2021年10月19日，科技日報對同陽科技振蕩天平監(jiān)測儀進行了報道。

這款天平并不是普通的天平，其測量精度達到0.01微克，被譽為可在“太空中稱重”的天平，是監(jiān)測PM2.5、PM10等空氣顆粒物的關鍵設備。它不僅填補了國內空白，還打破了國外壟斷，獲得了4項發(fā)明專利授權。

日前，一款振蕩天平監(jiān)測儀樣機通過國家環(huán)境監(jiān)測總站的樣機性能、可靠性等測試，完成中國環(huán)境保護產業(yè)協(xié)會現(xiàn)場認證考核工作，并獲得環(huán)保產品認證證書。

這款天平并不是普通的天平，其測量精度達到0.01微克，被譽為可在“太空中稱重”的天平，是監(jiān)測PM2.5、PM10等空氣顆粒物的關鍵設備。它不僅填補了國內空白，還打破了國外壟斷，獲得了4項發(fā)明專利授權。

這款振蕩天平監(jiān)測儀是天津同陽科技發(fā)展有限公司（以下簡稱同陽科技）經過5年艱苦研發(fā)的又一重要成果，這所脫胎于天津大學精密儀器與光電子工程學院的公司一直致力于把天津大學的科研優(yōu)勢做成產品、變成品牌，走向全國，走向世界。其在氣體特征物及顆粒物濃度等方面的監(jiān)測技術達到了國際領先水平。

微量振蕩天平法在精度上更具優(yōu)勢

隨著工業(yè)發(fā)展和城市化進程的不斷加快，大氣污染不斷加劇，導致霧霾天頻繁出現(xiàn)。造成“霧霾藍”的罪魁禍首就是大氣懸浮顆粒物，其主要成分是霧、煙和空氣塵埃，當濃度達到一定程度后會導致人體產生一系列疾病，是危害人體健康的主要污染物。

測定分析大氣中總懸浮顆粒物的含量，對治理大氣污染和保護人類自身健康十分重要，而準確全面地掌握大氣顆粒物污染狀況，認識其發(fā)展和演變規(guī)律是制定大氣顆粒物防治措施的基礎。

“重量法是目前測量環(huán)境空氣顆粒物濃度最精確的技術，但是需要在實驗室中完成。”同陽科技研發(fā)中心主任樊海春介紹，目前，能夠實現(xiàn)大氣顆粒物現(xiàn)場快速監(jiān)測的技術主要有β射線法、微量振蕩天平法和光散射法。其中，β射線法顆粒物監(jiān)測儀和振蕩天平法顆粒物監(jiān)測儀主要被應用于國內空氣站項目中的顆粒物監(jiān)測模塊。

β射線法和微量振蕩天平法測量顆粒物濃度，都被稱作間接式“重量法”。“β射線法利用β射線衰減的原理，通過對衰減量的測定便可計算出顆粒物質量濃度。”樊海春說，而微量振蕩天平法通過振蕩頻率的變化，稱量空氣中顆粒物的質量。

兩種測量方法各有利弊，不過隨著我國對于空氣質量監(jiān)測標準的不斷提升，對于顆粒物監(jiān)測精度要求也越來越高。監(jiān)測儀器準確度不高的話，就會出現(xiàn)PM10和PM2.5數(shù)值倒掛的現(xiàn)象，特別是使用β射線法顆粒物監(jiān)測儀，不同參量之間倒掛現(xiàn)象非常普遍。

對此樊海春解釋，直徑小于等于2.5微米（PM2.5）的顆粒物是直徑小于等于10微米（PM10）的子集，正常情況下，監(jiān)測出的PM10的值應該一直大于PM2.5。但在空氣質量好的時候，使用β射線法顆粒物監(jiān)測儀監(jiān)測出的PM10的值往往小于PM2.5的值，造成了監(jiān)測結果不準確。

據了解，在國標法中，微量振蕩天平法相比β射線法具有測量精度上的優(yōu)勢，其測量精度和實時性是傳統(tǒng)方法所無法比擬的。美國環(huán)境保護署長期觀測實驗得出結論，微量振蕩天平法是目前測量環(huán)境空氣顆粒物濃度技術中和重量法最接近的技術。

核心技術突破國外壟斷

目前，PM2.5、PM10等顆粒物是環(huán)境監(jiān)測的重點，我國現(xiàn)有8000多個國標空氣站，正在使用約16000臺同類設備。這些設備每5年至8年就要更新一次，平均每年更新數(shù)量超過2000臺。

