關鍵詞: 傳感器；環(huán)境監(jiān)測；應用現(xiàn)狀；Sensor； Environmental Monitoring； Application Status
1. 引言
環(huán)境污染在我國已經是一個刻不容緩的問題，而在這些眾多的環(huán)境污染中，空氣污染最為嚴重。因此對于空氣質量的監(jiān)測顯得尤為重要?，F(xiàn)如今，我國正面臨“煤煙污染”和“光化學煙霧污染”之后，又出現(xiàn)以“大氣污染”為主的環(huán)境污染。研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在空氣中存在大量的有機物，其中不乏有一些致癌物質和病毒。如今，監(jiān)測技術的應用是人們認識和改造世界的必不可少的一種方式。其中，監(jiān)測技術的核心就是對信息資源的獲取、傳輸和處理，這也就用到了一種不可或缺的工具——傳感器。本地的排放和區(qū)域的傳輸是造成污染物濃度在固定地點升高的主要原因，沒有復雜的數值模擬工具，對于研究環(huán)境污染空氣對人體健康的影響存在極大的困難和挑戰(zhàn)，當今能夠解決困難的方法就是尋找價格低廉的監(jiān)測設備，用其將環(huán)境監(jiān)測的網絡擴大健全，空氣質量傳感器就具有這一特點。研究及運用傳感器技術是監(jiān)測空氣質量的一種熱門方法，在當前的空氣凈化領域，空氣質量傳感器幾乎已經成為凈化設備的標配附件，主要對空氣中的PM2.5、VOCS等污染物濃度進行監(jiān)測。
對于工廠有毒氣體，工業(yè)廢氣以及對居住環(huán)境氣體的監(jiān)測都離不開空氣質量傳感器，只有借靠這套監(jiān)測系統(tǒng)才能進行精確地監(jiān)測，才能更好地提供一個優(yōu)良的生活環(huán)境，可以說空氣質量的監(jiān)測關乎每個人的生命健康。空氣質量傳感器利用微電子技術，傳感技術，信號處理技術等多種綜合性技術，使硬件成本最低化，體積最小化，軟件產品使用簡單，操作快捷，使用范圍廣，無論是在家居還是公共場所都能夠擔以重任，生產利潤上有很大空間。對于現(xiàn)階段的空氣質量問題以及人們對空氣標準的不斷提高，空氣質量傳感器將會有更加深入的研究以及更廣闊的市場空間。
2. 空氣質量傳感器的工作原理
2.1. 顆粒物傳感器
近幾年，細顆粒物是造成空氣污染的主要因素，大多數城市己經進行了細顆粒物的監(jiān)測工作。目前顆粒物傳感器因價廉、便攜等優(yōu)點，受到大眾的青睞。目前顆粒物傳感器的測量原理有電學原理、光學原理，其中光學包括紅外和激光兩種。
1) 電學原理
電學法顆粒物傳感器主要是利用氣溶膠顆粒物單極擴散充電技術，測量帶電粒子產生的電流而實現(xiàn)監(jiān)測。傳感器有兩個進氣流：凈化過的壓縮空氣(1.5 bar)和氣溶膠樣本氣體。壓縮空氣流被導入到一個有電暈針釋放恒定電流的密閉空間內，然后，經過電暈放電后帶有正離子的氣流被引入到一個排氣裝置里。氣溶膠進行傳感器則主要就是通過具有抽氣泵作用的該股氣流吸入的。氣溶膠樣本和氣泵里的氣流充分混合，這樣電暈充電器釋放的離子才能附著到包括樣本氣體在內的氣溶膠顆粒物上。在混合過程后，剩余的自由離子會被一個離子阱吸收，帶電粒子會隨著氣流從傳感器流出。因為顆粒物或者部分顆粒物是單極帶電，它們輸出傳感器時會攜帶電荷。
2) 紅外原理
紅外的光線強度是很弱的，測量顆粒物時的強度不夠，可以用濁度法代替。濁度法的測量原則就是發(fā)射和接收光線，通過此法可以判斷空氣的渾濁程度。這種方法較容易受到其他因素的干擾而使測量值與實際濃度偏差增大。以上紅外測量的特點，說明用紅外傳感器測量顆粒物只能知道其相對質量濃度。紅外傳感器的另一個缺陷是不能區(qū)分顆粒物的粒徑，故紅外傳感器的性能較差，不能滿足當前社會的需求。
