2021年10月19日(ri)，科技(ji)日(ri)報(bao)對同陽(yang)科技(ji)振蕩天平監測儀(yi)進行了報(bao)道(dao)。

這(zhe)款(kuan)天平(ping)并不是普通的天平(ping)，其測量(liang)精度(du)達到0.01微克，被譽為可在“太空中稱重”的天平(ping)，是監測PM2.5、PM10等空氣顆粒物的關鍵(jian)設(she)備。它不僅填(tian)補了國(guo)內(nei)空白(bai)，還打(da)破了國(guo)外壟斷，獲得了4項發明專(zhuan)利授(shou)權(quan)。

日前，一款振蕩天平監測儀樣機通過國家環境監測總站的樣機性能、可靠性等測試，完成中國環境保護產業協會現場認證考核工作，并獲得環保產品認證證書。

這款天(tian)平(ping)并不(bu)是普通的天(tian)平(ping)，其(qi)測(ce)(ce)量精(jing)度達到0.01微(wei)克，被譽為可(ke)在“太(tai)空(kong)(kong)中稱重”的天(tian)平(ping)，是監測(ce)(ce)PM2.5、PM10等空(kong)(kong)氣顆(ke)粒物的關(guan)鍵設備。它不(bu)僅(jin)填(tian)補了(le)國內(nei)空(kong)(kong)白，還(huan)打破了(le)國外壟斷(duan)，獲得了(le)4項發明專(zhuan)利(li)授權。

這款振蕩(dang)天平監(jian)測儀是天津(jin)同陽(yang)科(ke)(ke)技發(fa)展有(you)限公(gong)司（以下簡稱同陽(yang)科(ke)(ke)技）經過5年艱苦研發(fa)的(de)又(you)一重要成(cheng)果，這所脫(tuo)胎(tai)于(yu)天津(jin)大學精密儀器與光(guang)電子工程學院的(de)公(gong)司一直致力于(yu)把天津(jin)大學的(de)科(ke)(ke)研優(you)勢(shi)做成(cheng)產品、變(bian)成(cheng)品牌，走向(xiang)(xiang)全國(guo)(guo)，走向(xiang)(xiang)世界。其在氣體特征物及顆(ke)粒物濃度(du)等方(fang)面的(de)監(jian)測技術達到了國(guo)(guo)際領先(xian)水平。

微量振蕩天平法在精度上(shang)更具優勢(shi)

隨著工業(ye)發展和城市化進程的不斷加(jia)快，大(da)氣污染不斷加(jia)劇，導(dao)致霧霾天(tian)頻繁出現。造(zao)成(cheng)“霧霾藍”的罪(zui)魁(kui)禍(huo)首就是大(da)氣懸浮顆粒物，其主(zhu)要成(cheng)分是霧、煙(yan)和空氣塵埃(ai)，當濃(nong)度達(da)到一定程度后會導(dao)致人體產生一系(xi)列疾病，是危害(hai)人體健康的主(zhu)要污染物。

測定分(fen)(fen)析(xi)大氣(qi)中總懸浮(fu)顆(ke)(ke)粒(li)(li)物的含量(liang)，對治理大氣(qi)污染(ran)和保護(hu)人類自身健康(kang)十分(fen)(fen)重要，而準確全面地(di)掌握大氣(qi)顆(ke)(ke)粒(li)(li)物污染(ran)狀(zhuang)況，認(ren)識其發(fa)展(zhan)和演變規律是制定大氣(qi)顆(ke)(ke)粒(li)(li)物防治措(cuo)施的基礎。

“重量(liang)法(fa)(fa)(fa)是目(mu)前測量(liang)環境空(kong)(kong)氣(qi)顆(ke)(ke)粒(li)(li)(li)(li)物(wu)濃度最精確的(de)技(ji)術，但(dan)是需要在實驗室中(zhong)(zhong)完成。”同陽科技(ji)研發中(zhong)(zhong)心主任樊(fan)海春(chun)介紹，目(mu)前，能夠實現大氣(qi)顆(ke)(ke)粒(li)(li)(li)(li)物(wu)現場(chang)快速監(jian)測的(de)技(ji)術主要有β射線法(fa)(fa)(fa)、微量(liang)振(zhen)蕩天(tian)平法(fa)(fa)(fa)和(he)光散射法(fa)(fa)(fa)。其中(zhong)(zhong)，β射線法(fa)(fa)(fa)顆(ke)(ke)粒(li)(li)(li)(li)物(wu)監(jian)測儀(yi)和(he)振(zhen)蕩天(tian)平法(fa)(fa)(fa)顆(ke)(ke)粒(li)(li)(li)(li)物(wu)監(jian)測儀(yi)主要被(bei)應(ying)用于國內空(kong)(kong)氣(qi)站項目(mu)中(zhong)(zhong)的(de)顆(ke)(ke)粒(li)(li)(li)(li)物(wu)監(jian)測模塊。

