秦孝良，高 健，王永敏，宋英石，徐義生，陳少華，沈 茜，柴發(fā)合

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012 2.天津環(huán)境科學(xué)研究院，天津 300191

隨著工業(yè)化發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速，大氣污染問題日益突出，并逐漸由單一型城市污染向區(qū)域污染、煤煙型污染向復(fù)合型污染轉(zhuǎn)變[1]。自2012年新的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)發(fā)布以來，全國陸續(xù)建成1 496個國家空氣質(zhì)量監(jiān)測站，成為中國環(huán)境空氣質(zhì)量評價(jià)的主力軍，各城市陸續(xù)建設(shè)市級監(jiān)測站，成為國家監(jiān)測站的有益補(bǔ)充[2]。

近年來，大氣污染精細(xì)化治理逐漸深入，對空氣質(zhì)量監(jiān)測、污染監(jiān)控溯源等提出了更高的要求。大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)所獲得的環(huán)境數(shù)據(jù)應(yīng)能夠準(zhǔn)確、及時(shí)、全面地反映特定區(qū)域環(huán)境的質(zhì)量現(xiàn)狀及其變化趨勢，要求覆蓋面廣，監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)靈活，進(jìn)而為環(huán)境管理、污染源控制和環(huán)境規(guī)劃等提供更豐富的決策依據(jù)[3]。實(shí)際應(yīng)用中，標(biāo)準(zhǔn)方法監(jiān)測儀器監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，但造價(jià)高、維護(hù)成本大，難以滿足高密度網(wǎng)格化及動態(tài)監(jiān)測的需求，也無法對個人暴露水平進(jìn)行精準(zhǔn)評估[4]。

基于低成本傳感器的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因具備實(shí)時(shí)性強(qiáng)、易安裝等優(yōu)勢，可滿足大氣密集網(wǎng)格化布點(diǎn)監(jiān)測的要求。近年來，傳感器在環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測中已得到了廣泛應(yīng)用，大量數(shù)據(jù)被用來協(xié)助計(jì)算排放因子[5]、繪制污染地圖[6]、監(jiān)控污染熱點(diǎn)[7]，以及評估環(huán)境污染所造成的健康影響[8]。但同時(shí)也暴露出其數(shù)據(jù)的“準(zhǔn)確性差”、難以校準(zhǔn)、壽命較短等問題。

研究圍繞目前環(huán)境空氣污染治理中對監(jiān)測技術(shù)的新需求，在總結(jié)傳感器原理的基礎(chǔ)上，綜述了傳感器技術(shù)在監(jiān)測環(huán)境空氣質(zhì)量、監(jiān)控污染熱點(diǎn)、評估個人暴露水平方面的應(yīng)用，總結(jié)了傳感器技術(shù)在環(huán)境空氣治理中所面臨的技術(shù)、管理、應(yīng)用方面的挑戰(zhàn)，并展望了傳感器技術(shù)的研究前景。

1 研究方法

筆者總結(jié)歸納一系列與傳感器相關(guān)的技術(shù)資料，除了查閱科學(xué)文獻(xiàn)外，還包括訪問國內(nèi)外知名傳感器公司官網(wǎng)進(jìn)行產(chǎn)品調(diào)研，查閱未發(fā)表的會議報(bào)告與項(xiàng)目報(bào)告、查閱相關(guān)圖書與評估指南(近10年來，傳感器領(lǐng)域發(fā)展迅速，新的發(fā)展和信息并不總能及時(shí)在科學(xué)文獻(xiàn)中發(fā)表)。同時(shí)充分利用相關(guān)搜索引擎(包括中國知網(wǎng)、Web of Science、百度學(xué)術(shù)、Elsvier、Google和Bing)，搜索中發(fā)現(xiàn)國內(nèi)對傳感器的研究文獻(xiàn)較少，所以常使用英文關(guān)鍵字〔包括Wireless Sensor Network(WSN)、evaluation of sensors和application of sensors〕進(jìn)行搜索。搜索結(jié)果通常大于100萬次，研究針對傳感器的應(yīng)用與評估選取了近5年的研究資料。

2 空氣傳感器分類及原理

空氣傳感器是一種檢測裝置，將所感受到的被測量污染物信息按照一定的方式變換為電信號或其他所需信號的輸出裝置，具有一定的靈敏度，且成本較低。傳感器在環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測與污染治理中的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在對大氣顆粒物(PM2.5、PM10)以及氣態(tài)污染物(NOx、CO、SO2、O3、VOC等)進(jìn)行檢測。

