PM2.5传感器运用了什么“黑科技”？

现在，不只是中国，全球的空气污染（PM2.5）都越来越严重。比如，据英国卫报、BBC等新闻媒体报道，在欧洲，当空气污染处于高峰时，法国巴黎甚至会停止交通运行；新加坡的空气污染也创历史新高；印度的空气污染甚至比中国还要严重。

据2016年世界卫生组织对疾病揭露与负担的全球评估，迄今为止，空气污染——环境（室外）和家庭（室内）——是对健康最大的环境风险，每年约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卫生组织空气质量指南的城市中。

从空气污染的全球分布来看，北美和欧洲的空气质量较好，印度和中国最差，而在中国，又是北边比南边差。中国近年来的状况不太好，受PM2.5的影响很大，因此我们有必要去改善环境，而要改善环境则首先要量度。

现在，PM2.5（细颗粒物）传感器的应用已有很多，很多公司都推出了这类传感器。日前，全球传感器专家盛思锐（Sensirion）也推出了一款SPS30 PM2.5传感器。那，这家公司为什么会比竞争对手“慢半拍”呢？原因是他们想要做一个更好的产品，而不是做一个人有我也有（“Me-too”）的产品——它解决了一个PM2.5传感器客户普遍投诉的大问题，即长期稳定性问题。里面用到了什么“黑科技”？

什么是颗粒物？

日前，在盛思锐SPS30 PM2.5传感器发布会上，该公司大中华区总经理李锦华（Echo Li）告诉记者，颗粒物是空气中固体颗粒和液滴的混合物。人若吸入颗粒物，会导致严重的健康问题。颗粒越小，就越容易通过呼吸渗入呼吸系统，进入血液。历史上，颗粒物的数值用μg/m3测量。

图片右下角是一个颗粒物的示意图。图上那根长的是一根头发，左边的三颗是沙子，围绕在头发周围的小蓝球是PM10颗粒物，而将它放大来看，其直径等于四个PM2.5（小红球）之和。

颗粒物：局部分布考虑

在室内环境中，颗粒物很常见，例如喷雾和烟雾（香烟、蜡烛、香）。这些悬浮颗粒物在几厘米内的浓度差异可达50%或更高。在室外环境，即使在稳定环境中，局部差异（比如只隔一条街）也可能非常大。

李锦华再次强调说，盛思锐是制作传感器的专家，不希望做Me too的产品，而是希望做更好、性价比更高的产品，不然一般都不会做。

“盛思锐研发出了一种创新的抗污染技术，具有很长的长期稳定性——这是客户最多投诉的一个问题。” 他透露，“很多竞争对手的产品可能在短期内能够达到某种程度的要求，但是从长期来看，就无法满足客户要求了，比如三四年后，信号就下降一半甚至更多。客户要么就要做清洁，要么就要换产品，这就很耗时间，而且用户体验不好。”

然而，盛思锐的产品由于采用了这种创新技术，每天24小时持续运转的情况下，使用寿命可超过八年（后面会介绍为什么能做到这样长的寿命）。此外，它不需要清洁或维护，从而可避免传感器漂移或故障问题。

该产品根据激光散射原理开发；可实现很高的分辨率和粒度分级（通过算法确定）。它封装很小，因此也适合集成到小型消费类设备中。另外它提供全面校准的数字输出，以及UART和I2C接口，很易于使用。

基于激光的先进测量原理

市场上PM2.5传感器所采用的光源主要有两种：激光和LED。激光相对LED较贵，但其准确率却要高很多。由于激光束聚焦在小范围内（这样才能全部打在颗粒物上而做到全部散射），而LED的光斑大大超过颗粒物大小（无法做到全部散射），因此激光的信噪比会比LED高很多，LED无法做到PM2.5的精确测量。

下面是SPS30与同是采用激光检测的竞品以及TSI8533参考（市场上有90%以上的客户用它作参考。编者注：TSI8533粉尘仪是面向实验室类型的工业应用，售价数万元，而SPS30主要针对民用，两者不冲突）的对比数据（上图的颗粒物是氯化钾，下图是Arizona A1，即亚利桑那沙漠的沙子，很细），可以看出和竞争对手有很大差距，但和参考非常接近。

下图是针对Arizona，SPS30和竞品PM1和PM2.5质量浓度准确性的对比，可以看到SPS30与参考的偏差非常接近，而竞争对手的偏差分别接近50%和大于50%。

下图是SPS30产品一致性的数据。

寿命考量

为什么盛思锐SPS30的工作寿命可以做到8年，而竞争对手的做不到？影响工作寿命的因素主要有两个：元件寿命和灰尘。PM2.5传感器中寿命最短、最容易损坏的两个元件是风扇和激光器。光学元件上的灰尘积聚会引起发光衰减。

那么这些问题怎么解决？首先要选用质量好的风扇和激光器。在风扇和激光器的寿命保证超过八年的情况下，再来考虑怎样去抗灰尘。

从用过一段时间的PM2.5传感器的剖面图来看，这里面很脏。但是SPS30激光通路这部分，上面却很干净（竞品则同样很脏）。这个革命性流道技术怎么做到的？具体细节由于盛思锐正在申请专利，不方便透露，但简单来说，就是用洁净的空气去保护激光头，如下图所示。“这不是做个简单的气道那么简单，我们有其他的专利在里面。” 他补充说。

另外是设备的老化情况。从图中可以看出，SPS30相对竞品随时间的衰减小很多。“激光头的衰减不可避免，但SPS30的衰减是可控的。”李锦华举例说，“竞争对手的产品如果量度与之前的相差百分之一二十，可能相对还比较好。如果空气质量变差，传感器就会触发通风系统，这样我们就会感觉好很多。但如果空气质量变差到一定区间没有被检出（比如已到70%却误报成20%），该启动通风系统的时候没有启动（或开很小），那客户的感觉就不舒服。”

PM2.5在北京现场的测试

有点悲哀，我们现在有很多人好像都不相信我们自己的PM2.5报告，而是相信北京美国大使馆的报告。盛思锐是家瑞士公司，不能去美国大使馆做测试，但可以跟瑞士政府商量，去瑞士大使馆做测试（放在天台，和美国大使馆相隔1.4km，有可比性）。

从图中可以看出，SPS30测量数据与美国大使馆数据很相近（有小偏差很正常，因为不在同一位置）。

另外，SPS30封装仅为40.6×40.6×12.2mm3，适合多种应用（如HVAC暖通空调、温度调节器、空气净化器等），很有竞争力，他最后表示。