PM2.5傳感器運用了什么“黑科技”？

現(xiàn)在，不只是中國，全球的空氣污染（PM2.5）都越來越嚴(yán)重。比如，據(jù)英國衛(wèi)報、BBC等新聞媒體報道，在歐洲，當(dāng)空氣污染處于高峰時，法國巴黎甚至?xí)Ｖ菇煌ㄟ\行；新加坡的空氣污染也創(chuàng)歷史新高；印度的空氣污染甚至比中國還要嚴(yán)重。

據(jù)2016年世界衛(wèi)生組織對疾病揭露與負擔(dān)的全球評估，迄今為止，空氣污染——環(huán)境（室外）和家庭（室內(nèi)）——是對健康最大的環(huán)境風(fēng)險，每年約有九分之一的死亡均由此引起，只有十分之一的人生活在符合世界衛(wèi)生組織空氣質(zhì)量指南的城市中。

從空氣污染的全球分布來看，北美和歐洲的空氣質(zhì)量較好，印度和中國最差，而在中國，又是北邊比南邊差。中國近年來的狀況不太好，受PM2.5的影響很大，因此我們有必要去改善環(huán)境，而要改善環(huán)境則首先要量度。

現(xiàn)在，PM2.5（細顆粒物）傳感器的應(yīng)用已有很多，很多公司都推出了這類傳感器。日前，全球傳感器專家盛思銳（Sensirion）也推出了一款SPS30 PM2.5傳感器。那，這家公司為什么會比競爭對手“慢半拍”呢？原因是他們想要做一個更好的產(chǎn)品，而不是做一個人有我也有（“Me-too”）的產(chǎn)品——它解決了一個PM2.5傳感器客戶普遍投訴的大問題，即長期穩(wěn)定性問題。里面用到了什么“黑科技”？

什么是顆粒物？

日前，在盛思銳SPS30 PM2.5傳感器發(fā)布會上，該公司大中華區(qū)總經(jīng)理李錦華（Echo Li）告訴記者，顆粒物是空氣中固體顆粒和液滴的混合物。人若吸入顆粒物，會導(dǎo)致嚴(yán)重的健康問題。顆粒越小，就越容易通過呼吸滲入呼吸系統(tǒng)，進入血液。歷史上，顆粒物的數(shù)值用μg/m3測量。

圖片右下角是一個顆粒物的示意圖。圖上那根長的是一根頭發(fā)，左邊的三顆是沙子，圍繞在頭發(fā)周圍的小藍球是PM10顆粒物，而將它放大來看，其直徑等于四個PM2.5（小紅球）之和。

顆粒物：局部分布考慮

在室內(nèi)環(huán)境中，顆粒物很常見，例如噴霧和煙霧（香煙、蠟燭、香）。這些懸浮顆粒物在幾厘米內(nèi)的濃度差異可達50%或更高。在室外環(huán)境，即使在穩(wěn)定環(huán)境中，局部差異（比如只隔一條街）也可能非常大。

李錦華再次強調(diào)說，盛思銳是制作傳感器的專家，不希望做Me too的產(chǎn)品，而是希望做更好、性價比更高的產(chǎn)品，不然一般都不會做。

“盛思銳研發(fā)出了一種創(chuàng)新的抗污染技術(shù)，具有很長的長期穩(wěn)定性——這是客戶最多投訴的一個問題。” 他透露，“很多競爭對手的產(chǎn)品可能在短期內(nèi)能夠達到某種程度的要求，但是從長期來看，就無法滿足客戶要求了，比如三四年后，信號就下降一半甚至更多。客戶要么就要做清潔，要么就要換產(chǎn)品，這就很耗時間，而且用戶體驗不好?！?/p>

然而，盛思銳的產(chǎn)品由于采用了這種創(chuàng)新技術(shù)，每天24小時持續(xù)運轉(zhuǎn)的情況下，使用壽命可超過八年（后面會介紹為什么能做到這樣長的壽命）。此外，它不需要清潔或維護，從而可避免傳感器漂移或故障問題。