3) 激光原理
基于激光散射法原理的測量技術被認為是測量顆粒物應用最普遍的技術。它歸類為光學法，但其與顯微鏡法光學成像的原理不同。光散射的理論基礎是Mie散射理論，其獲得顆粒物的質量濃度的方式是反推，反推的過程需要借助顆粒物的相關參數。顆粒物在太陽光照射的時候會產生散射光，其性質恒定的前提下，顆粒物散射光的強度可以代表其質量濃度。最近這些年，基于光散射原理的便攜式顆粒傳感器作為新型監(jiān)測設備在環(huán)境空氣監(jiān)測領域已經涌現(xiàn)，它的出現(xiàn)引領了新一代監(jiān)測儀器的發(fā)展且占據了相當重要的地位。
激光散射原理即令激光照射在空氣中的懸浮顆粒物上產生散射，同時在某一特定角度收集散射光，得到散射光強隨時間變化的曲線。進而微處理器利用基于米氏(MIE)理論的算法，得出顆粒物的等效粒徑及單位體積內不同粒徑的顆粒物數量。
2.2. 氣態(tài)傳感器
近年來，世界各國對有毒有害氣體的監(jiān)測越來越重視，對大氣環(huán)境中有毒有害氣體的監(jiān)測提出更高的要求，而大氣環(huán)境中有毒有害的污染物主要是NOX、SO2、VOCs等氣體。因此，研究開發(fā)低功耗、低成本、微型化、高靈敏度、高穩(wěn)定性的氣體傳感器對保護人體健康和保護生態(tài)環(huán)境具有重要的意義。常用的傳感器有一下幾種：
1) 定電位電解式傳感器。電解式傳感器雖然目前在國內不是特別流行，不過它依然是一種重要的測量空氣質量的方法，廣泛地應用在各種領域。定電位電解式傳感器是在一個用塑料制成的外殼內，安裝各種電極，在各個電級之間充滿電解液，然后進行封裝。氣體與電解質內的電極發(fā)生化學反應，從而使電極的平衡發(fā)生改變，進而實現(xiàn)對空氣的測量。
2) 金屬氧化物半導體式傳感器。金屬氧化物半導體式傳感器主要是利用了對需要測量的空氣的吸附效應，然后會改變其電導率，進而改變其電阻，最后通過電流的變化的相互對比，進而產生相應的顯示。然而此電阻還有諸多缺點，當周圍的環(huán)境發(fā)生變化時，會對傳感器的測量結果產生重要影響，使其產生很大的誤差。不過，由于這種傳感器的操作簡單，測量方便，而且反映比較靈敏，在日常的生產生活中得到了廣大的應用。
3) 催化燃燒式傳感器。催化燃燒式傳感器是一種高溫氣體傳感器,它主要是是利用催化燃燒產生的熱效應原理。它的內部結構是監(jiān)測元件和補償元件配對組成測量電橋，當達到一定溫度，可燃氣體在監(jiān)測元件載體表面和催化劑的共同作用下發(fā)生無焰燃燒，載體溫度就相應升高，從而通過它內部的鉑電阻阻值也會發(fā)生相應改變，平衡電橋就失去了平衡，輸出一個與可燃氣體濃度成正比的電信號。所以，只要能測量鉑電阻阻值大小，就可以知道待測氣體的濃度。
4) 迦伐尼電池式氧氣傳感器。這種傳感器也是主要利用了氧化還原的原理。氧氣在通過電解質時在陰極和陽極發(fā)生氧化還原反應，從而使陽極產生電子，電流的大小與氧氣的多少成正比。這種傳感器的原理簡單，而且比較容易制作，所以在我國應用比較廣泛。
5) 紅外式傳感器。紅外式傳感器利用各種元素對某個特定波長的吸收原理，具有抗中毒性好，反應靈敏，對大多數碳氫化合物都有反應的優(yōu)點。但其結構復雜，成本高。將裝有該傳感器的產品安裝在家庭或臥室，可以用于測量空氣中的CO2、溫度、濕度水平，自動控制凈化通風設備運轉保持室內優(yōu)良的環(huán)境。
6) PID光離子化氣體傳感器。PID是由紫外線燈和離子室等構成，在離子室中有正負兩種電極，它們進而形成電場，待測的氣體在紫外線的照射下，會生成正負兩種離子，在電極間形成電流，經放大輸出信號。主要用于監(jiān)測揮發(fā)性有機物。
3. 國內外研究現(xiàn)狀
3.1. 國內研究現(xiàn)狀