2.1 顆粒物傳感器

顆粒物傳感器可以根據(jù)其原理進(jìn)行劃分。目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的是基于光散射原理的顆粒物傳感器，其成本也最為低廉。此外還有芬蘭Pegasor公司開發(fā)的基于“逃逸充量”原理的電學(xué)法顆粒物傳感器，荷蘭Detaki公司開發(fā)的低壓沖擊撞擊質(zhì)量濃度檢測儀等。表1總結(jié)了國內(nèi)外具有代表性的顆粒物傳感器[9-18]。

表1 國內(nèi)外具有代表性的顆粒物傳感器Table 1 Representative particulate sensors at home and abroad

注：“①”表示該數(shù)據(jù)的單位為μg/m3；“—”表示未獲得數(shù)據(jù)。

光散射法顆粒物傳感器基于Mie散射理論。GUSTAV MIE通過研究標(biāo)準(zhǔn)球形顆粒與光之間的散射現(xiàn)象，推導(dǎo)出光散射物理解析解，從而建立標(biāo)準(zhǔn)球形顆粒的Mie理論。光散射原理即令激光照射在空氣中的懸浮顆粒物上產(chǎn)生散射，同時(shí)在某一特定角度收集散射光，得到散射光強(qiáng)隨時(shí)間變化的曲線。顆粒物通過傳感器的光敏區(qū)，產(chǎn)生相應(yīng)的光脈沖，光脈沖大小對應(yīng)顆粒物直徑大小，脈沖數(shù)目對應(yīng)顆粒物數(shù)目，通過將這些脈沖信號歸類到不同的粒徑區(qū)間，形成顆粒物粒徑譜圖，從而計(jì)算出顆粒物質(zhì)量濃度[19]。

電學(xué)法顆粒物傳感器測量顆粒物質(zhì)量濃度是基于1983年LEHTIMKI等提出的 “逃逸充量”的原理。應(yīng)用電暈針高壓放電使清潔空氣電離，產(chǎn)生的正離子與顆粒物混合碰撞，使顆粒物帶電。自由電子進(jìn)入“離子阱”中，帶電顆粒物則逃離傳感器。由于帶電顆粒物的逃離，造成的電荷損失需要進(jìn)入隔離區(qū)域進(jìn)行等效“補(bǔ)充”電流以恢復(fù)電平衡?！把a(bǔ)充”電流通過靈敏的靜電計(jì)測量，與氣溶膠濃度成正比[20]。

靜低壓沖擊撞擊原理顆粒物傳感器(DGI)[21]，按照顆粒物不同的粒徑范圍分成多個分割級，含有顆粒物的空氣首先被加熱稀釋，然后通過靜電室使顆粒物帶電，帶電顆粒物由于自身尺寸大小不同而具有不同的慣性，在定向流動過程中被各個撞擊級收集，根據(jù)各個撞擊級電流信號大小測量出每一級中顆粒物質(zhì)量濃度大小，通過統(tǒng)計(jì)所有撞擊級的電流信號得到總顆粒物質(zhì)量濃度。

不同的傳感器技術(shù)各有其優(yōu)勢。光散射法傳感器具備結(jié)構(gòu)簡單、在線監(jiān)測、響應(yīng)時(shí)間快、無損檢測等優(yōu)點(diǎn)，是目前技術(shù)相對成熟、應(yīng)用相對廣泛的顆粒物傳感器，大多數(shù)學(xué)術(shù)研究或?qū)嵺`應(yīng)用項(xiàng)目都是基于該方法而展開的?；凇疤右莩淞俊痹淼碾妼W(xué)法傳感器，具有非?？斓捻憫?yīng)時(shí)間，時(shí)間分辨率可高達(dá)0.3s[22]。由Pegasor公司開發(fā)的PSS-M傳感器可以長期安裝在車輛上，目前已經(jīng)由幾個車輛制造商和獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了測試，可安裝在機(jī)動車DPF的前后，檢測汽車尾氣中顆粒物濃度[23]。DGI傳感器采用分級檢測，多應(yīng)用于檢測燃燒產(chǎn)生PM2.5的質(zhì)量濃度，SARVI等[24]應(yīng)用DGI傳感器檢測柴油機(jī)顆粒物排放，HAPPOA等[25]應(yīng)用DGI傳感器監(jiān)測生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的顆粒物對肺部的影響。

2.2 氣體傳感器

氣體傳感器分類有很多種，有半導(dǎo)體氣體傳感器、電化學(xué)法氣體傳感器、壓電振動法(QCM)氣體傳感器、光學(xué)法氣體傳感器，其中應(yīng)用與研究最多的是半導(dǎo)體氣體傳感器和電化學(xué)法氣體傳感器。在國際上具有代表性的氣體傳感器公司主要有：Figaro、New Cosmos、FIS、UST、MICS、CityTec、Alphasense、Aeroqual、SGX、UnitecSens、Dynamo、Applied Sensors。

