实验室评估和校准三低成本粒子传感器对颗粒状物质的测量外文翻译资料

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实验室评估和校准三低成本粒子

传感器对颗粒状物质的测量

Yang Wang, Jiayu Li, He Jing, Qiang Zhang, Jingkun Jiang, and Pratim Biswas

摘要

颗粒传感器具有体积小、成本低的显著优点，近年来随着测量颗粒浓度的便携式显示器的使用，颗粒传感器引起了人们的广泛关注。然而，大多数传感器系统并没有完全经由标准化标定协议评估，他们的数据质量也没有被完善记录。在本研究中，三种基于光散射（Shinyei PPD42NS, Samyoung DSM501A和Sharp GP2Y1010AU0F）的低成本颗粒传感器由美国环境保护署2013年的空气传感器研究所推荐的校准方法来评估。通过使用一台SidePak粉尘仪（TSI Inc., St. Paul, MN, USA）、一台静电扫描粒径谱仪（TSI Inc.）和一台自身标准测试仪器为传感器GP2Y1010AU0F的AirAssuretrade; PM2.5室内在线监测仪（TSI Inc.），将检查下面六个方面的性能表现：响应的线性化，测量的精度，探测的范围，对颗粒成分的依赖性，对颗粒尺寸的依赖性以及相应的温湿度影响。本研究有如下发现：(a)三个传感器与SidePak的实测浓度结果相反，都表现出了高度线性化，其值高于颗粒浓度范围为0-1000下的0.8914，而且线性化依赖于已研究过的颗粒浓度的范围；(b)浓度范围为0-1000时，传感器的标准差分布在15到90这个范围里；(c)三个传感器的输出都高度依赖于颗粒成分及其尺寸，这导致了高达10次的不同输出结果；(d)湿度影响传感器的响应。这篇文章为三种被测试传感器的应用提供了更好的推荐校准方法。

1. 引言

悬浮微粒(PM)是决定空气质量的重要参数，其会影响能见度，人类健康以及全球气候。PM的大小与人类呼吸系统可吸入颗粒和颗粒的沉积性质密切相关。PM浓度可以按照颗粒的空气动力学粒径低于10、2.5和1，相应地量化为、或。美国环境保护署提出的用于测量PM浓度的仪器里包括取样器、分离器、锥形振荡元素微量天平(TEOM)以及beta;衰减监视器(BAM)(EPA 2013)。其他像DustTraktrade;和SidePaktrade;(TSI Inc., St. Paul, MN, USA)的仪器利用光散射来获得颗粒质量浓度，而静电扫描粒径谱仪(SMPS; Knutson和Whitby 1975；Wang和Flagan 1990)和空气动力学粒径谱仪(APS)则是通过已测得的颗粒尺寸的分布来获得颗粒质量浓度。

随时间和空间变化的PM浓度可能与区域有显著关系。由单个监测点提供的PM浓度可能并不能准确地表示该监测点周围分布在人们四周的颗粒浓度。最近几年，关于PM影响健康的担心在发展中国家(Cao et al. 2013;Tiwari et al. 2013;Huang et al. 2014)中尤其严重。为了保证民众通过其余的设备及时了解空气质量信息，美国大使馆和领事馆已经开始测量并发布这些国家的实时PM浓度。但是，该大使馆的网站也这么强调，“只根据一台机器上的数据做不到市级分析（US Embassy 2015）。”为了获得准确、高解析度的PM浓度，我们需要测量地址高度密集，但上述提到的传统仪器带来的相应成本使我们的需求变得不切实际。基于几十年前用于烟雾探测的技术(Mulholland和Liu 1980)，便携式PM监测器在最近几年逐渐流行(Hagler et al. 2014)，这是因为这种监测器价格低廉，也因为人们需要关于当地实时空气质量的“大数据”(Chong和Kumar 2003；Leavev et al. 2015)。这些颗粒传感器能被用于定位污染重点区域或生成粗糙的关于PM浓度的三维图像（Rajasegarar et al. 2014）。从更广泛的意义上来说，低成本颗粒传感器的使用也提高了社会对空气质量的意识。

使用光散射的颗粒传感器既便宜，也比使用单个颗粒计算方法或其他机械方法的传感器更紧凑，因此，这种传感器在最近几年已经引起了研究者的广泛注意（Weekly et al. 2013; Holstius et al. 2014）。一个典型的光散射PM传感器由一个红外发光二极管(IRED)，一个光电晶体管(PT)和聚焦透镜组成。当光穿过传感器的时候，颗粒散射光以及光电晶体管接收到的光强直接与颗粒的浓度有关。颗粒散射的光落入不同的环境中(Friedlander 2000)，通常微米级或更小的颗粒会遇到Rayleigh环境和Mie环境。相比使用单个颗粒计算技术的传感器，光散射PM传感器能测量颗粒的全部光学性质。这个特性极大地减少了成本和传感器的尺寸；但是，与此同时，这个特性限制了传感器的测量准确度(Holstius et al. 2014; Gao et al. 2015)。

