四方光电实现基于光散射原理粉尘（PM2.5)传感器在多个领域中的创新应用

四方光电在光散射技术上的开发及应用可以追溯到2008年上海世博会。为满足国内某知名暖通空调（HVAC）企业产品开发需要，公司依托多年传感器和仪器开发的基础，为客户开发成功一套集成的空气品质模组，包含PM2.5、CO2、甲醛、磁辐射和温湿度等多种指标。从那开始，公司持续深耕颗粒物传感器的研发创新。四方光电从给工业高端仪器设备配套核心模组开始，到现在给室内各类智能家电的配套、汽车整车OEM的配套、户外扬尘及网格化监测设备的配套、工厂洁净度监测系统的全面配套，已经覆盖多个应用领域，涉及室内、室外、车内等多种不同的应用场景，实现了基于光散射技术的全产品线开发及应用。

室内粉尘检测

早期空气净化器客户多采用日本品牌的灰尘传感器进行颗粒物检测，仅仅用来显示不同颜色（通常是红色代表超标，黄色代表预警，绿色代表优良）或者1，2，3数字等级来向用户显示净化器的净化效果。这种等级显示的方式，只能作为趋势变化的参考，无法传递环境真实的情况。之所以这样，有两个原因，一是早期雾霾等空气污染不太严重，市场没有精准显示的需求；二是光散射技术在民用家电领域的应用被限制在了较低成本范围内，无法实现进一步的技术升级。这类传感器以日本和韩国品牌为代表，产品外观及设计思路如下：

可以看到，这类以红外LED作为光源，加热电阻来实现空气流动的产品设计原理，其原始信号非常微弱，无法区分颗粒物信号与基底噪声的差别，因此只能通过触发低电平的方式，用单位检测周期内的低电平占空比来指代环境中探测到的颗粒物变化情况。

随着中国工业化进程的加快，环境污染问题日益突出，影响城市居民呼吸道健康的雾霾问题日趋严峻，“PM2.5”也首次进入大众视野，成为了2013年的热门关键词。四方光电在2014年3月参加的AWE中国家电博览会上，接受到了众多家电企业对于低成本、高精度实现PM2.5探测的急切需求。

“高技术、低成本、量产化”正是四方光电气体传感器一贯致力专研的方向，公司立刻成立研发团队，积极响应市场和用户。通过接近一年的努力，四方光电于当年底完成了首款专门针对空气净化器开发的激光粉尘传感器PM2005的开发和投产，实现了国内该领域的产品突破。PM2005通过将LED光源升级为激光光源，引入风扇实现稳定的气流控制，单片机实现输出信号的数字化，并配置UART、IIC、PWM等多种数据通讯传输方式可选，真正意义上实现了在线实时、精准测量、高性价比的产品设计目标，一直倍国内外主流的净化器厂家配套选用。

LED红外粉尘传感器与激光型粉尘传感器的性能对比：

从上表可以看到，如果用户的设备需要进行快速精确的实时数值显示，激光粉尘传感器无疑是一个更为合理的选择，而如果设备只是仅仅作为等级显示，或者只是用一个简单的数字待变变化趋势而对测量精度没有要求，则可以继续沿用LED红外粉尘传感器。

从2015年发展至今，四方光电每年都会持续针对客户的需求变化持续不断的推陈出新新的产品，目前激光粉尘传感器已有PM2107、PM2008、PM2009、PM2012等多款量产品，客户可根据自身结构、性能的实际需求，灵活选择。

车内粉尘检测

同时，雾霾也造成了人们对汽车车厢的空气品质的关注。通过积极开展与OEM主机厂开发人员的技术交流，配合主机厂客户进行预研项目的开发及应用，在2016年推出了首款完全适用乘用车前装技术及可靠性要求的激光车内PM2.5传感器总成CAPS-3500，并在当年底被某国产品牌汽车作为Tier2供应商被定点，2017公司通过IATF16949汽车质量体系认真，公司开发的开发第二代车规级PM2.5传感器总成APMS-3000获得国际著名汽车空调品牌的PM2.5传感器定点，2018年开发第三代PM2.5传感器总成APMS-3500在被捷豹路虎定点为一级供应商。此外公司还开发出车规级PM2.5传感器总成平台APMS-3300系列，目前已批量应用与多款国内外车型。

光散射技术在整车上的前装应用，和室内家居场景完全不同，在技术上遇到了多种困难和挑战。首先，车舱内的空气环境更为复杂。室内家居环境如果长期开着净化器或者新风系统，通过HEPA等过滤后，只要不是在雾霾天经常开窗通风，一般室内环境比较洁净，大颗粒不多，1μm以下的小粒子居多。这个时候其实PM2.5与PM1.0的数值是非常接近的，那么我们通过香烟进行传感器标定就合情合理，也有标准依据（GBT18801-2015使用红塔山1916品牌的香烟作为标准尘源）。但是车舱内的环境就完全不是这样，经常的开车窗、开汽车空调外循环都会把外界空气引入到车内，而国道、高速、地下车库、城市等不同道路上的环境粉尘构成均不同，存在较大差异，如果继续沿用室内家居的粉尘传感器，明显无法做到准确的尘源识别和测量。四方光电通过多年对光散射的技术积累和对应用场景的深入理解，开发出智能尘源识别算法（API算法），能够有效识别出车舱内的颗粒物构成，实现精准测量。

其次，不论是汽车空调内循环还是外循环，车舱内的气流变化都是较大的，这点也与室内空气较为静止非常不同，如果继续沿用民用粉尘传感器的设计，检测数据一定会受到气流变化的影响而出现较大波动，给用户带来不好的体验。四方光电根据这一应用场景实际情况，将民用粉尘中的轴承风扇升级为大尺寸鼓风机，抵抗风阻的能力更强，还可以外接10-30cm的导气管，从而确保检测数据的稳定。

