室外激光粉尘传感器在施工工地中的应用
一、施工工地扬尘监测治理背景分析
扬尘是一种由地面上的尘土在风力或人类行为的带动下而进入大气的开放性污染源，是影响大气环境的重要组成部分。扬尘颗粒会随着空气流动而移动，大粒径的颗粒物会被阻挡在上呼吸道系统中，而10微米以下的颗粒物会进入下呼吸道，2.5微米以下的颗粒物会积聚在肺泡中，引发一系列疾病。此外，扬尘中还含有大量细菌和病毒，严重影响人们身体健康。因此，对施工工地扬尘的监测和控制，已经成为许多城市亟待解决的问题。
2019年4月，住建部发布了《关于进一步加强施工工地和道路扬尘管控工作的通知》，进一步明确要求了对建设单位和道路扬尘进细化监测管控。为积极响应“打赢蓝天保卫战”的号召，全国多省各市出台了相应的措施，将扬尘监测和监管系统建设作为施工工地扬尘治理的重点工作内容。施工工地扬尘监测的对象主要为pm2.5、pm10以及粒径小于100μm的总悬浮颗粒物(tsp)。加强对施工工地扬尘的监测治理，使得工地的各项施工均符合环保标准，另一方面，也通过监测治理，保证工地工作人员及周围人们群众能最大化的降低空气环境对身体带来危害。
二、施工工地扬尘监测中的技术现状
施工工地扬尘治理一般是通过在建筑施工及道路施工现场安装扬尘在线监测系统，对空气中的大粒径悬浮颗粒物的质量浓度变化情况进行实时监测并显示数据，当检测浓度过高时，联动喷淋设备对现场进行降尘处理，使空气中的大粒径悬浮颗粒物沉降到地面。目前国家并未专门针对室外扬尘污染监测治理制定标准，但福建、河北、江苏、辽宁、南京、陕西、上海、深圳、天津等地相应出台了地方标准。
目前，在我国施工工地扬尘的监控中，用于测量颗粒物粒径大小和质量浓度的方法主要有三种，分别是：“微量振荡天平法”、“β射线法”以及“光散射法”。
其中“振荡天平法”监测数据准确，灵敏度高，但设备体积过大，价格较高，在测量的性价比上不占优势；“β射线法”结构简单、人工维护量较低，价格也比天平振荡法低，但其响应速度慢，无法显示瞬时值，在实时测量中使用不便；因此在行业内多采用“光散射法”的激光粉尘传感器，可实时在线测量，并具有速度快、造价低廉、无需维护等优势。在实际监测中，也经常采用“β射线法+光散射法”联合布点的方式，使用β射线法设备作为对光散射法的质量控制设备定期校准质控。
三、室外激光粉尘传感器的应用难点
基于目前室外扬尘监测设备批量化、小型化和低成本的应用要求，室外激光粉尘传感器的市场需求暴涨。但面对施工工地监测环境的复杂性和现场管控的高要求，在实际应用过程中，室外激光粉尘传感器还面对着以下的技术难点：
1.流量控制
天津、上海、陕西、南京、河北、深圳等地发布的相关扬尘监测技术规范文件均明确规定了扬尘监测设备的流量误差，普遍要求流量误差控制在±5%或±10%。因此，施工工地扬尘监测仪器设备的流量控制是在实际监测应用中需重点解决的问题之一。
2.测量精度
此外，在施工工地扬尘的监测中，对传感器的测量精度有很高的要求。例如河北省发布的《施工场地扬尘排放标准》（db13/2934-2019）中指出，20台扬尘监测设备的平均相对误差值应≤±15%。
而以往的激光粉尘传感器通常采用香烟作为标准粒子进行标定，实际香烟中的颗粒物粒径在0.3~1.0μm之间，而施工工地扬尘监测重点关注于pm2.5、pm10和tsp。用香烟作为标准粒子标定激光粉尘传感器，传感器在室外扬尘监测应用中对香烟以外的其他大粒径颗粒物的测量会存在误差，从而影响整个传感器的测量精度。
3.环境适应性
