低成本光散射颗粒物传感器性能影响因素综述

吴 丹，张国城，赵晓宁

（北京市计量检测科学研究院，北京 100029）

1 引言

“雾霾”、“灰霾”已经逐渐成为了公众谈虎色变的词汇，空气污染中的细颗粒物（PM10和PM2.5）能通过呼吸进入人体肺部，甚至能通过血液循环进入身体的每一个部分，严重影响人体健康，因而成为了近年来广泛关注的问题［1］。准确实时地监测颗粒物污染状况是政府对空气污染管控的基础，也是公众对空气污染认知的窗口。目前，美国联邦参考方法即滤膜称重法无法实现连续监测，且对操作人员的技术以及仪器设备的要求和监测成本都很高；而针对连续监测的美国联邦等效方法通常需要较为精密的连续监测仪器，且该类价格高昂的仪器必须在环境条件进行严格控制的空间中运行，并定期进行大量的监督和维护［2］。此方法的高成本严重限制了空气细颗粒物监测仪在世界范围内的广泛应用，因而，官方权威空气质量监测数据缺乏空间意义，可能不代表实际空气污染情况。

为了全方位、多维度，且尽可能多的对环境空气中颗粒物浓度进行连续实时监测，基于光散射原理的低成本的颗粒物传感器应运而生，该类传感器的价格仅仅是美国联邦参考监测仪的（1～10）%。除此之外，该类传感器体积小、重量轻、电力驱动要求低等优势使其成为为政府、研究机构以及公众针对空气污染情况时空分布认知和监控的潜在重要手段。

值得注意的是，低成本制造在降低成本的同时，忽视了数据处理、仪器校准和维护、更新换代等方面的成本［3］；此外，传感器质量、传感器监测数据的可靠性、长期稳定性等性能参数会受到一定程度的质疑。因此，前期有很多研究者针对现有低成本传感器的性能进行了探索。但由于目前国内缺乏针对该类低成本传感器的相关检测标准，研究者们的检测参数不同、检测方法存在差异，导致检测结果和数据不具有可比性和科学性，甚至出现相悖的结论。本文通过对低成本颗粒物传感器已有的研究成果进行综述，为该类传感器性能的提升以及计量评价体系的建立提供合理化建议。

2 颗粒物传感器

“低成本”没有一个普遍认同的定义，但任何低于符合空气质量规定所需的仪器成本的东西都可以被称为低成本，因而是一个相对的概念［4］。美国环境保护署认为低于2500美元的设备为低成本［3］，也有研究者的研究中将10～100美元左右的传感器组件、节点或平台认为是“低成本”［4］，而本文则针对10～50美元左右的颗粒物传感器组件进行概述。

2.1 传感器类型

目前该类低成本传感器的厂家主要有英国的Alphasense、美国的Dylos、中国的Nova和Plantower、日本的sharp和Shinyei、韩国的Samyoung等，具体型号及相关性能指标如表1所示。

此外，随着市场巨大的需求，越来越多小型厂家也进入到低成本传感器的研发制造中，表1中主要列举了目前市面上主要厂家的产品。传感器类型众多，每种类型的传感器检测的量程范围、检测的内容、粒径通道等功能也存在差异。2015年国务院办公厅发布了《生态环境监测网络建设方案》要求全面设点，完善生态环境监测网络，其中，大气环境监测首当其冲。由于传统大气环境监测仪器的高成本和难运维，不适用于全国范围内的网格化布点，从而给该类低成本颗粒物传感器的广泛应用创造了条件。

表1 主要厂家的低成本颗粒物传感器列表Tab.1 List of low-cost particulate matter sensors from major manufacturers

2.2 传感器的监测原理

该类低成本颗粒物传感器采用光散射原理检测颗粒物浓度，主要通过检测激光打在颗粒物上的散射光强，计算出颗粒物浓度。即是说，光学类传感器并不能像以重量法为原理的监测仪一样直接得出颗粒物的质量浓度，而是通过将特定时间（又称低脉冲占用时间）内得到的“颗粒物个数”经算法转换成近似“颗粒物质量浓度”，因而会受到颗粒物反射、密度和稀释特性的影响。也正因如此，低成本颗粒物传感器具有一定程度“识别”不同粒径颗粒物的能力。