光散射颗粒传感器有三种模型，PPD42NS(Shinyei Inc.)，DSM501A(Samyoung Inc.)和GP2Y1010AU0F(Sharp Inc.)是目前可以提供给客户作为单一的模块，这些模块很简单就可以组装、安装并使用。每个传感器已在先前的工作中分别评估，通过观察这些仪器的输出和已实用测量仪器(Nafis 2012; Olivares et al. 2012; Weekly et al. 2013; Holstius et al. 2014; Gao et al. 2015)测得的总颗粒浓度，我们确定了一种定性关系。PPD42NS传感器和GP2Y1010AU0F传感器也被组装进商品化的颗粒监测器，如在本研究中也对其进行了测试的AirAssure室内空气质量监测（TSI Inc.）， （Haier Inc.）以及Pervasive Air-Quality Monitor（PAM，Air-Scientific）。为了实现更小、更便宜、更准确的颗粒监测器，也设计了其他传感器。

到目前为止，没有出现任何关于这些传感器的平行对比。与此同时，有关使用标准协议评价颗粒传感器的研究的缺失已经阻碍了对这些传感器性能的全面了解。已经有一些标准协议被设计用于校准空气质量传感器了。2013 US EPA Air Sensor Workshop建议了使用七个参数用于调查一台新的空气质量传感器：(1)响应的线性化，(2)测量的精度，(3)探测的范围，(4)浓度分辨率，(5)响应时间，(6)相似干扰源，(7)相对湿度(RH)和温度的影响。这些参数里，浓度分辨率体现在测量精度里。对于使用光散射方法的颗粒传感器而言，光线在传感器里的传递时间可以忽略不计，它们的响应时间主要由电路里的电子转移时间决定，这同样是能够被忽略的。相似干扰源也不必考虑，因为不像气体传感器受相似物体的干扰，颗粒传感器只受颗粒的浓度和性质影响。颗粒成分非常影响光散射传感器的性能。光散射依赖于材料的折射率，但是材料的光吸收可能也会影响光电晶体管接收的光强。颗粒的大小也直接影响光散射系数和吸收系数。之前的分析表明由基于光散射的散射测浑法判断的颗粒团浓度有一个不能消减的不确定性，大概在30%到40%，这直接导致了气溶胶参数的可变性，包括颗粒浓度、颗粒折射率、颗粒大小和颗粒形态。因此，为了评估光散射颗粒传感器，最初EPA的七个参数要被替换掉。浓度分辨率、响应时间和相似干扰源不再使用，转而添加了颗粒成分和尺寸依赖性。

在本研究中，三种低成本光散射颗粒传感器的性能第一次与在空气质量领域广泛使用的仪器——SidePak和SMPS比较。实验室的评价和标准使用了改进的EPA 2013 Air Sensor Workshop提出的协议来获得对传感器性能的全面了解。

1. CALIBRATION 平台

为测试传感器的性能，我们建立了一个校准平台。用于测量的传感器、参考仪器、房间和工作原理详细描述如下。

2.1. 粒子传感器和参考仪器

Shinyei PPD42NS, Samyoung DSM501A和Sharp GP2Y1010AU0F传感器在本研究中将被评估。为了简化，三个传感器相应地记为“PPD”、“DSM”和“GP2Y”。三个传感器的尺寸、原理图和规格如图1和表1所示。PPD和DSM传感器尺寸相似，两者都用了

图1 尺寸，几何形状，并且在该工作评估的传感器的示意图。图中的传感器并不代表实际尺寸。在第三行中分别示出theschematic图，PT，IRED，和R代表光电晶体管，红外发光二极管和热敏电阻。

热敏电阻来产生热量，这样的话，自然对流使颗粒上升流经光散射区域。GP2Y传感器比PPD和DSM小。不像PPD和DSM通过热敏电阻的应用来自己送气，GP2Y传感器依赖于一个穿过器件中心的洞穴来使颗粒对流。GP2Y的定向因此和其他两种传感器不同，正如下节所讨论的。同样的，带/不带外部对流的GP2Y可能在同样的颗粒浓度下有不同的响应。所有被测试的颗粒传感器使用IREDs产生光线，波长在870nm和980nm之间。

表格1测试传感器规格

PPD和DSM传感器由LabVIEW程序通过一个数据采集系统(NI 6008, National Instruments Inc.)控制。这两个传感器都输出调制波，其LPO直接与颗粒浓度相关联。由于需要一个外部的高频方波来触发传感器的二极管，GP2Y连接到一个程序化的Arduino数据采集板(UNO Rev 3, Arduino Inc.)上。GP2Y测得的颗粒浓度由输出电压的大小来表示。而GP2Y对数据收集有出色的时间分辨率，这与PPD和DSM一致，均为30s的取样分辨率，电脑均是没30s收集一次三个传感器的数据。