該產(chǎn)品根據(jù)激光散射原理開發(fā)；可實現(xiàn)很高的分辨率和粒度分級（通過算法確定）。它封裝很小，因此也適合集成到小型消費類設(shè)備中。另外它提供全面校準(zhǔn)的數(shù)字輸出，以及UART和I2C接口，很易于使用。

基于激光的先進測量原理

市場上PM2.5傳感器所采用的光源主要有兩種：激光和LED。激光相對LED較貴，但其準(zhǔn)確率卻要高很多。由于激光束聚焦在小范圍內(nèi)（這樣才能全部打在顆粒物上而做到全部散射），而LED的光斑大大超過顆粒物大?。o法做到全部散射），因此激光的信噪比會比LED高很多，LED無法做到PM2.5的精確測量。

下面是SPS30與同是采用激光檢測的競品以及TSI8533參考（市場上有90%以上的客戶用它作參考。編者注：TSI8533粉塵儀是面向?qū)嶒炇翌愋偷?a href="http://ttokpm.com/v/" target="_blank">工業(yè)應(yīng)用，售價數(shù)萬元，而SPS30主要針對民用，兩者不沖突）的對比數(shù)據(jù)（上圖的顆粒物是氯化鉀，下圖是Arizona A1，即亞利桑那沙漠的沙子，很細），可以看出和競爭對手有很大差距，但和參考非常接近。

下圖是針對Arizona，SPS30和競品PM1和PM2.5質(zhì)量濃度準(zhǔn)確性的對比，可以看到SPS30與參考的偏差非常接近，而競爭對手的偏差分別接近50%和大于50%。

下圖是SPS30產(chǎn)品一致性的數(shù)據(jù)。

壽命考量

為什么盛思銳SPS30的工作壽命可以做到8年，而競爭對手的做不到？影響工作壽命的因素主要有兩個：元件壽命和灰塵。PM2.5傳感器中壽命最短、最容易損壞的兩個元件是風(fēng)扇和激光器。光學(xué)元件上的灰塵積聚會引起發(fā)光衰減。

那么這些問題怎么解決？首先要選用質(zhì)量好的風(fēng)扇和激光器。在風(fēng)扇和激光器的壽命保證超過八年的情況下，再來考慮怎樣去抗灰塵。

從用過一段時間的PM2.5傳感器的剖面圖來看，這里面很臟。但是SPS30激光通路這部分，上面卻很干凈（競品則同樣很臟）。這個革命性流道技術(shù)怎么做到的？具體細節(jié)由于盛思銳正在申請專利，不方便透露，但簡單來說，就是用潔凈的空氣去保護激光頭，如下圖所示。“這不是做個簡單的氣道那么簡單，我們有其他的專利在里面?！?他補充說。

另外是設(shè)備的老化情況。從圖中可以看出，SPS30相對競品隨時間的衰減小很多。“激光頭的衰減不可避免，但SPS30的衰減是可控的?！崩铄\華舉例說，“競爭對手的產(chǎn)品如果量度與之前的相差百分之一二十，可能相對還比較好。如果空氣質(zhì)量變差，傳感器就會觸發(fā)通風(fēng)系統(tǒng)，這樣我們就會感覺好很多。但如果空氣質(zhì)量變差到一定區(qū)間沒有被檢出（比如已到70%卻誤報成20%），該啟動通風(fēng)系統(tǒng)的時候沒有啟動（或開很小），那客戶的感覺就不舒服?！?/p>

PM2.5在北京現(xiàn)場的測試

有點悲哀，我們現(xiàn)在有很多人好像都不相信我們自己的PM2.5報告，而是相信北京美國大使館的報告。盛思銳是家瑞士公司，不能去美國大使館做測試，但可以跟瑞士政府商量，去瑞士大使館做測試（放在天臺，和美國大使館相隔1.4km，有可比性）。

從圖中可以看出，SPS30測量數(shù)據(jù)與美國大使館數(shù)據(jù)很相近（有小偏差很正常，因為不在同一位置）。

另外，SPS30封裝僅為40.6×40.6×12.2mm3，適合多種應(yīng)用（如HVAC暖通空調(diào)、溫度調(diào)節(jié)器、空氣凈化器等），很有競爭力，他最后表示。