β射線(xian)法(fa)和微量(liang)振蕩(dang)天平(ping)法(fa)測量(liang)顆粒(li)物濃度，都(dou)被稱作間接式“重量(liang)法(fa)”。“β射線(xian)法(fa)利用β射線(xian)衰減的原(yuan)理，通(tong)過對衰減量(liang)的測定便可計算(suan)出顆粒(li)物質(zhi)量(liang)濃度。”樊海春(chun)說，而微量(liang)振蕩(dang)天平(ping)法(fa)通(tong)過振蕩(dang)頻率(lv)的變化，稱量(liang)空(kong)氣中(zhong)顆粒(li)物的質(zhi)量(liang)。

兩(liang)種(zhong)測(ce)量(liang)方法各有利弊(bi)，不(bu)過(guo)隨(sui)著(zhu)我國對于空氣質(zhi)量(liang)監(jian)(jian)測(ce)標準(zhun)的(de)不(bu)斷提升，對于顆粒(li)物(wu)監(jian)(jian)測(ce)精(jing)度要求也越(yue)來越(yue)高。監(jian)(jian)測(ce)儀(yi)器準(zhun)確度不(bu)高的(de)話(hua)，就會(hui)出現PM10和PM2.5數(shu)值倒(dao)掛(gua)的(de)現象，特別是使用β射線法顆粒(li)物(wu)監(jian)(jian)測(ce)儀(yi)，不(bu)同(tong)參量(liang)之間(jian)倒(dao)掛(gua)現象非常普(pu)遍。

對此樊海春解釋，直徑小于(yu)(yu)等于(yu)(yu)2.5微米(mi)（PM2.5）的(de)(de)顆(ke)粒物(wu)是直徑小于(yu)(yu)等于(yu)(yu)10微米(mi)（PM10）的(de)(de)子集，正常情(qing)況下，監(jian)(jian)測(ce)出的(de)(de)PM10的(de)(de)值(zhi)(zhi)應該一直大于(yu)(yu)PM2.5。但(dan)在空氣質量好(hao)的(de)(de)時(shi)候，使用β射線法顆(ke)粒物(wu)監(jian)(jian)測(ce)儀(yi)監(jian)(jian)測(ce)出的(de)(de)PM10的(de)(de)值(zhi)(zhi)往(wang)往(wang)小于(yu)(yu)PM2.5的(de)(de)值(zhi)(zhi)，造成了(le)監(jian)(jian)測(ce)結果(guo)不(bu)準確(que)。

據(ju)了(le)解，在國(guo)標法(fa)(fa)中，微量(liang)振蕩天平法(fa)(fa)相比(bi)β射(she)線法(fa)(fa)具有(you)測(ce)量(liang)精(jing)度上的優勢，其測(ce)量(liang)精(jing)度和實時性是(shi)傳統方法(fa)(fa)所無法(fa)(fa)比(bi)擬的。美國(guo)環(huan)(huan)境(jing)(jing)保護署長期(qi)觀測(ce)實驗得出結(jie)論，微量(liang)振蕩天平法(fa)(fa)是(shi)目前測(ce)量(liang)環(huan)(huan)境(jing)(jing)空(kong)氣顆粒(li)物濃度技(ji)術中和重(zhong)量(liang)法(fa)(fa)最接(jie)近的技(ji)術。

核心技術突破國外壟斷

目(mu)前，PM2.5、PM10等顆粒物是(shi)環境監測的(de)重(zhong)點，我國現(xian)有8000多個國標空(kong)氣(qi)站，正在使用(yong)約16000臺同(tong)類設(she)備(bei)。這些設(she)備(bei)每(mei)5年(nian)至8年(nian)就要更(geng)新一次，平均每(mei)年(nian)更(geng)新數量(liang)超過2000臺。