施工工地扬尘监测应用对传感器的工作环境要求较高，空气中温湿度过高或过低都会对检测结果产生一定的影响。另外，由于粉尘具有吸湿性，激光粉尘传感器的读数会随相对湿度的增加而偏大。由此可见，环境温湿度对室外激光粉尘传感器测量结果的影响不可忽视。
此外，各地发布的相关扬尘监测技术标准中对扬尘监测设备的工作温湿度作出了明确要求，例如南京市《建设工地扬尘智能监控指导手册》中要求扬尘监测设备应满足-30℃-50℃的工作条件，河北省发布的《施工场地扬尘排放标准》（db13/2934-2019）中要求扬尘监测设备的工作湿度为≤100%rh。因此，室外激光粉尘传感器能否满足扬尘监测设备的工作温湿度要求也应被重点关注。
4.积灰处理
激光粉尘传感器在长期的使用过程中，空气流经仪器内部会导致传感器灰尘堆积，特别是落入激光出射孔内时，会污染传感器的内光学器件，影响测量精度和使用寿命。能否有效解决传感器内部的积灰问题，也是在实际应用中不可忽视的因素。
四、激光粉尘传感器pm3006技术特点
武汉四方光电科技有限公司作为国内专业从事气体传感器研发制造的国家高新技术企业，早在2010年就研发出首款激光粉尘传感器，具有较好的技术和产业基础。特别是基于近年来施工工地扬尘监测的市场需求，针对行业内存在的技术难题，在传感器的核心配件及算法上实现了技术创新，取得了重大突破，研发出一款基于激光散射原理，适用于扬尘监测的室外激光粉尘传感器pm3006。
1.恒流取样。在pm3006中，应用更小的气体流量喷嘴和微型涡轮风扇，结合mcu和pid控制器，维持涡轮风扇的恒转速转动，使通过传感器的气流保持稳定，保证pm2.5、pm10、tsp的测量精度。
2.尘源智能识别。所谓“尘源智能识别”，即室外激光粉尘传感器的实际应用过程中，可对当前环境下的尘源类别（即颗粒物成分）进行判断识别，结合相应算法对当前尘源对应的补偿系数进行修正，避免了对标准粒子外其他颗粒物的测量误差问题。
3.长寿命、耐高温的激光管。目前市面上的大部激光粉尘传感器的寿命主要局限于激光管，激光管的寿命一般有2万多个小时，连续工作使用年限不到三年。且激光管随着使用时长的增加发射的光源会出现衰减，测量精度也会随之变差。对此，武汉四方光电自主研发了一款耐高温、长寿命的激光管，寿命长达8万个小时，使用年限可达十年。
4.温湿度补偿算法。在环境温湿度对传感器的影响上，也实现了技术创新，以独有的软件算法为基础，进一步开发出温湿度补偿算法，对室外激光粉尘传感器在室外扬尘监测应用中因温湿度变化而产生的测量误差进行补偿校准，确保传感器在全温湿度范围内的准确测量。
5.鞘气保护结构。武汉四方光电在传感器的结构设计上进行了全面改造升级，在传感器内部使用鞘气保护结构，自动隔离灰尘，使粉尘不沉积于腔体；由外部引入洁净空气，腔体周围空气保持洁净状态，保护光学单元不受污染，从而使得激光和光电二极管上没有颗粒积聚；客户端无需频繁更换传感器，节约后续维护成本。
图2、激光粉尘传感器鞘气保护结构原理图
根据施工工地扬尘的监测需求，对室外激光粉尘传感器进行了温湿度适应性及高灰环境下的防积灰特性实验。
图3、-30℃低温环境运行48h后pm3006的一致性、准确性测试
图4、70℃高温环境运行48h后pm3006的一致性、准确性测试
图5、高灰环境后高浓度粉尘测量误差分布
实验结果表明，室外激光粉尘传感器pm3006满足施工工地扬尘监测的各项指标要求，且具有较好的一致性及长期稳定性。
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