光散射原理的粒径识别功能主要通过设定不同的电压阈值，例如P1和P2，并通过单分散的两种球形颗粒物的电信号赋予P1和P2两个电压阈值以特定的粒径识别点，如图1所示［4］。因而，当一群颗粒物进入到检测区域时，在限定的低脉冲占用时间内，通过不同电压阈值的响应情况来识别颗粒物的粒径大小，从而实现不同粒径颗粒物浓度的监测。但有两个局限性，其一是P1和P2两个阈值电压与电源电压有关，当电源电压发生变化时，特别是低频时，P1和P2的低脉冲占用时间很容易发生变化，这种变化与颗粒物数量和大小无关；其二，如图1（b）所示，脉冲大小只是一个近似值，因为传感器无法区分同一组中不同大小的两个或多个粒子，因此，需要使用算法来进一步估算粒子浓度［5］。

图1 光散射颗粒物监测仪测定原理（以Shinyei为例）Fig.1 Principle of light scattering particulatematter monitor（Shinyei for example）

3 传感器的影响因素

低成本传感器受到其原理和成本的限制，在实际使用过程中存在较大问题。因此，很多研究者通过对低成本传感器在不同时空差异、环境条件下的检测限、精确性、重复性、再现性、稳定性、与标准参考监测仪的相关性等性能进行了对比研究。

3.1 仪器基本性能

仪器本身的基本性能包括检测限、准确性、重复性、重现性、线性响应、稳定性等。

3.1.1 检测限

检测限是指仪器能检测到的最低浓度，有别于零浓度，可以估计为零污染浓度下传感器输出的标准差的3倍。研究者们针对低成本传感器检测限的研究发现，不同的传感器检测限有较大差异，能低至1μg／m3，也能高达27μg／m3。即使是27μg／m3的检出限也是远远低于欧盟标准的，这可能归结于在计算检测限时，没有考虑校准曲线本身截距所造成的影响［4］。Zikova等［6］发现，当环境浓度低于仪器检测限（10μg／m3）的时，低成本颗粒物传感器的监测浓度偏差和精度会受到较大影响，因此不适合背景浓度测量和清洁环境下的测量。

3.1.2 重复性和重现性

重复性和重现性都是指仪器在相同测试条件下，测量示值的离散程度。不同的是，重复性是指同一台仪器在相同条件下监测时示值的离散度；而重现性是指不同仪器在使用同一套计算模型时示值的离散程度。

重复性的测量对于尘源的稳定性有一定的要求，因此准确的测量会有一定的难度。有研究者发现重复性在颗粒物浓度较低时会相对较低，这可能与检测限和最佳浓度测量范围有关［7］。

对于重现性，有不少研究表明大批量使用低成本传感器时，需要进行逐个校准，说明传感器本身的重现性较差，但经过校准后，传感器的重现性有了明显提升［4，8］。也有研究者发现环境条件下，Speck传感器在低浓度条件下具有良好的重现性，因而具有成为空间分布测量仪器的巨大潜力［6］。此外，在实验室研究中，Manikonda等［9］探讨了不同尘源（香烟、亚利桑那尘）时，量化重现性的均一化均方根误差（nRMSE）值。尘源为亚利桑那尘时要远远高于香烟尘源。此外，传感器的重现性可能会因为传感器区域中粒子的积累而恶化，粒子越大越容易积累，因此亚利桑那尘会更容易影响传感器的重现性。

3.1.3 线性响应

Wang等［7］以SidePak（TSIinc.）作为参比，研究了Shinyei PPD42NS、Samyoung DSM501A和Sharp GP2Y1010AU0F这3种基于光散射原理的传感器，研究发现它们与参比仪器在颗粒物浓度范围为0～1 000μg／m3内线性响应较好，R2均大于0.891 4；当浓度再高时，线性响应较差，说明线性度依赖于监测的颗粒物浓度范围。此外，Manikonda等［8］发现Dylos监测仪与参比仪器呈非线性关系，其原因可能是Dylos为双通道监测仪，PM2.5颗粒计数近似于将＞0.5μm通道减去＞2.5μm通道中的颗粒数，从而造成了与参比仪器间的非线性关系；而针对单通道的Speck、TSI AirAssure和UB AirSense传感器则于参比仪器间有较强的线性响应。整体来说，光散射原理的低成本传感器与标准参比仪器的监测数据间有较强的线性相关性，但当监测的颗粒物浓度范围超过了传感器量程，或者是受到一定的数学模型计算的影响，或者环境因素变化时，可能会造成传感器的线性响应问题［10～12］。