近年來，我國生產空氣質量傳感器的企業(yè)越來越多，這些企業(yè)結合國家控制監(jiān)測的要求，研發(fā)生產傳感器的大部分零件，引進關鍵部件，降低了空氣質量傳感器開發(fā)的成本，適應用戶購買力。由于我國空氣質量監(jiān)測儀器技術現(xiàn)代化研究方面較國外起步晚，因此與國外大氣環(huán)境監(jiān)測技術相比仍有一定的差距。目前我國的空氣質量傳感器大部分由國外引進，然而，由于各個國家實際環(huán)境情況的不同，我國引進使用的國外的設備在系統(tǒng)結構、數據采集、監(jiān)控管理以及運行維護方面的需求都有比較大額度差距，因此，直接引用國外的設備并不適合我國的空氣質量監(jiān)測需求。隨著科學技術的不斷發(fā)展，我國更加重視對空氣質量傳感器的研究，相關的產品種類和數量大幅提升。例如：中國電子科技集團公司的第二十七研究所研發(fā)了一種基于單片機的溫度和濕度感應監(jiān)測系統(tǒng)，湖南大學研究與設計的基于MSP430單片機的針對二氧化碳的測量系統(tǒng)以及上海交通大學設計并應用于醫(yī)院的多功能性情報監(jiān)控系統(tǒng)。以上這些環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)針對實際的應用基于單片機以及傳感器設計而開發(fā)的，具有較大的應用價值和研究意義。
隨著人們生活水平的不斷提高和對環(huán)保的日益重視，對大氣污染、工業(yè)廢氣的監(jiān)測以及對食品和居住環(huán)境質量的監(jiān)測都對氣體傳感器提出了更高的要求。未來氣體傳感器應該著重于新氣敏材料與制作工藝的研究開發(fā)，研發(fā)出高靈敏度、高選擇性、高穩(wěn)定性的新型材料。如今，納米、薄膜技術等新材料研制技術的成功應用為氣體傳感器集成化和智能化提供了很好的前提條件，研發(fā)能夠監(jiān)測多種氣體的智能自動化氣體傳感器也是未來一大發(fā)展方向。氣敏元件傳感器作為新型敏感元件傳感器已列為國家重點支持發(fā)展項目，我國氣敏元件傳感器及其應用技術有了較快進展，研究、發(fā)展方向表現(xiàn)在幾個方面：1) 新型氣敏材料的研發(fā)。在傳統(tǒng)的氣敏材料中摻雜某些元素，研制、開發(fā)復合型及混合型的半導體、高分子氣敏材料，使得它們對不同的氣體表現(xiàn)出高靈敏度、高穩(wěn)定性和高選擇性的特性。2) 新型氣體傳感器研發(fā)。使用新型材料、新型工藝及新技術，進一步研究氣體傳感器的機理，使得它們更加微型化、多功能，具備性能穩(wěn)定、使用方便和價格低廉等特點。3) 借助計算機技術是的傳感器更加智能化。將氣體傳感器與計算機技術結合，研制出新型仿生氣體傳感器是未來傳感器發(fā)展的主要方向。
近年來低成本傳感器的發(fā)展雖然取得了較大進展，但空氣質量傳感器仍處于技術開發(fā)的早期階段，許多傳感器尚需要評估確定其測量的準確性，后期各種故障所需要的維修費用成本也很高，而頻繁的故障則會直接影響正常工作。為了能正確使用空氣質量傳感器，國外發(fā)布了便攜式顆粒物傳感器使用指南、技術路線和性能測試等文件，指導人們使用和研究便攜式顆粒物傳感器，國內暫時還沒有發(fā)布這些指導性的文件。
我國正在加速工業(yè)化、城市化的建設步伐，自然環(huán)境變化對社會和公眾的影響越來越大，政府和社會都對應急管理工作提出了更高的要求。為增強防災救災能力，提高氣象災害應急反應水平，迫切需要建立一個權威、客觀、暢通、可信的信息發(fā)布渠道，使社會及公眾及時了解各類災害事件的現(xiàn)狀、進展、趨勢、原因等信息，采取有效防范措施，最大可能減輕和避免各類災害對經濟建設和人民生活的危害。建設空氣質量監(jiān)測預警云計算平臺，可以實現(xiàn)空氣污染源監(jiān)督管理、隨機污染源及時管控，從而有效降低生態(tài)環(huán)境污染，提高環(huán)境質量。