半導(dǎo)體氣體傳感器的基本原理是分子吸附半導(dǎo)體材料表面，引起其電學(xué)性質(zhì)的變化。半導(dǎo)體式傳感器使用壽命為1～2年，與電化學(xué)傳感器相比靈敏度較低，價(jià)格較貴，但運(yùn)行穩(wěn)定。根據(jù)半導(dǎo)體材料的不同，半導(dǎo)體氣體傳感器可分為金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器、有機(jī)半導(dǎo)體傳感器以及最新開發(fā)的碳納米結(jié)構(gòu)傳感器[26]。金屬氧化物半導(dǎo)體材料包括：SnO2、TiO2、ZnO、WO3、MoO3、CuO和In2O3等。SHAFIEI等[27-29]分別應(yīng)用WO3、ZnO半導(dǎo)體材料氣體傳感器對H2的測量進(jìn)行了敏感性研究；2015年，ZHANG等[26]研究了金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器在室溫條件下的應(yīng)用；2012年，LU等[30]通過合成ZnO/SnO2復(fù)合材料，提高傳感器對NO2的響應(yīng)。有機(jī)半導(dǎo)體材料包括：聚苯胺(PANI)、聚3,4-亞乙基二氧噻吩(PEDOT)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚表氯醇(PECH)、絡(luò)合物TCNQ和TCNQF4。2011年，SRIVASTAVA等[31]開發(fā)了基于PANI和多壁碳納米管(MWNT)半導(dǎo)體材料的氣體傳感器，并在室溫下對H2進(jìn)行了測試；2016年，HOSHYARGAR等[32]應(yīng)用有機(jī)-金屬絡(luò)合物CuTCNQF4對溫室氣體進(jìn)行了敏感性研究；2017年，WANG等[33]開發(fā)了結(jié)晶并五苯薄膜的超靈敏NO2氣體傳感器。

電化學(xué)法氣體傳感器的基本原理是被測氣體擴(kuò)散或通過泵吸入到催化電極(工作電極)表面，并發(fā)生氧化或還原反應(yīng)，由此產(chǎn)生的電流與被測氣體的濃度成正比，通過檢測電流的大小即可實(shí)現(xiàn)對氣體濃度的測定。電化學(xué)傳感器具有成本低、功耗低、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，但壽命較短(1年)，并且易受CO、VOCs和NO2的干擾，造成數(shù)據(jù)漂移，因此需要頻繁的校準(zhǔn)。2013年，MEAD等[34]通過改善電化學(xué)法氣體傳感器的信噪比和靈敏度，實(shí)現(xiàn)了對CO、NO和NO2在10-9數(shù)量級混合比的檢測。

QCM[35]基本原理是當(dāng)氣體分子吸附于晶體表面時(shí)，氣體濃度的變化會引起晶體振蕩頻率的改變，通過測試晶體振蕩頻率計(jì)算出氣體的濃度。因?yàn)轭l率是高準(zhǔn)確度、高精度的變化量，基于QCM的氣體傳感器與其他類型的傳感器相比，具有較高的靈敏度和分辨率。BAHREYNI等和YANG等[36-37]多項(xiàng)研究認(rèn)為，基于QCM原理的傳感器在高靈敏度測量氣體方面是最具有潛力的。

光學(xué)法傳感器主要分為對光量選擇吸收的紅外吸收式氣體傳感器和通過改變折射率的光纖傳感器。紅外吸收式傳感器利用氣體對紅外線的選擇吸收性，根據(jù)氣體的特征吸收光譜鑒別氣體種類，由比爾定律建立吸光度、入射光強(qiáng)度、出射光強(qiáng)度、吸光物質(zhì)濃度之間的關(guān)系。2013年，CASTELL等[38]證明紅外吸收式傳感器對二氧化碳的檢測非常有效。光纖傳感器的原理是待測氣體與光纖涂層作用引起涂層折射率的變化，通過漸逝波的檢測確定氣體濃度。HUANG等[39]使用具有雙聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)/氯酚紅(CPR)涂層作為彎曲光纖探針的傳感器檢測空氣中的痕量NH3，在空氣中的檢測限為2.7×10-9。

3 傳感器技術(shù)的應(yīng)用

空氣質(zhì)量的精細(xì)化管理和污染的精準(zhǔn)治理需要高時(shí)空分辨率的監(jiān)測數(shù)據(jù)，而目前標(biāo)準(zhǔn)方法的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)由于造價(jià)高昂、維護(hù)成本大，難以滿足精細(xì)網(wǎng)格監(jiān)測的需求。模式模擬盡管在一定程度上可能解決這個問題，但需要詳細(xì)的信息輸入，因源清單數(shù)據(jù)和氣象條件的復(fù)雜性，其結(jié)果具有較高的不準(zhǔn)確性[40]。