3.1.4 稳定性

低成本传感器的稳定性对于环境空气监测来说是一个极度重要的性能参数，它表明传感器在一个相对长的时间范围内性能处于一个相对稳定和良好的状态，监测的数据具有有效性［4］。Jiao等［13］对低成本传感器进行了为期2～6个月的稳定性测试，发现当把天数作为一个变量因子时，低成本传感器的调整后R2会增加，这可能是由于传感器的老化和（或）灰尘聚集影响了传感器的响应，但天数很可能不是影响传感器稳定性的唯一影响因素。Sayahi等［13］针对攀藤的3款传感器进行了为期320天的长期稳定性研究，发现季节会影响传感器的性能，包括不同信号的传感器和同一型号的不同传感器均会因为春季和冬季交替而表现出一定的传感器内变异性。已有的研究结果说明目前低成本传感器在长期使用过程中，其性能稳定的保障性较弱，容易受到环境变化的影响，因此，需要对低成本传感器进行定期的校准和更换，才能保证实际监测数据可靠。

3.2 仪器测量准确性的影响因素

准确性是指监测仪器测量示值与“真实值”（一般以标准参考值代替）间的差别。传感器的准确性是评价传感器最基础，但也是最重要的性能指标；同时，也是影响因素最多的一个性能指标，包括被测颗粒物的种类及粒径大小等性质、环境温度、环境相对湿度、气象参数等方面。

3.2.1 颗粒物性质的影响

低成本颗粒物传感器采用的光散射原理就决定了它的监测数据会受到颗粒物性质的影响，颗粒物的成分和粒径大小都对其监测数据有较大影响。

（1）颗粒物种类

对于不同厂家的低成本颗粒物传感器，研究发现不同传感器的监测数据高度依赖于粒子成分和粒径大小，能产生数10倍的差异［7］。这主要是因为不同材质的折射系数不同，在一定程度上影响光散射原理监测颗粒物浓度。颗粒物的折射率分为实部和虚部，有机成分因其碳碳键间储存的能量，对光有较大程度的吸收；而无机成分则对光几乎没有吸收，也就是说虚部的折射率趋近于0［15］。不同材质的颗粒物，尤其是实际环境监测时，其有机和无机成分的比例均不相同，因而，要准确监测颗粒物浓度则需要对实际监测的材质成分有针对性的校准［8］。Zamora等［12］将3类攀藤的颗粒物传感器暴露于8种颗粒物源，分别是熏香、油酸、NaCl、滑石粉、烹饪排放物和不同粒径大小的单分散聚苯乙烯乳胶球。研究发现PM2.5传感器的精度较高，R2值对所有来源均大于0.86，但与参考仪器相比，其精度在13％至90％以上。

Bulot等［10］对比了Alphasense OPC-N2、Plantower PMS5003／7003、Honeywell HPMA115S0与附近背景站的传感器读数，发现在1年的统计时间内，低成本颗粒物传感器与参比仪器的相关性适中至较好（0.61＜r＜0.88，p＜0.0001），但低成本传感器性能会随不同颗粒物源和背景浓度而变化，相对湿度和温度变化较小，这会限制该类传感器的应用范围。

（2）粒径大小

Wang等［7］发现低成本颗粒物传感器的输出随着颗粒物粒径的增大而增大，而参比仪器SidePak则呈现相反的趋势。此外，不同厂家的低成本颗粒物传感器对不同粒径颗粒物的灵敏度也有较大差异。这主要是因为各类仪器采用的光源不同，从成本和安全性角度考虑，低成本颗粒物传感器多采用红外光源，其波长为870～940 nm之间，而价格较高的参比仪器则采用了波长为670 nm左右的激光作为光源。虽然这两种不同光源都属于Mie系统（Mie regime），但颗粒物粒径大小与光源波长的关系表明基于光散射的颗粒物传感器更接近于瑞利模式（Rayleigh regime）。当颗粒物粒径＜1μm时，攀藤颗粒物传感器的准确度最高，而当粒径在2.5～5μm范围时颗粒物传感器精度较差；此外，在环境监测状态下，当颗粒物为多分散时，传感器的监测准确度最高［12］。

3.2.2 环境因素的影响

环境因素除了影响传感器本身以外，还会影响其监测环境的状态，包括颗粒物湿度、分散度、颜色等。因而，实际环境对传感器准确性的影响是一个复杂多因素影响的综合结果，所以，对其进行合理的评价和校准具有重要意义。