目前國內環(huán)境監(jiān)測站點較少，分布分散，環(huán)境監(jiān)測的數據能夠從宏觀上反映城市整體的污染情況，但是不能從微觀上反映局部區(qū)域、特定區(qū)域的空氣質量好壞，這就需要建設更多的環(huán)境監(jiān)測站點，提供更多的實時的環(huán)境監(jiān)測數據。利用云計算、大數據的空氣質量分布式監(jiān)測系統(tǒng)，作為現(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)測站點的補充，可以準確、及時、全面地反映環(huán)境質量現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，結合天氣狀況、地理地形、城市交通、人口密度、工業(yè)產值等元素，通過大數據挖掘與分析，為環(huán)境管理、污染源控制、環(huán)境規(guī)劃等提供科學依據。
3.1.1. 顆粒物傳感器
我國在環(huán)境監(jiān)測技術方面的光散射技術開始的步伐與西方國家相比較晚，直到1980年才逐漸有了相關于光散射技術的應用研究，但其在我國的發(fā)展較快速，我國研究的顆粒物傳感器迅速的應用在顆粒物濃度較高的工礦企業(yè)并能夠實現(xiàn)實時在線監(jiān)測，同時也能應用在一般城市環(huán)境中，隨時監(jiān)控環(huán)境質量的變化。國內現(xiàn)今也相繼出現(xiàn)了許多制造傳感器設備的廠家，但是因為剛剛起步，在顆粒物傳感器測量技術的許多方面與發(fā)達國家存在差距。
隨著國內空氣質量污染情況的不斷加劇，用有限的監(jiān)測點位去獲得城市和地區(qū)具有代表性的和可靠性的環(huán)境污染數據很困難。而用傳統(tǒng)的方法在固定的位置安裝網絡去精確測量空氣污染物，這需要巨大的投資。因此，傳感器網絡的建立在國內得到迅猛發(fā)展，僅2015~2016年，空氣傳感器在全國的使用臺數就達到了6000~7000個，北京應用了1500個，保定有1000個，上海的揚塵監(jiān)測也有1000多個。傳感器網絡是小型，低成本傳感器的密集無線網絡，其收集和傳播環(huán)境數據，無線傳感器網絡能夠精確的監(jiān)控本地或區(qū)域傳輸的環(huán)境污染。
國內應用較成功的案例有昆山工業(yè)園區(qū)項目，該項目采用了南京云創(chuàng)存儲科技有限公司自主研發(fā)的空氣質量監(jiān)測預警云計算平臺，該平臺通過超大規(guī)模部署空氣特征因子采集設備(包括PM2.5)對環(huán)境進行實時監(jiān)測，通過云計算(數據立方)分析處理大規(guī)模的空氣質量監(jiān)測的海量大數據，利用空氣特征因子監(jiān)測和預警系統(tǒng)可以做到及時的污染預警，并且通過郵件，APP等數據推送方式進行空氣污染自動報警，及時做好污染防護，最大程度降低破壞空氣環(huán)境的損害。通過海量歷史數據智能分析，能夠演化到空氣特征因子的污染過程，并且追溯污染源頭，進而解決空氣特征因子污染源頭，有效抑制污染源，保護空氣環(huán)境。該套平臺在昆山試點進行部署80個實時監(jiān)控點，監(jiān)控點包括空氣質量特征因子和視頻監(jiān)控攝像頭等，給工業(yè)園區(qū)的環(huán)境保護提供科學有效的信息化支持，取得了很好的經濟效益和社會效益。
3.1.2. 氣態(tài)傳感器