近年來，隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的出現(xiàn)，使空氣質(zhì)量高時(shí)空分辨率監(jiān)測成為可能。WSN由許多個空間分布傳感器節(jié)點(diǎn)組成，可監(jiān)測一個或多個物理或環(huán)境參數(shù)。通過無線傳輸技術(shù)，將傳感器各節(jié)點(diǎn)的信息傳輸?shù)街醒霐?shù)據(jù)平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)的儲存與分析。WSN通過對空氣污染物的高時(shí)空分辨率監(jiān)測，在監(jiān)測環(huán)境空氣質(zhì)量、監(jiān)控污染熱點(diǎn)、評估個人暴露水平方面發(fā)揮出巨大的優(yōu)勢。

3.1 傳感器技術(shù)在環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測中的應(yīng)用

受污染源的局地排放和污染物的區(qū)域傳輸?shù)扔绊?，環(huán)境空氣污染物往往能夠在相對較小的時(shí)間、空間尺度上快速變化，針對復(fù)雜的污染情況，大量部署的低成本傳感器可實(shí)現(xiàn)高時(shí)空分辨率監(jiān)測，對區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量進(jìn)行有效監(jiān)測。根據(jù)不同監(jiān)測目的，傳感器可適用于不同應(yīng)用場景，如固定監(jiān)測和移動監(jiān)測。

固定型傳感器可以高密度、高覆蓋率的布置到城市或者特定的區(qū)域，起到網(wǎng)格化布點(diǎn)的作用，基于網(wǎng)格化，能夠?qū)崿F(xiàn)對環(huán)境空氣質(zhì)量高時(shí)空分辨率監(jiān)測。GAO等[7]應(yīng)用一種由低成本顆粒物傳感器組成的檢測儀器Portable University of Washington Particle(PUWP)，作為補(bǔ)充監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，對西安市內(nèi)住宅、商業(yè)區(qū)、政府和學(xué)術(shù)領(lǐng)域等7個地點(diǎn)顆粒物的時(shí)空變化進(jìn)行研究；SCHNEIDER等[41]基于地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的“數(shù)據(jù)融合”方法，將低成本傳感器網(wǎng)絡(luò)的空氣質(zhì)量觀測與城市空氣質(zhì)量模型的空間信息相結(jié)合，繪制了城市空氣質(zhì)量地圖，該方法應(yīng)用于挪威奧斯陸的NO2評估中，能夠再現(xiàn)典型的NO2日常循環(huán)規(guī)律；2015年，RASYID等[42]應(yīng)用3個氣體傳感器節(jié)點(diǎn)，開發(fā)了一個綜合污染監(jiān)測(IPOM)系統(tǒng)對空氣污染物CO和CO2的濃度進(jìn)行監(jiān)測；2013年，PENG等[43]開發(fā)了室內(nèi)總揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)空氣污染監(jiān)測系統(tǒng)。

移動型傳感器可以安裝在載體上(如汽車、自行車、無人機(jī)等)，能夠提供比固定型傳感器更靈活的空間數(shù)據(jù)，并能實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量和污染源的立體監(jiān)測。2013年，SIVARAMAN等[44]開發(fā)了HazeWatch項(xiàng)目，該項(xiàng)目使用車載低成本移動傳感器節(jié)點(diǎn)來測量空氣污染物濃度(如CO、NO2和O3)；2013年，DEVARAKONDA等[45]在公共交通工具上安裝了夏普灰塵傳感器；2015年，SURIANO等[46]在汽車的AirBox包裝中使用了Shinyei傳感器；2015、2016年，HASENFRATZ等、APTE等[6，47]將傳感器安裝在谷歌街景車上來監(jiān)測空氣中NO、NO2和黑碳(BC)的濃度情況，并繪制了覆蓋30 km的高分辨率空氣質(zhì)量地圖；2017年，KOVAL等[48]使用無人機(jī)上的低成本傳感器監(jiān)測室外氣態(tài)污染物(如甲烷)；2017年，山東大學(xué)將顆粒物傳感器安裝在出租車車頂燈上，開展了出租車移動平臺大氣顆粒物監(jiān)測項(xiàng)目，為國內(nèi)道路揚(yáng)塵精準(zhǔn)治理和考核提供了技術(shù)手段[49]。

