2021年10月19日，科技日報對同陽(yáng)科技振蕩天平監測儀進(jìn)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(yù)為可在“太空中稱(chēng)重”的天平，是監測PM2.5、PM10等空氣顆粒物的關(guān)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(zhuān)利授權。

日前，一款振蕩天平監測儀樣機通過(guò)國家環(huán)境監測總站的樣機性能、可靠性等測試，完成中國環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì )現場(chǎng)認證考核工作，并獲得環(huán)保產(chǎn)品認證證書(shū)。

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(yù)為可在“太空中稱(chēng)重”的天平，是監測PM2.5、PM10等空氣顆粒物的關(guān)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(zhuān)利授權。

這款振蕩天平監測儀是天津同陽(yáng)科技發(fā)展有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)同陽(yáng)科技）經(jīng)過(guò)5年艱苦研發(fā)的又一重要成果，這所脫胎于天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院的公司一直致力于把天津大學(xué)的科研優(yōu)勢做成產(chǎn)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測技術(shù)達到了國際領(lǐng)先水平。

微量振蕩天平法在精度上更具優(yōu)勢

隨著(zhù)工業(yè)發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快，大氣污染不斷加劇，導致霧霾天頻繁出現。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(huì )導致人體產(chǎn)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(lèi)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(shù)，但是需要在實(shí)驗室中完成?！蓖?yáng)科技研發(fā)中心主任樊海春介紹，目前，能夠實(shí)現大氣顆粒物現場(chǎng)快速監測的技術(shù)主要有β射線(xiàn)法、微量振蕩天平法和光散射法。其中，β射線(xiàn)法顆粒物監測儀和振蕩天平法顆粒物監測儀主要被應用于國內空氣站項目中的顆粒物監測模塊。

β射線(xiàn)法和微量振蕩天平法測量顆粒物濃度，都被稱(chēng)作間接式“重量法”?！唉律渚€(xiàn)法利用β射線(xiàn)衰減的原理，通過(guò)對衰減量的測定便可計算出顆粒物質(zhì)量濃度?！狈４赫f(shuō)，而微量振蕩天平法通過(guò)振蕩頻率的變化，稱(chēng)量空氣中顆粒物的質(zhì)量。

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

對此樊海春解釋?zhuān)睆叫∮诘扔?.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，監測出的PM10的值應該一直大于PM2.5。但在空氣質(zhì)量好的時(shí)候，使用β射線(xiàn)法顆粒物監測儀監測出的PM10的值往往小于PM2.5的值，造成了監測結果不準確。

據了解，在國標法中，微量振蕩天平法相比β射線(xiàn)法具有測量精度上的優(yōu)勢，其測量精度和實(shí)時(shí)性是傳統方法所無(wú)法比擬的。美國環(huán)境保護署長(cháng)期觀(guān)測實(shí)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(shù)中和重量法最接近的技術(shù)。

核心技術(shù)突破國外壟斷

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

與如此大的需求相對應的是，我國的城市空氣質(zhì)量自動(dòng)監測站主要依賴(lài)進(jìn)口監測設備，其價(jià)格昂貴、維護成本高、監測指標受限，遠不能滿(mǎn)足我國大氣顆粒物的業(yè)務(wù)化觀(guān)測及科學(xué)研究的需要。

“國內振蕩天平法監測儀市場(chǎng)長(cháng)期被國外企業(yè)壟斷，國際上僅有一家企業(yè)在生產(chǎn)此種儀器設備?！狈４航榻B，之所以出現這種情況，是因為現有技術(shù)很難繞開(kāi)國外的專(zhuān)利。而要想生產(chǎn)我們國家自己的振蕩天平法監測儀，就必須從基礎研究上進(jìn)行創(chuàng )新、突破。

振蕩天平法監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)振蕩天平法監測儀的“卡脖子”技術(shù)。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(dòng)和檢測電路。繞開(kāi)已有專(zhuān)利就意味著(zhù)核心技術(shù)的“拼圖”要打散，換種方法重新再組合起來(lái)。

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

質(zhì)量傳感器中的振子材料及結構研究是核心中的核心?！皣鈱?zhuān)利中的振子材料和結構是石英材質(zhì)的錐形管，我們就要避開(kāi)這種材料和結構?！狈４汉蛨F隊為了確定振子材料，利用兩三年時(shí)間，選取多種材料進(jìn)行針對性測試，同時(shí)結合不同形狀和尺寸進(jìn)行不斷的改進(jìn)。

大自然中的材料有成千上萬(wàn)種，尋找合適的材料猶如大海撈針，經(jīng)過(guò)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?！斑@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(jìn)行了上百次實(shí)驗?！狈４航忉?zhuān)捎诿糠N材料的彈性系數不同，不同的彈性系數會(huì )導致形狀的差別，因此需要對材料進(jìn)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(yáng)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(chǎn)品壽命更長(cháng)、精度更高?！皣猱a(chǎn)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。因此可以大大節約成品，與國外產(chǎn)品相比單臺可節約成本超5萬(wàn)元?！狈４赫f(shuō)。

創(chuàng )新設計讓國產(chǎn)振蕩天平性能更優(yōu)

為了提高振蕩天平監測儀器的穩定性和精度，樊海春團隊還創(chuàng )新性地進(jìn)行了動(dòng)態(tài)補償系統研究和算法研究。

“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(huì )影響最終檢測結果的精確度?！狈４航榻B，因此就需要開(kāi)展采樣動(dòng)態(tài)除濕技術(shù)、溫度濕度補償技術(shù)、精密溫濕壓采集的研究。

樊海春團隊對采樣氣體進(jìn)行除濕預處理時(shí)，通過(guò)螺旋反吹氣選擇性滲透除濕干燥技術(shù)、質(zhì)子交換膜水分子交換技術(shù)，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(shù)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(jìn)行細微補償，使測量達到更高精度；精密溫濕壓采集技術(shù)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(shù)，還需匹配上相應的算法。通過(guò)對濃度算法研究、動(dòng)態(tài)補償算法研究、快速精密控制研究、線(xiàn)性補償算法研究，形成一整套完整的動(dòng)態(tài)智能補償系統，可智能補償因溫度、濕度、顆粒物成分等帶來(lái)的偏差，從而更準確地顆粒物濃度測量。

隨著(zhù)同陽(yáng)科技的振蕩天平監測儀獲得環(huán)保認證證書(shū)，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(chǎn)化產(chǎn)品將節約成本數億元。