（1）相对湿度

相对湿度会在多方面影响颗粒物传感器。首先，水自身的折射率决定了对红外光的吸收，会导致光电二极管接收到的折射光强较弱，从而过高的估计颗粒物浓度；其次，高浓度的水蒸气可能导致颗粒传感器电路故障，导致测量结果有偏差。而价格较高的参比仪器多有除湿功能，会对颗粒物进行干燥，从而使得参比仪器不再具有“参比”意义。Wang等［7］发现在相同的颗粒物浓度状态下，颗粒物传感器和参比仪器均随着相对湿度的增加而降低，且是上述湿度因素影响后的综合结果。Magi等［16］对PA-II PM2.5进行了为期16个月的环境试验，将相对湿度分为4个阶段，分别为0～40%、40～60%、60～80%、80～100%，同时将处于相应湿度范围内的所有检测数据进行平均，发现随着相对湿度的增加，数据的偏差越大，并通过多元线性回归模型对PA-II PM2.5的监测数据进行修正，使PA-II PM2.5数据的准确率提高了27～57%，其中相对于中、高相对湿度，PA-II PM2.5数据的准确率提高幅度最大。说明传感器的准确性强烈依赖于相对湿度（RH），当相对湿度＞50%时传感器精度下降。相对湿度虽然是一个综合影响因素，但在以往的研究中也表明能通过一定的方法优化后，在一定程度上提高低成本颗粒物传感器监测数据的准确性［16］。

（2）温度

相比于湿度来说，温度对颗粒物浓度的检测结果几乎没有影响，这主要是因为温度对光散射和光的吸收影响不大。虽然从理论上来说，温度影响不大，但从目前的研究结果发现，温度在一定程度上也是会影响传感器测量准确度。

出现上述相悖结论的原因可能是温度的变化会在一定程度上影响传感器的电路等硬件方面的性能，从而引起轻微的测量误差。Wang等［7］发现温度在5～32℃变化范围内，传感器的输出比率变化范围为1.2～1.6，相比于相对湿度成倍的影响情况，认为温度对传感器输出影响相对较少。但会在极端温度环境下影响颗粒物浓度的测定，例如有些颗粒物传感器（PPD、DSM等）中颗粒上升气流的流速是由热电阻与环境之间的温差决定的［7］。Olivares等［17］报道，基线点传感器的响应线性与温度成正比。然而，同一位主要作者后来报告说，这种线性关系可能是因为温度影响被测粒子，而不是因为它影响传感器［18］。攀藤颗粒物传感器能够在低温、高温和运动时产生有意义的数据表明温度对其影响不大［11］。

总体而言，场地研究得出的一致结论为低成本传感器的测量结果不受温度变化的影响。这与实验室研究的结论相悖，其主要原因可能在于调查环境不同，在现场调查中，无法控制所有可能影响传感器测量结果的变量，因此不能推断出因果关系。

（3）其他气象参数的影响

不同传感器之间的准确性差异，可归因于不同的波长、光源和探测器的方向，粒子从入口到传感器的传输模式，以及不同仪器的空气流量等因素。测试的单元数相对较少（13个）也可能影响结果［9］。风等环境因素会影响颗粒物传感器的性能，另一方面来说，该类传感器可以跟踪污染的短期事件，特别是结合风的数据，因而可以在适当考虑复杂环境因素情况下，低成本PM传感器可能适用于没有或不可行的参考标准设备的PM监测，并且它们可能在研究空气中PM浓度的空间局地性方面有用［10］。

4 结论

低成本传感器因其巨大的价格、体积等优势，被广泛地应用于包括扬尘在线监测仪、微型空气监测站等的综合性监测系统内，直接参与我国生态环境监测网络的建设，助力我国大气污染区域精细化管理。

目前，商用低成本传感器的规格在许多情况下使用有限，因为它们通常没有进行足够的测试，覆盖所需的应用范围。为解决这一差距，一些研究人员或政府组织对实际传感器／监测性能进行了评估，以适应特定的使用模式和应用环境［4，6，8，10～12，14，16，19～21，24］。然而，不同的评估是如何进行的，以及他们的发现在多大程度上具有可比性，都存在着可变性，因此很多的研究会出现相悖的结论。

美国等发达国家、政府与企业合作出台了针对低成本传感器评价的一般指南，但大多针对气体类传感器，对颗粒物传感器关注度还不够。其中美国的一个针对低成本传感器的指南里对传感器的线性、准确性、精度、响应时间、检出限、监测范围、温度和相对湿度（RH）的影响、共污染物干扰等性能的评价方法和内容进行了规定，同时针对低成本传感器需要进行实验室评价和实际环境评价两部分，并详细阐述了实施流程［22，23］。

但我国对于低成本颗粒物传感器方面的评价指南、标准规范等均处于空白，导致了颗粒物传感器的市场乱象，严重影响我国大气污染防控项目的开展。因此，在充分调研市场上低成本颗粒物传感器的种类和特性后，针对不同应用场景和类型的低成本传感器开展有针对性的性能评价，确定评价必要的性能参数，探索科学合理的评价方法，最终发布相应的检测标准、校准规范等文件，规范我国低成本传感器的市场，提高低成本传感器的监测准确性、环境适应性、深度挖掘和提高低成本颗粒物传感器的优势功能，对我国实现大气污染网格化监测有重要意义。