除了學(xué)術(shù)研究外，一些使用低成本傳感器來收集空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的平臺也相繼建立，如使用移動平臺監(jiān)控城市空氣污染變化的OpenSense[50]和Citi-Sense-MOB[51]平臺；Everyaware[52]幫助公民收集和分享噪音和空氣污染數(shù)據(jù)；Village Green[53]，以社區(qū)為基礎(chǔ)，旨在提高公眾的空氣污染意識；Citi-Sense[54]使公眾能夠在歐洲8個城市中使用低成本的空氣質(zhì)量平臺。

3.2 傳感器在監(jiān)控污染源監(jiān)測及污染控制效果評估中的應(yīng)用

高密度、高覆蓋率的傳感器通過對區(qū)域空氣質(zhì)量的精細(xì)化監(jiān)測，并與污染源排放信息相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)對污染熱點(diǎn)的精準(zhǔn)定位以及對已知污染源的實(shí)時(shí)監(jiān)控和量化分析。同時(shí)，也可評估污染源控制措施的成效。

早期，SIERAKOWSKI等[55]將光散射法顆粒物傳感器應(yīng)用于礦井粉塵的檢測，評估粉塵對人體健康影響以及警報(bào)粉塵的爆炸風(fēng)險(xiǎn)；2015年，HEIMANN等[56]根據(jù)本地和背景污染變化的不同規(guī)律，利用低成本傳感器網(wǎng)絡(luò)的高時(shí)空分辨率和快速響應(yīng)的測量提取潛在的污染“基線”，實(shí)現(xiàn)污染源的追蹤與量化；2015—2017年，ZIKOVA等[57]應(yīng)用顆粒物傳感器在多個地點(diǎn)對環(huán)境中PM進(jìn)行同時(shí)和連續(xù)測量，以評估美國紐約州羅切斯特PM的時(shí)空變化以及交通和木材燃燒對室外PM濃度的影響；2016年，ZALDEI等[58]應(yīng)用吸附于建筑物玻璃上的傳感器“Arduino”技術(shù)，檢測空氣中CO、CO2、NO2的濃度，應(yīng)用“TrafficFlow”交通監(jiān)測平臺實(shí)現(xiàn)對車輛的數(shù)量、大小、型號的統(tǒng)計(jì)，將空氣污染和交通數(shù)據(jù)相結(jié)合對意大利佛羅倫薩市的一個道路現(xiàn)場進(jìn)行了一個月的分析；2016年，JOHNSON等[5]應(yīng)用Shinyei顆粒物傳感器測量道路上的顆粒物濃度，并結(jié)合CO2傳感器和BC監(jiān)測器計(jì)算道路排放因子； 2017年，XUE等[59]利用移動型傳感器檢測到的污染信息，應(yīng)用“伴隨概率法”追蹤恒定排放的室外污染源，該方法能夠快速定位多個室外污染源。低排放區(qū)(LEZ)[60]是為減少汽車尾氣排放、改善空氣質(zhì)量、緩解道路擁堵而設(shè)置的通行限制區(qū)，尤其在歐洲已得到廣泛應(yīng)用。通過傳感器對空氣污染物的監(jiān)測，可對低排放區(qū)政策的實(shí)施效果進(jìn)行評估與研究。2013年，ELLISON等[61]研究了倫敦LEZ 5年內(nèi)車輛對環(huán)境空氣質(zhì)量的影響；2015年，F(xiàn)ERREIRA等[62]評估了里斯本LEZ實(shí)施后，2011—2013年空氣質(zhì)量的改善情況，尤其是PM10與NO2的減少情況。

3.3 傳感器在個人健康暴露研究中的應(yīng)用

2013年世界衛(wèi)生組織(WHO)國際癌癥研究機(jī)構(gòu)(IARC)將室外空氣污染確定為一級致癌物質(zhì)[63]。暴露于空氣污染造成的不利健康影響是全球性的挑戰(zhàn)并引起了廣泛關(guān)注[64]。空氣污染狀況的時(shí)空變化以及人類活動的不確定性，在很大程度上限制了傳統(tǒng)監(jiān)測模式對個人暴露水平的評估[65]。而傳感器具有低成本、易攜帶等特點(diǎn)，在評估個人暴露水平方面具有巨大的優(yōu)勢。

