季康樂（青田縣環(huán)境監(jiān)測(cè)站,浙江 青田323900）

利用光散射原理的低成本粉塵傳感器的應(yīng)用

季康樂
（青田縣環(huán)境監(jiān)測(cè)站,浙江 青田323900）

摘 要：本文介紹了幾種利用光散射原理的低成本粉塵傳感器，探討了其工作原理，系統(tǒng)組成，應(yīng)用實(shí)例。關(guān)鍵詞：光散射；粉塵傳感器；應(yīng)用實(shí)例

0 引言

近年來，空氣質(zhì)量成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)話題，很大程度上是由于各地“霧霾”天氣時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響了公眾的生活出行和身體健康。粉塵是形成“霧霾”天氣的主要成因，其中直徑小于等于10μm的顆粒物稱為可吸入顆粒物（PM10），直徑小于等于2.5μm的顆粒物稱為細(xì)顆粒物（PM2.5）[1]。這些微小的粉塵會(huì)吸附大量毒有害化學(xué)物及細(xì)菌病毒等微生物，并能隨呼吸進(jìn)入人體呼吸道，刺激人的鼻黏膜、支氣管黏膜等敏感部位，甚至?xí)晃氲椒尾?，?huì)引發(fā)包括哮喘、支氣管炎和心血管病等方面的疾病[2]，對(duì)人們的身體健康產(chǎn)生極大影響。所以對(duì)粉塵特別是PM10和PM2.5的準(zhǔn)確快速測(cè)量對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作有著重大意義。

本文介紹的幾種利用光散射原理的粉塵傳感器，體積小巧，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，成本低廉，并具有較好的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。可廣泛應(yīng)用于各種家用粉塵監(jiān)測(cè)設(shè)備、空氣凈化器、空調(diào)等設(shè)備之上，使其能夠提供粉塵濃度監(jiān)控的功能，使用戶更加實(shí)時(shí)直觀地了解室內(nèi)空氣質(zhì)量情況。

1 常見粉塵傳感器介紹

目前市面上常見的光散射原理粉塵傳感器有：通用電氣公司的SM-PWM-01A粉塵傳感器、神榮公司的PPD4NS灰塵傳感器、Syhitech公司的DSM501灰塵傳感器、夏普公司的GP2Y1010AUOF粉塵傳感器等。上述傳感器模塊設(shè)計(jì)體積約為60mm×45mm×20mm，內(nèi)置加熱器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)吸入空氣，可以檢測(cè)粒徑大于1μm的粉塵顆粒，采用直流供電，PWM脈寬調(diào)制輸出，可以得到粉塵顆粒濃度（pcs/ ml）或質(zhì)量濃度(mg/cm3)。

2 工作原理

光散射粉塵傳感器是根據(jù)微粒在光源照射下會(huì)產(chǎn)生光散射的原理進(jìn)行工作的，首先加熱系統(tǒng)會(huì)加熱傳感器腔體中的空氣，使環(huán)境空氣連同其中的粉塵顆粒以一定的流速緩緩?fù)ㄟ^傳感器腔體內(nèi)的通道，形成一個(gè)均勻的粉塵顆粒場(chǎng)，同時(shí)光源以一束平行單色光入射到腔體內(nèi)的顆粒場(chǎng)，受到顆粒周圍散射和吸收的影響，一部分入射光線的照射角度會(huì)發(fā)生偏移，進(jìn)而被與入射光源有一定角度的檢測(cè)器所檢測(cè)到，由于散射光的量較少，一般檢測(cè)器前端會(huì)安裝濾鏡，使更多的散射光會(huì)聚到檢測(cè)器上，而檢測(cè)器后端則可加入信號(hào)放大器，進(jìn)一步加強(qiáng)信號(hào)。檢測(cè)器檢測(cè)到的光信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)化輸出電信號(hào)，而顆粒物濃度和電信號(hào)強(qiáng)弱成正比，通過測(cè)得電信號(hào)就可以計(jì)算粉塵顆粒的濃度。其結(jié)構(gòu)和原理圖見圖2。

3 應(yīng)用實(shí)例

由于光散射原理粉塵傳感器的體積小巧，成本低廉，外圍硬件要求少，開發(fā)門檻低，可嵌入到其他設(shè)備等優(yōu)良特征，使其可廣泛應(yīng)用于環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)相關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域。如一些高端空氣凈化器和空調(diào)設(shè)備產(chǎn)品中，可嵌入該類粉塵傳感器構(gòu)成的實(shí)時(shí)PM2.5濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，直觀反映空氣凈化設(shè)備的凈化效果，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)控制空氣凈化器和空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)[3]。光散射原理粉塵傳感器還可以配合溫濕度傳感器、有機(jī)廢氣傳感器、甲醛傳感器等，開發(fā)出小型家用空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀，可作為新裝修房屋、廚房、臥室等場(chǎng)所空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的便攜設(shè)備，為用戶實(shí)時(shí)提供室內(nèi)空氣質(zhì)量信息。段廣運(yùn)[4]等還利用夏普GP2Y1010AU0F粉塵傳感器和單片機(jī)，設(shè)計(jì)了一套能智能檢測(cè)粉塵濃度，并據(jù)此自動(dòng)控制環(huán)衛(wèi)掃路車灑水量的系統(tǒng)，該系統(tǒng)能極大程度的減少清掃過程中的揚(yáng)塵，提高了掃路車的清掃能力和清掃效果。

4 結(jié)論

利用光散射原理的低成本粉塵傳感器憑借其優(yōu)良的特征，應(yīng)用于空氣凈化設(shè)備、室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、除塵灑水設(shè)備的智能控制等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB3095-2012.環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]肖德玲,袁琪,岳銳.可吸入顆粒物的危害及其凈化技術(shù)[J].潔凈與空調(diào)技術(shù),2011.

[3]孫濱,姜傳林,陳元勇. 基于光學(xué)粉塵傳感器的車載空氣凈化裝置設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù),2013.

[4]段廣云.環(huán)衛(wèi)掃路車粉塵含量的智能檢測(cè)與控制[J].青海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) ,2013.