4. 颗粒物传感原理

颗粒物（PM）传感采集的核心任务，是把空气中悬浮颗粒的“数量、质量或电荷特征”转换为可采集的电信号。不同传感原理对应不同的物理量：光学散射法测的是散射光强，β射线法测的是β粒子衰减，微量振荡天平法测的是质量引起的频率变化，静电感应法测的是颗粒荷电产生的感应电流。理解这四条信号链，是选型、布点和数据解释的基础。

一、四种方法的物理原理

光学散射法利用颗粒对光的散射。当激光或红外光穿过含尘气流时，颗粒使光向不同方向偏折，光电探测器接收散射光并转为脉冲或电压。散射光强与颗粒的粒径、折射率、形状和浓度有关。常见结构分前向散射、侧向散射和后向散射，其中前向散射对小颗粒灵敏度较高，后向散射便于同轴安装。

β射线法利用β射线穿过物质时的衰减规律。β源（如碳-14）发射的β粒子穿过采样滤纸时，被滤纸上沉积的颗粒物吸收，衰减程度与颗粒物质量厚度近似成指数关系。通过测量空白滤纸和采样后滤纸的β计数率，可反算颗粒物质量浓度。该方法直接测质量，不受颗粒颜色和折射率影响。

微量振荡天平法（TEOM）基于质量-频率关系。采样气流通过一个可更换滤膜，滤膜固定在空心锥形振荡管端部。振荡管在电磁驱动下以固有频率振荡，颗粒物沉积使振荡质量增加，固有频率下降。通过测量频率变化，结合标定系数即可得到实时质量浓度。TEOM常配膜动态测量系统，以减少挥发性组分损失。

静电感应法利用颗粒荷电或极化效应。气流中的颗粒在通过感应电极时，使电极表面产生感应电荷，形成微弱电流脉冲。脉冲幅度和频率与颗粒数量、粒径和带电量相关。该方法响应快、结构简单、无耗材，但信号受颗粒电荷状态、湿度和流速影响较大，通常用于趋势监测和泄漏报警。

二、方法流程与关键参数

无论哪种原理，采集系统通常都包含采样、传感、信号调理、数据采集四个环节。以光学散射法为例，典型流程为：采样泵抽气 → 气流进入光室 → 激光照射颗粒 → 光电探测器接收散射光 → 前置放大 → ADC采样 → 浓度换算。β射线法则是：采样泵抽气 → 滤纸收集颗粒 → β源照射 → 探测器计数 → 质量计算。TEOM是：采样 → 滤膜沉积 → 振荡频率测量 → 质量反演。静电感应法是：气流通过感应电极 → 电荷感应 → 微电流放大 → 脉冲计数。

关键参数包括采样流量、粒径切割点（如PM2.5、PM10）、测量范围、分辨率、响应时间、工作温湿度、校准周期和输出接口。例如，光学散射传感器常标注“0～1000 μg/m³，分辨率1 μg/m³，响应时间≤10 s”；β射线法常标注“16.7 L/min，检出限1 μg/m³，小时均值”；TEOM常标注“3 L/min，分辨率0.1 μg/m³，加热温度50 ℃”。

# 典型光学散射传感器采集配置示例
sample_flow: 1.0 L/min
cut_point: PM2.5
range: 0-1000 ug/m3
resolution: 1 ug/m3
response_time: <=10 s
output: UART 9600 8N1
calibration: 每6个月用标准膜片校准

三、案例：道路扬尘监测点选型

某道路扬尘监测点需要连续监测PM10，要求数据可上传平台，且维护周期不少于30天。若选用光学散射法，成本低、响应快，但道路扬尘中粗颗粒多、湿度变化大，镜头易积尘，需每周清洁。若选用β射线法，数据更接近质量浓度，但需定期更换滤带，维护量较大。若选用TEOM，精度高但设备昂贵、功耗大，适合作为比对参考。若选用静电感应法，响应快、无耗材，但无法直接给出质量浓度，适合做趋势报警。最终该点位采用“光学散射+静电感应”双传感器方案：光学散射输出浓度，静电感应监测突变，两者数据融合后上传。

四、常见误区与复盘

• 误区一：光学散射读数等于质量浓度。散射光强受粒径分布和折射率影响，不同来源颗粒的换算系数不同，必须用标准仪器比对校准。
• 误区二：β射线法没有耗材。β射线法需要滤带或滤纸，属于持续耗材，长期运行成本不可忽略。
• 误区三：TEOM适合所有场景。TEOM加热会损失半挥发组分，在低温高湿或有机物丰富场景中读数偏低。
• 误区四：静电感应可以替代质量监测。静电感应输出的是相对信号，受颗粒荷电状态影响大，不能直接作为质量浓度依据。

五、四种方法对比清单

总结来看，光学散射法适合“快而广”，β射线法适合“稳而准”，TEOM适合“精而贵”，静电感应法适合“灵而省”。在颗粒物PM传感采集工程中，往往不是四选一，而是根据监测目标、维护能力和数据用途进行组合，形成互补的采集方案。