SEMPLE等[66]在2013年應(yīng)用Dylos顆粒物傳感器成功地評估了室內(nèi)二手煙(SHS)暴露水平。2014年，STEINLE等[67]將Dylos與GPS接收器相結(jié)合，跟蹤每個人在6種不同環(huán)境(家里、室外、私人住宅、交通、工作、公共建筑物)下的暴露情況，并對個人暴露水平進(jìn)行短期評估。2015年，NIEUWENHUIJSEN等[68]將新型智能手機(jī)和傳感器技術(shù)相結(jié)合，研究空氣污染的個人暴露水平隨環(huán)境(學(xué)校、家庭、道路)的變化。2015年，香港馬拉松的賽道上布置了一個基于傳感器的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)[69]，計(jì)算出綠色馬拉松空氣質(zhì)量健康指數(shù)(AQHI)，并評估運(yùn)動員的個人暴露水平。Citi-Sense[70]項(xiàng)目是一個參與式空氣質(zhì)量傳感系統(tǒng)，它彌補(bǔ)了個人感知和區(qū)域測量之間的差距，將地理統(tǒng)計(jì)克里格技術(shù)應(yīng)用到數(shù)據(jù)分析中，可以提供比當(dāng)?shù)乇O(jiān)測站更為詳細(xì)的污染信息和空氣質(zhì)量地圖，旨在讓用戶了解他們的污染暴露水平。

4 傳感器技術(shù)研究應(yīng)用的問題與思路

作為一種新興的監(jiān)測技術(shù)，近年來傳感器技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域得到了較快的發(fā)展和應(yīng)用。但同時(shí)傳感器數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性也受到了質(zhì)疑，為此相關(guān)單位開展了大量討論與研究。筆者結(jié)合以上綜述內(nèi)容，總結(jié)了一些國家和相關(guān)單位在傳感器比對與校準(zhǔn)方面取得的研究成果。同時(shí)針對傳感器技術(shù)的現(xiàn)存問題，總結(jié)了其在研發(fā)、管理、應(yīng)用方面所面臨的挑戰(zhàn)。

4.1 傳感器技術(shù)研究現(xiàn)狀

近年來，隨著公眾對空氣污染的關(guān)注以及環(huán)境空氣治理需求的爆發(fā)，傳感器技術(shù)在環(huán)境空氣治理中得到了廣泛應(yīng)用，也逐漸被公眾所接受。但傳感器數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性也受到了質(zhì)疑，相關(guān)單位開展了大量討論與研究。為此，一些國家開展了傳感器比對與校準(zhǔn)研究，發(fā)布了傳感器的使用與評估指南。

2014年USEPA發(fā)布了《空氣傳感器指南》[71]，用于指導(dǎo)低成本空氣質(zhì)量傳感器的使用，內(nèi)容包括介紹商用空氣質(zhì)量傳感器的成本及性能，提供人們針對不同污染物選取傳感器時(shí)所需要考慮的關(guān)鍵因素，同時(shí)確立了響應(yīng)時(shí)間、響應(yīng)偏差等性能指標(biāo)。2013年，歐盟環(huán)境署建立了監(jiān)控認(rèn)證計(jì)劃(MCERTS)，發(fā)布了用于監(jiān)測空氣污染的低成本氣體傳感器的評估和校準(zhǔn)協(xié)議[72]，并提供了一個傳感器的測試流程用于指導(dǎo)傳感器的評估，該流程包括3個步驟，首先測試傳感器的基本性能(重復(fù)性、短期和長期漂移)，其次確定可影響傳感器性能的重要因子，最后通過實(shí)驗(yàn)/模型進(jìn)行驗(yàn)證。2017年原環(huán)境保護(hù)部委托北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測中心及中國環(huán)境科學(xué)研究院等單位制定了4項(xiàng)網(wǎng)格化細(xì)顆粒物監(jiān)測指南[73]，其內(nèi)容包括：點(diǎn)位布設(shè)、技術(shù)要求和檢測方法、系統(tǒng)質(zhì)保質(zhì)控與運(yùn)行、系統(tǒng)安裝與驗(yàn)收，旨在用于指導(dǎo)中國固定型PM2.5傳感器在網(wǎng)格化監(jiān)測中的應(yīng)用。