近年來，隨著人們對有害氣體的安全意識增強，對環(huán)境安全性和生活舒適性要求的提高，使得氣體傳感器的發(fā)展很快，相關的安全法規(guī)也推動了傳感器市場的增長。在環(huán)境監(jiān)測上，氣體傳感器主要應用于對空氣質量的監(jiān)控。應用氣體傳感器監(jiān)測空氣質量、溫濕度、氮的氧化物、硫的氧化物、氯化氫等引起酸雨的氣體；監(jiān)測二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、臭氧、氟里昂等溫室效應氣體；監(jiān)測臭氧、氟里昂等破壞臭氧層的氣體；監(jiān)測氨氣、硫化氫和氣體難聞氣體等。在建設環(huán)境物聯(lián)網方面，氣體傳感器更是充當著急先鋒的作用，近年來，生態(tài)環(huán)境一直在遭受著嚴重的破壞，有效的保護環(huán)境需要環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的建立，在這種情況下，建設環(huán)境物聯(lián)網成為必要，而氣體傳感器作為環(huán)境監(jiān)測的必備傳感器將有助于建設環(huán)境物聯(lián)網。
從技術發(fā)展的角度看，根據使用傳感器原理的不同，不同的氣體傳感器有各自的適用氣體及應用領域。PID光離子化氣體傳感器的測量準確度較高，因此在監(jiān)測某些高精度氣體領域比較適用；金屬氧化物半導體式傳感器操作簡單，測量方便，而且反映比較靈敏，在日常的生產生活中得到了廣大的應用；電解式傳感器在測量某些有毒氣體時具有顯著的效果，利用這種方法監(jiān)測空氣的質量，更有利于人的身體健康；催化燃燒式傳感器主要用來做氣體報警探測器使用；迦伐尼電池式氧氣傳感器的原理簡單，而且比較容易制作，所以在我國應用比較廣泛，另外，迦伐尼電池式氧氣傳感器的測量精度比較高，因此適合于用來精確地分析空氣的組成成分；紅外式傳感器主要用于測量室內空氣中的CO2、溫度、濕度水平，自動控制凈化通風設備運轉保持室內優(yōu)良的環(huán)境。
通過傳感器技術的不斷發(fā)展，越來越多的氣體傳感器出現(xiàn)，半導氣體傳感器、固體電解質氣體傳感器、接觸燃燒式氣體傳感器、電化學氣體傳感器、光學氣體傳感器等如雨后春筍紛紛出現(xiàn)在市場上。如今，種類繁多的氣體傳感器在工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測等方面都有著廣泛的應用。隨著人們生活水平的提高和對環(huán)境保護的日益重視，對各種有毒有害氣體監(jiān)測和監(jiān)測大氣污染、工業(yè)廢氣和監(jiān)測食品和居住環(huán)境質量的氣體傳感器提出了更高的要求，氣體傳感器將充分利用微機械和微電子技術、計算機技術、信號處理技術、傳感技術、故障診斷技術、智能技術和其他多學科的綜合性技術，研發(fā)可以同時監(jiān)測多種氣體的智能化氣體傳感器。
綜上所述，對于傳感器技術在環(huán)境監(jiān)測中的應用，其已經涉及到大部分的污染物，隨著我國近些年科學技術的快速發(fā)展，我國的傳感器技術在環(huán)境監(jiān)測中發(fā)揮的作用也在逐漸增加，但由于一些污染物的含量較少，加上傳感器的靈敏度限制等，使得一些污染物的監(jiān)測仍然難以達到人們的要求，為此，有關部門需要加強對高靈敏度傳感器的研制。
3.2. 國外研究現(xiàn)狀
低成本傳感器由于其可移植性、經濟性、易用性而被逐漸廣泛使用。目前有Alphasense系列、SHINYEI系列、GP2Y1010AU0F等幾種主流傳感器，以及自主研發(fā)的U-POD、ABCD等傳感器。