一台SidePak个人气溶胶监测仪AM510(TSI Inc.)，一台静电扫描粒径谱仪(SMPS, TSI Inc.)和一台AirAssuretrade; PM2.5室内在线监测仪（TSI Inc.）用于提供参考测量结果来评估传感器的性能表现。和这些传感器一样，SidePak也使用了光散射，但是颗粒的流动通过一个小型的内嵌真空泵控制。一个自定义的校准系数用来补偿在微粒材质折射率上的差别。在这些实验中，SidePak的校准系数设置为1.0，因为本研究主要是关注测量的线性度和精度，而校准系数能够被添加进数据处理中。

SMPS用一个差分移动分析器(DMA)作为一个电气移动规模的函数来对颗粒分类，用一个凝聚粒子计数器(CPC)来测量颗粒浓度。一个连续的颗粒大小分布函数通过数据反演来获得，接着通过综合尺寸分布函数的结果和每个大小的颗粒团来计算质量浓度。如果颗粒服从对数正态分布，矩量法计算质量浓度是一种简单的方法，并在Section 4.4详述。

AirAssuretrade; PM2.5室内在线监测仪利用一个Sharp GP2Y传感器，通过在传感器一侧连接的风扇来调节传感器的流量，从而使粒子通过对流而不是随机扩散的穿过传感器。一个专门算法对一段时间内的粒子浓度取平均值，以提供更准确的结果。为了研究这些变化对传感器原型的影响，对不带对流的GP2Y传感器和AirAssure监测器进行了对比，重点关注响应的线性度和测量的精度。

2.2. 颗粒测量室

图2 （a）该腔室为粒子测量和粒子传感器的布置的示意图。

（b）从所述腔室的四边测量粒子质量浓度。

颗粒传感器的评价在一个常规、大小为58times;58times;28cm的有机玻璃室中进行（图2a）。密封室的边缘用橡胶条密封，以防止颗粒泄漏，并提供均匀分布的颗粒。在室内的墙壁上钻一个直径为5毫米的端口来取样、通过导线。在实验过程中，未使用的端口被紧紧塞住了。产生的颗粒通过一个不锈钢管引入到房间的中心。每种类型的传感器粘在房间的每个垂直面，三种被测试传感器尽可能地连在一起以减少粒子浓度在空间上的差异，虽然在室内的浓度差很小（图2b）。PPD和DSM传感器背靠墙壁，这样一来可以产生颗粒的垂直上升气流。GP2Y传感器面向该室底部，这样使颗粒能够通过它的中心孔。在这项研究中，由于比较大的测试室和有限的空气交换率，强制对流导致颗粒分布不均匀。为了保持四个侧壁的粒子浓度均匀，产生的颗粒主要是随机扩散。如图2b显示，房间内四侧颗粒浓度的差异在15%以内。粒子浓度的这种变化可能会导致四个传感器不同的输出，但它不是传感器响应偏差的主要原因，正如Section 4.1中讨论的。SidePak和SMPS在室外，通过在室两侧位于传感器下面2厘米的壁管对粒子流进行采样，流速分别为0.7lpm和0.3lpm。直到当与没有调节流量的GP2Y传感器比较时，AirAssure监测器才放入室内。注意，由AirAssure监测器内部风机调节的对流可能扰乱室内颗粒的均匀分布，这可能导致一些数据分析的错误。

在实验中，测试粒子被引入到室内，直到SidePak测量到浓度约为5时停止，该值是Section 4.1所发现的测试传感器的上限。粒子流被中断，系统允许平衡以便在室得到颗粒浓度和粒径的均匀分布。由于颗粒的沉淀和壁面损失，室内的颗粒浓度逐渐下降。当SidePak给出的质量浓度低于1时，传感器、SidePak和SMPS开始同时测量。整个过程大约花了2.5小时（图2b），这是接近1毫米粒子从顶部下降到室底的自身重力沉淀时间（约为2.4 h）。因此，该粒子传感器评价结果可以代表测量值。

1. ASPECTS评估

我们研究了传感器六个方面的性能，以全面了解他们的特点。表2给出了一个简短的实验计划概要。

表2 对于颗粒传感器PPD，DSM和GP2Y的评价和校准的试验方案

3.1. 响应线性度

在绘出不同于SidePak测量的颗粒团浓度的传感器输出后，响应的线性度采用最小二乘回归和减少长轴（RMA）回归进行了评估。粒子通过焚香产生，据报道，这在某些国家是室内气溶胶的重要来源。香产生的粒子的大小分布作为时间的函数显示在图1里。四面墙壁上的传感器的平均输出用来评估它们的线性度。在这项

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