由于当时市面上并没有完全符合车规环境温度及可靠性要求的鼓风机，供应商定制费用昂贵且时间配合上无法满足项目量产需求，四方光电投资开设了自己的车规级风扇工厂，从客户需求出发，完全按照汽车应用的性能及可靠性要求进行开发设计，目前已经批量并应用到多款车型中，实现了核心关键零部件的自制。

最后，由于主机厂的车型较多，既有新设计车型也有量产改款车型，留给粉尘传感器的安装和固定空间非常有限，四方光电为了降低客户的新产品开发成本，缩短开发周期，创新的引入了平台化开发的创意，推出了平台化的系列产品APMS-330X，该系列产品可以在确保PCBA及硬件设计完全不改动的情况下，让传感器的进出风口及连接器在任意面按照客户需求进行位置调整。

室外扬尘监测

2018年环境保护局发布了我国将推行网格化环境监管逐步实现从重点区域至全覆盖的计划，相关试行标准《大气PM2.5网格化监测点位布设技术指南（试行）》也逐步发布。利用精准、科学的网格化监测系统来治理大气污染，可以有效提升治理环境的工作效率，而网格化系统的核心是PM2.5和PM10的有效监测。

2020年又是打赢蓝天保卫战、“十三五”规划的全面收官之年，我国大气污染治理进入攻坚“深水期”，剩下的都是难啃的“硬骨头”。作为一直以来的重点和难点，扬尘污染治理已然成为大气污染防治目标完成与否的关键点之一。

工地扬尘及城市网格化监测是大气污染防治的重要组成部分，监测系统中实现探测的核心传感器尤其重要，其必须同时具备产品的科学可靠性、应用的完备性和经济的适用性三个特点。我国室外扬尘及网格化监测领域，早期多采用称重法和β射线吸收法的监测仪，该设备无法实现在线实时监测，投入费用昂贵且后期维护成本高，无法大批量得到应用。而民用净化器中大量应用的激光粉尘传感器，又因为存在无法满足室外-30~70℃全天候的温度环境，及无法满足建设工地等实际使用场景经常喷洒降霾的水雾影响或者下雨潮湿的高湿环境要求而难以得到使用。在户外环境下使用净化器上的传感器，其温度容易使传感器损坏，水雾也经常被误判为雾霾而造成爆表，同时与国家大气环境监测网提供的PM2.5/PM10/TSP的多项数据对比，民用激光粉尘传感器由于激光功率小、采样流量小，导致PM10分辨率很低，只能根据PM2.5的数值按照比例计算出PM10和TSP，这样的监测数据存在严重失真。

通过准确把握上述客户需求的痛点，四方光电继续攻坚克难，发挥在光散射原理上长期积淀的技术优势，结合在室内及车内粉尘检测上所积累的经验，研制出了扬尘传感器-PM3003、PM3006系列产品，其具备如下关键优势和特性：

首先，采用宽温型大功率线型激光光源、API粉尘自动识别技术、先进的流道设计实现抗污染、高湿度环境的水雾去除装置等，开创新的低成本实现了对室外扬尘的准确测量，PM2.5和PM10的实时监测数值与β射线吸收法监测设备，准确测量的相关性可以达到0.9以上。

其次，PM3003X、 PM3006激光扬尘传感器采用了工作温度在-30~70℃的恒功率、线型光源，其光功率高达100mW，相比点光源高出20倍以上，原始信号更强，大大提升了颗粒物的识别效率。同时对光源采用了恒功率控制，保证原始信号的稳定输出，确保测量的稳定性。

最后，配套了除湿装置，防止室外环境中细小的水珠进入检测气室，消除水汽对扬尘传感器的精度影响。

由此，四方光电实现了从室内到车内，再到户外粉尘检测的全领域覆盖，其最大的优势在于，可以结合不同领域应用场景对产品的需求，实现技术的灵活配置，最大程度的为客户提供创造性的优质解决方案，并可在未来客户的产品升级换代中，提供进一步的技术及性能拓展空间。

四方光电企业介绍

四方光电于2003年在“中国武汉-光谷”成立，是一家专业从事气体传感器、气体分析仪器研发、生产和销售的高新技术企业。四方光电公司董事长、创始人熊友辉为华中科技大学热能工程专业博士，教授级高级工程师，国务院特殊津贴专家。

公司开发了基于非分光红外(NDIR)、光散射探测(LSD)、超声波(Ultrasonic)、紫外差分吸收光谱(UV-DOAS)、热导(TCD)、激光拉曼(LRD)等原理的气体传感技术平台，形成了气体传感器、气体分析仪器两大类产业生态、几十款不同产品，广泛应用于国内外的家电、汽车、医疗、环保、工业、能源计量等领域。

四方光电是湖北省首批知识产权示范建设企业，建设有湖北省气体分析仪器仪表工程技术研究中心、湖北省企业技术中心，承担了国家重大科学仪器设备开发专项、工信部物联网发展专项等国家科技开发项目。截至2020年8月底，公司及子公司拥有101项境内外注册专利，其中国内99项，国外2项。发明专利共有33项（境内31项，境外2项）。公司及子公司湖北锐意分别入选工信部2019年工业强基工程-“传感器一条龙”应用计划示范企业和示范项目。凭借长期的技术积淀、良好的产品性能及国际化视野，公司已取得多家国内外知名企业的认可，产品销往全国并出口到80多个国家和地区。