普传感器对温度最敏感，在室温23℃～50℃范围内线性增加约50%。在这个温度范围内，神荣传感器的输出相对好一点，线性增长率约为5%。攀藤传感器温度在45℃以下保持稳定，在45℃～65℃之间线性增加约为20%。宏瑞传感器稳定温度达到50℃时，在更高温度下读数升高。

5  结  论

结果表明，神荣和夏普传感器只适合在高浓度和大颗粒粒子环境下使用，比如雾霾、沙尘暴或烟雾环境中，不适合在干净环境或超细颗粒环境下使用;攀藤和宏瑞传感器适用于普通家庭生活环境，攀藤和宏瑞传感器的线性响应可以低至约

5 μg/m3，R2>0.7。在PM2.5浓度相对较高，即50 μg/m3以上的环境中，四种传感器都可以使用（R2>0.90），比如环境污染的大城市，工地和交通繁忙的路口等。所有的传感器对于大型燃烧气溶胶都比小型气溶胶要好，但是攀藤传感器对混凝土粉尘响应表现一般，例如监测沙尘暴中的PM2.5浓度。

在空气温度随时间变化的情况下，夏普传感器不适合使用，因为其输出对温度变化过于敏感，其他三种传感器基本不受环境温度影响，温度最高达50℃左右。在高湿环境下，夏普和神荣传感器在相对湿度低至75%的时候开始出现偏离，宏瑞传感器表现良好，达到92%，攀藤最佳达到97%。

虽然每种类型的传感器都可以用在某些场合，但没有适用于所有应用的传感器。每种传感器都有自己的特点，都可以在不同的应用中找到合适的位置，对于特定的应用，传感器的选择应基于对应用最关键的特性要求。希望本研究能給选型用户一些参考价值。

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作者简介：刘婷婷（1984.12-），女，汉族，江苏徐州人，本科，助理讲师，研究方向：电气控制、仪器仪表。