傳感器的評估手段分為實(shí)驗(yàn)室模擬和現(xiàn)場評估。實(shí)驗(yàn)室模擬，人為地控制和改變條件排除復(fù)雜的氣象因素、地理位置影響?，F(xiàn)場評估，將傳感器暴露在實(shí)際的大氣環(huán)境中，是了解真實(shí)大氣的最直接手段。2014年6月，美國南海岸空氣質(zhì)量管理區(qū)(SCAQMD)建立了空氣質(zhì)量傳感器性能評估中心(AQ-SPEC)[74]，以向公眾通報(bào)市場上的低成本空氣傳感器的實(shí)際性能。該評估中心在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場條件下對空氣傳感器的性能進(jìn)行全面的測試與評估。在現(xiàn)場測試中，以聯(lián)邦參考方法和聯(lián)邦等效方法(分別為FRM和FEM)為標(biāo)準(zhǔn)，與低成本傳感器并行操作。在實(shí)驗(yàn)室測試中，通過改變“測試箱”中的溫度和相對濕度，應(yīng)用傳感器對已知濃度的顆粒物或氣體進(jìn)行測量。然后，在技術(shù)報(bào)告中總結(jié)每個傳感器的性能，并與其他相關(guān)信息發(fā)布在網(wǎng)站上(www.aqmd.gov/aq-spec)；2015年WANG等[75]根據(jù)USEPA建議方法對3個低成本顆粒傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室評估和校準(zhǔn)；2016年USEPA社區(qū)空氣傳感器網(wǎng)絡(luò)(CAIRSENSE)項(xiàng)目[76]，對傳感器進(jìn)行了現(xiàn)場測試(SAFT)和WSN長期測試；歐盟環(huán)境署監(jiān)控認(rèn)證計(jì)劃(MCERTS)在2015、2017年進(jìn)行了低成本傳感器的現(xiàn)場校準(zhǔn)方法性能比對[77-78]； 2017年中國環(huán)境科學(xué)研究院在美國能源基金會項(xiàng)目中[79]，進(jìn)行了大氣顆粒物便攜式監(jiān)測設(shè)備的性能評估與應(yīng)用途徑研究。

4.2 傳感器技術(shù)的研發(fā)挑戰(zhàn)

傳感器因其體積小、成本低、集成度高等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用，但也正是因?yàn)槠湫⌒突偷统杀荆跍y量精度上受到質(zhì)疑。因此，應(yīng)從研發(fā)方面梳理現(xiàn)存的問題，并尋找解決方案。

顆粒物傳感器的技術(shù)難題。光散射法顆粒物傳感器受外部環(huán)境條件影響較大，不同地點(diǎn)、季節(jié)的顆粒物成分不同、粒徑不同，導(dǎo)致顆粒物的密度不同，因此當(dāng)針對粒徑和組分較為特殊的顆粒物(如沙塵、煙花、秸稈燃燒等)進(jìn)行測量時(shí)，結(jié)果會有較大誤差；在濕度較大的條件下，顆粒物吸濕增長，對光的散射強(qiáng)度變大，將導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)較環(huán)境真實(shí)濃度偏高。基于“靜低壓沖擊撞擊”和“逃逸充量”原理的顆粒物傳感器因受顆粒物帶電性能的影響，在濕度較大的條件下測量結(jié)果也會受到干擾。

氣體傳感器的技術(shù)難題。電化學(xué)法氣體傳感器受傳感器電化學(xué)特性(時(shí)間)和氣體交叉影響較大，隨著傳感器的長時(shí)間使用，電解液逐漸消耗，其傳輸電子的效率逐漸下降，同時(shí)，如果2種氣體的性質(zhì)相似，相似氣體會通過過濾器和多孔膜在電極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)，引起交叉影響，影響目標(biāo)氣體的測定。2015年，SPINELLE等[78]使用多種統(tǒng)計(jì)方法來最大限度地提高O3和NO2傳感器的數(shù)據(jù)質(zhì)量，但對于NO2的監(jiān)測效果仍然有限；半導(dǎo)體氣體傳感器對氣體的選擇性差，使得誤報(bào)的概率比其他方法大，這類傳感器如果長時(shí)間沒有遇到探測氣體，將會因氧化而進(jìn)入休眠狀態(tài)從而對氣體不再產(chǎn)生反應(yīng)，氣體交叉影響也會對半導(dǎo)體材料造成較大影響；QCM氣體傳感器，噪音等振動會影響傳感器對晶體材料振動頻率的檢測，同時(shí)干擾物吸附在晶體表面會造成測量的不準(zhǔn)確；紅外吸收式氣體傳感器，響應(yīng)時(shí)間太長、分辨率低，對低濃度氣體響應(yīng)較差。

4.3 傳感器技術(shù)的管理挑戰(zhàn)

作為標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測方法的補(bǔ)充，傳感器技術(shù)目前也擔(dān)負(fù)起空氣質(zhì)量評價(jià)、排名考核等任務(wù)，正因?yàn)槿绱?，需通過科學(xué)評估和驗(yàn)證，明確其不確定性，逐漸規(guī)范傳感器在不同監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用。傳感器在應(yīng)用于環(huán)境空氣治理之前，有必要對單個傳感器進(jìn)行評估與校準(zhǔn)，然而制造商通常進(jìn)行抽樣或批量的測試，且測試指標(biāo)也不具有規(guī)范性[76]。根據(jù)各個國家以及區(qū)域的污染水平不同，傳感器的評估標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)有所不同，目前只有USEPA和歐盟環(huán)境署頒布了傳感器的使用和評估指南。同時(shí)，不同的評估標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致評估的結(jié)果也有很大的差異。傳感器性能的評估通常包括：線性、準(zhǔn)確性、精度、響應(yīng)時(shí)間、檢測限度、檢測范圍、溫濕度影響、污染物干擾等。