Anondo Mukherjee等人探究了AirBeam (~250 USD, HabitatMap Inc., Brooklyn, New York, NY, USA)和Alphasense光學粒子計數器(OPC-N2)顆粒物傳感器(~450 USD, Alphasense Ltd., Essex, UK)在加利福尼亞Cuyama谷12周的使用情況(該地顆粒物(PM)濃度受風吹沙塵事件和區(qū)域運輸的影響)，GRIMM 11-R光學粒子計數器和Met One β衰減監(jiān)控(BAM)兩個傳感器均有比較高的配置精度(R2 = 0.8~0.99)，與參考設備表現(xiàn)出中等程度的相關性(R2 = 0.6~0.76)。Leigh R. Crilley [1] 等人也對Alphasense OPC-N2進行了性能探究，在英國典型城市通過放置14臺OPC-N2實測進行空氣中顆粒物濃度變化，對比兩臺不同的光學粒子計數器以及TEOM-FDMS進行OPC-N2精度評估，對比其他兩臺監(jiān)測設備，OPC-N2對PM1、PM2.5和PM10的測定有一定局限性，基于κ-K?hler矯正理論，當空氣濕度大于85%時，測定濃度明顯偏高。 [2] Eben S. Cross等人對三種低成本(<$200)顆粒物傳感器(SHINYEI: PPD42NS, PPD20V, PPD60PV)進行了比較，在亞特蘭大(城市背景平均PM2.5：8 μg?m?3，路邊平均PM2.5：21 μg?m?3)和印度高濃度地區(qū)(平均PM2.5：72 μg?m?3)進行監(jiān)測, 亞特蘭大的傳感器與微量振蕩天平(TEOM)呈現(xiàn)弱相關(R2 ≤ 0.30)，在印度高濃度地區(qū)PPD20V傳感器與環(huán)境測試衰減顯示器(E-BAM)的相關性最高(R2 > 0.80)，但當濃度較低時，一致性較差(R2 = ~0, <40 μg?m?3)。Joel Kuula等人也對SHINYEI PPD42NS和PPD60PV進行了研究 [3] [4] Jiayu Li等人研究了(Sharp GP2Y1010AU0F)傳感器的顆粒物監(jiān)測效果。Julien J. Caubel [5] 等人研究了在密集檢監(jiān)測網絡中的一種新型黑碳傳感器——Aerosol Black Carbon Detector (ABCD)以彌補黑炭監(jiān)測領域的空白。并且利用數據處理方法降低ABCD的環(huán)境溫度波動的敏感性，從而在非操作環(huán)境(例如，戶外)提高測量性能。文中將ABCD與傳統(tǒng)商業(yè)傳感器(Magee Scientific, Model AE33)進行了比較，ABCD測量性能與AE33相當。平均絕對誤差分別為9.2% ± 0.8% (相對于ABCD的平均數據)和24.6% ± 0.9% (相對于AE33)，均為90%置信區(qū)間 [6] 。
Peng Wei等人研究了實驗室條件下電化學傳感器(Alphasense B4系列)對CO、NO、NO2及Ox的監(jiān)測的影響因素，并開發(fā)了不同的校正方法來補償環(huán)境條件的影響 [7] ?？屏_拉多大學自主構建的U-POD傳感器對O3進行時空水平上的監(jiān)測 [8] [9] 。近期有目前Hasenfratz、Mueller、Pokric、Velasco等多位學者綜合顆粒物及氣態(tài)污染物傳感器進行了比較研究：使用DiSCsMini (Matter Aerosol)、CO-B4 (Alphasense)、NO2-B4 (Alphasense)、CO2-IRC-AT (Alphasense)、NO-B4 (Alphasense)、OPC-N1 (Alphasense)、GPY21010AU0F (Sharp)分別進行UFP、CO、NO2、CO2、NO、PM、PM10的監(jiān)測，MiCS-OZ-14 (e2v)、O3-B4 (Alphasense)、MiCS-2610 (e2v Technologies Ltd)用于O3監(jiān)測 [10] [11] [12] [13] 。