與如此大的需求相對應的是，我國的城市空氣質量自動監(jiān)測站主要依賴進口監(jiān)測設備，其價格昂貴、維護成本高、監(jiān)測指標受限，遠不能滿足我國大氣顆粒物的業(yè)務化觀測及科學研究的需要。

“國內振蕩天平法監(jiān)測儀市場長期被國外企業(yè)壟斷，國際上僅有一家企業(yè)在生產此種儀器設備。”樊海春介紹，之所以出現(xiàn)這種情況，是因為現(xiàn)有技術很難繞開國外的專利。而要想生產我們國家自己的振蕩天平法監(jiān)測儀，就必須從基礎研究上進行創(chuàng)新、突破。

振蕩天平法監(jiān)測儀最核心的部件就是振蕩天平法顆粒物傳感器，這也是研發(fā)振蕩天平法監(jiān)測儀的“卡脖子”技術。作為測量顆粒物濃度的核心傳感器，其內部包括諧振振子、顆粒物采集膜、驅動和檢測電路。繞開已有專利就意味著核心技術的“拼圖”要打散，換種方法重新再組合起來。

2016年，樊海春和研發(fā)團隊把研發(fā)任務化整為零，而后逐項進行突破。

質量傳感器中的振子材料及結構研究是核心中的核心。“國外專利中的振子材料和結構是石英材質的錐形管，我們就要避開這種材料和結構。”樊海春和團隊為了確定振子材料，利用兩三年時間，選取多種材料進行針對性測試，同時結合不同形狀和尺寸進行不斷的改進。

大自然中的材料有成千上萬種，尋找合適的材料猶如大海撈針，經過縝密的研究分析，研發(fā)團隊把篩選的范圍縮小到三種，并最終確立了特殊碳纖維材料。“這種材料是在碳纖維中加入其他成分混合而成的，光是研究成分的配比就進行了上百次實驗。”樊海春解釋，由于每種材料的彈性系數(shù)不同，不同的彈性系數(shù)會導致形狀的差別，因此需要對材料進行配比。確定了材料后，研究人員又反推出與之最為匹配的振子結構，從而保證了振蕩天平的精度。

由于采用了特殊的碳纖維材料，同陽科技研發(fā)的振蕩天平中的振子在同等條件下，比原有的國外產品壽命更長、精度更高。“國外產品的石英振子需要一年更換一次，而我們的碳纖維振子基本可以達到終身壽命。因此可以大大節(jié)約成品，與國外產品相比單臺可節(jié)約成本超5萬元。”樊海春說。

創(chuàng)新設計讓國產振蕩天平性能更優(yōu)

為了提高振蕩天平監(jiān)測儀器的穩(wěn)定性和精度，樊海春團隊還創(chuàng)新性地進行了動態(tài)補償系統(tǒng)研究和算法研究。

“采集到的大氣樣本除了顆粒物外，還含有很多水分子。特別是南方潮濕的環(huán)境中，水分子含量高會影響最終檢測結果的精確度。”樊海春介紹，因此就需要開展采樣動態(tài)除濕技術、溫度濕度補償技術、精密溫濕壓采集的研究。

樊海春團隊對采樣氣體進行除濕預處理時，通過螺旋反吹氣選擇性滲透除濕干燥技術、質子交換膜水分子交換技術，使除濕效率最大化，從而降低濕度對顆粒物測量的影響；溫濕度補償技術則主要針對顆粒物在不同溫度和濕度下對測量結果的影響進行細微補償，使測量達到更高精度；精密溫濕壓采集技術包括多處溫度、濕度、壓力采集，保證了測量的準確性。

一套“組合拳”的創(chuàng)新技術，還需匹配上相應的算法。通過對濃度算法研究、動態(tài)補償算法研究、快速精密控制研究、線性補償算法研究，形成一整套完整的動態(tài)智能補償系統(tǒng)，可智能補償因溫度、濕度、顆粒物成分等帶來的偏差，從而更準確地顆粒物濃度測量。

隨著同陽科技的振蕩天平監(jiān)測儀獲得環(huán)保認證證書，它將成為我國國標空氣站的“中國芯”，以目前我國的需求量，如果全部應用國產化產品將節(jié)約成本數(shù)億元。