傳感器的應(yīng)用是多種多樣的，根據(jù)不同的應(yīng)用條件下，被檢測污染物的不同，基于不同原理的傳感器，應(yīng)該有不同的性能評估標(biāo)準(zhǔn)。如對于顆粒物傳感器應(yīng)側(cè)重濕度影響、檢測范圍、顆粒物粒徑和組分對其影響的評估；對安裝在移動平臺上的移動傳感器應(yīng)側(cè)重其響應(yīng)時(shí)間的評估、震動等對傳感器性能的影響、機(jī)動車自身排放對傳感器的影響等；對VOCs、NH3等痕量氣體的檢測應(yīng)側(cè)重于檢測限度、穩(wěn)定性和精確度的評估；對NO2、O3、SO2等活性氣體應(yīng)側(cè)重對污染物干擾的評估等。

4.4 傳感器技術(shù)的應(yīng)用挑戰(zhàn)

近年來傳感器在環(huán)境空氣監(jiān)測及污染控制中得到不斷應(yīng)用并逐漸優(yōu)化。但其在應(yīng)用過程中還需克服多個問題。

1)傳感器技術(shù)應(yīng)用場景的設(shè)計(jì)。使用傳感器監(jiān)測大氣污染的目的是為了更好地溯源，但污染源排放種類、排放方式復(fù)雜多變，為傳感器技術(shù)應(yīng)用場景設(shè)計(jì)帶來較大挑戰(zhàn)。

2)大數(shù)據(jù)的解讀與分析問題。傳感器的響應(yīng)時(shí)間快，往往幾秒鐘就監(jiān)測到一組數(shù)據(jù)，時(shí)間分辨率可達(dá)0.3s[22]。一個傳感器網(wǎng)絡(luò)包含多個傳感器節(jié)點(diǎn)，一些大型項(xiàng)目最多可達(dá)幾千個傳感器，因此一個傳感器網(wǎng)絡(luò)會監(jiān)測到數(shù)量巨大的環(huán)境數(shù)據(jù)。如何對大數(shù)據(jù)進(jìn)行深刻解讀、全面分析、深度挖掘是具有挑戰(zhàn)性的。

3)傳感器監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)與其他領(lǐng)域數(shù)據(jù)的結(jié)合問題。環(huán)境監(jiān)測的最終目的是精細(xì)化評估污染源對環(huán)境空氣質(zhì)量的影響，傳感器技術(shù)的應(yīng)用，通常需與其他領(lǐng)域數(shù)據(jù)相結(jié)合(排放源清單、工業(yè)生產(chǎn)、交通數(shù)據(jù)等)，才能準(zhǔn)確找出污染來源及污染途徑。目前，傳感器技術(shù)在環(huán)境空氣治理中通常與氣象信息相結(jié)合，應(yīng)用較為單一。然而，傳感器技術(shù)的應(yīng)用前景遠(yuǎn)不限于此，如何在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、交通能源等領(lǐng)域得到更加廣泛和靈活的應(yīng)用需要不斷地探索。

5 總結(jié)與展望

低成本空氣傳感器作為傳統(tǒng)監(jiān)測方式的補(bǔ)充，可以有效地測量顆粒物和氣體，提高了空氣污染監(jiān)測的時(shí)空分辨率，在監(jiān)測環(huán)境空氣質(zhì)量、監(jiān)控污染熱點(diǎn)、評估個人暴露水平方面得到了廣泛的應(yīng)用。

中國對傳感器的應(yīng)用與研究起步較晚，但擁有相對龐大的用戶群體，目前已具備較好的應(yīng)用基礎(chǔ)，將來更有廣闊的前景。中國環(huán)境空氣治理的細(xì)化與深入，對監(jiān)測技術(shù)提出了更加精細(xì)化的需求。傳感器技術(shù)是一種新興的監(jiān)測手段，應(yīng)充分認(rèn)識其局限性，應(yīng)用之前進(jìn)行嚴(yán)格的評估與校準(zhǔn)，并逐漸推進(jìn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和導(dǎo)則的制定。隨著其他相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，傳感器技術(shù)也會不斷的進(jìn)步，技術(shù)與應(yīng)用的局限性將會被不斷突破，在環(huán)境空氣治理中也將發(fā)揮更大的作用。