目前還有傳感器應用于室內空氣質量監(jiān)測的實例，如Thang Viet Tran等人研究的非電池智能傳感器，該傳感器包含智能傳感器標簽和射頻(RF)能量采集器，用于測量室內環(huán)境中空氣質量的揮發(fā)性有機化合物濃度、環(huán)境溫度、相對濕度和大氣壓力 [14] 。A. Curto等人評估了三種家用傳感器的性能，包括用于監(jiān)測PM2.5的HAPEX和TZOA-R以及監(jiān)測CO的EL-USB-CO傳感器 [15] 。Akira Tiele等人介紹了一種低成本的便攜式室內環(huán)境質量監(jiān)測系統(tǒng)(IEQ)用于監(jiān)測溫度、濕度、PM2.5、PM10、總VOCs (×3)、CO2、CO、光照水平和環(huán)境聲音 [16] 。Jiayu Li等人應用GP2Y1010AU0F (GP2Y, Sharp Corp., Osaka, Japan) 顆粒物傳感器對室內顆粒物進行了研究 [17] 。
低成本傳感器的網絡管理和空氣質量管理工具和技術與稀疏網絡中的是不同的。傳統(tǒng)的定期數據可視化現(xiàn)場檢查與掃描作為監(jiān)測點的數據質量控制十分有限 [18] [19] [20] 。為改進傳感器的監(jiān)控數據反饋的成本及準確性，Maryam Alavi-Shoshtari等人提出實時數據掃描例程，監(jiān)測本地和區(qū)域內的數據集的可變性，并研究隨著網絡規(guī)模和密度的增長，以及自動化數據中的質量控制 [21] [22] [23] 。Laurent Spinellea等人比較了幾種低成本傳感器的現(xiàn)場校準方法，包括線性/多線性回歸和監(jiān)督學習技術，在五個月的田間試驗中，使用不同的指標和技術：正交回歸、目標圖、測量不確定度和傳感器預測的時間漂移，對每一個回歸方法的準確性進行了評價 [24] 。V. M. van Zoest等人基于時空分類，提出了我們使用異常的正態(tài)分布的NO2觀測截斷正態(tài)分布的均值和標準偏差來監(jiān)測離群值。一種新的異常值監(jiān)測方法，用于監(jiān)測每小時NO2濃度，并將該方法應用到荷蘭市埃因霍溫的一個低成本的空氣質量傳感器網絡，并發(fā)現(xiàn)0.1%~0.5%異常 [25] 。FadiKizel等人提出了一種節(jié)點對節(jié)點(N2N)的校準方法，在每個鏈中只有一個傳感器直接與參照設備進行校準，然后其余的傳感器依次與其校準，校準可以作為常規(guī)程序多次執(zhí)行。這個程序最小化了傳感器搬遷的總數，在校準的同時可以收集數據 [26] 。Li Sun等人開發(fā)了一種自動校正常用電化學二氧化氮(NO2)傳感器漂移的新方法，利用自動調零協(xié)議的開發(fā)和使用化學吸收劑去除NO2為手段，在不同的環(huán)境條件下進行零位校正評估，并對其應用進行綜合評價 [27] 。
4. 結論
與傳統(tǒng)監(jiān)測儀器比較可以發(fā)現(xiàn)，顆粒物傳感器具有更為顯著的優(yōu)點：顆粒物傳感器本身具有占地面積小，成本低，可以大面積布設；安裝簡單，維護少；對安裝環(huán)境要求較低等優(yōu)點，因此這項技術提供了最有效的空氣監(jiān)測方法并有助于大眾深入了解他們周圍的空氣質量問題，同時這些重要的優(yōu)點是其在監(jiān)測領域能夠快速發(fā)展并占據地位的主要原因。
基金項目
國家重點研發(fā)計劃(2016YFF0103005)。
NOTES
*通訊作者。
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