與如(ru)此大的(de)(de)需(xu)(xu)求相(xiang)對應的(de)(de)是(shi)，我國的(de)(de)城(cheng)市空氣(qi)質(zhi)量自動(dong)監(jian)(jian)測站主(zhu)要依賴(lai)進口監(jian)(jian)測設備(bei)，其(qi)價格昂(ang)貴、維護成本高(gao)、監(jian)(jian)測指標受限(xian)，遠(yuan)不能滿(man)足我國大氣(qi)顆粒物的(de)(de)業務化觀測及科(ke)學(xue)研究的(de)(de)需(xu)(xu)要。

“國(guo)內振蕩天(tian)平法(fa)(fa)監(jian)測(ce)儀(yi)市場長(chang)期(qi)被國(guo)外企(qi)業壟斷，國(guo)際上僅有(you)(you)一家(jia)(jia)企(qi)業在生(sheng)產(chan)此種(zhong)儀(yi)器設備(bei)。”樊海春介紹，之所以(yi)出現這種(zhong)情況，是因為現有(you)(you)技(ji)術很難繞開國(guo)外的(de)專利(li)。而要想生(sheng)產(chan)我(wo)們國(guo)家(jia)(jia)自己的(de)振蕩天(tian)平法(fa)(fa)監(jian)測(ce)儀(yi)，就必須從(cong)基(ji)礎研究上進行(xing)創新、突破。

振(zhen)(zhen)蕩天平法(fa)監(jian)(jian)測儀最核心(xin)(xin)的(de)部(bu)件就是(shi)振(zhen)(zhen)蕩天平法(fa)顆粒(li)物傳(chuan)感(gan)器，這也是(shi)研發振(zhen)(zhen)蕩天平法(fa)監(jian)(jian)測儀的(de)“卡脖子”技(ji)術。作為測量顆粒(li)物濃(nong)度(du)的(de)核心(xin)(xin)傳(chuan)感(gan)器，其內部(bu)包(bao)括(kuo)諧振(zhen)(zhen)振(zhen)(zhen)子、顆粒(li)物采(cai)集(ji)膜、驅動和(he)檢測電路。繞開已有專(zhuan)利(li)就意(yi)味著核心(xin)(xin)技(ji)術的(de)“拼圖”要(yao)打(da)散，換種方法(fa)重新再組(zu)合起來。

2016年，樊(fan)海春和研發團隊把研發任務化整為零，而(er)后逐項進行突破。

質(zhi)量傳感器(qi)中(zhong)的(de)(de)振(zhen)(zhen)子材(cai)(cai)料及結(jie)(jie)構研究是核心(xin)中(zhong)的(de)(de)核心(xin)。“國(guo)外專利中(zhong)的(de)(de)振(zhen)(zhen)子材(cai)(cai)料和結(jie)(jie)構是石英材(cai)(cai)質(zhi)的(de)(de)錐形管，我們就(jiu)要避開這種(zhong)材(cai)(cai)料和結(jie)(jie)構。”樊海春和團隊為了確定(ding)振(zhen)(zhen)子材(cai)(cai)料，利用(yong)兩三(san)年時間，選取(qu)多種(zhong)材(cai)(cai)料進(jin)行針對(dui)性測試，同時結(jie)(jie)合不同形狀和尺(chi)寸(cun)進(jin)行不斷(duan)的(de)(de)改進(jin)。

大自然中的(de)(de)材(cai)(cai)(cai)料(liao)有成(cheng)千上萬種(zhong)(zhong)，尋找合(he)適的(de)(de)材(cai)(cai)(cai)料(liao)猶如大海(hai)撈針，經過縝密的(de)(de)研(yan)究分(fen)析，研(yan)發(fa)團隊把(ba)篩選的(de)(de)范圍縮小(xiao)到三(san)種(zhong)(zhong)，并最終確立了特(te)殊碳(tan)纖維材(cai)(cai)(cai)料(liao)。“這種(zhong)(zhong)材(cai)(cai)(cai)料(liao)是在(zai)碳(tan)纖維中加入其他成(cheng)分(fen)混(hun)合(he)而(er)(er)成(cheng)的(de)(de)，光是研(yan)究成(cheng)分(fen)的(de)(de)配(pei)比就進行了上百(bai)次實驗。”樊海(hai)春解釋，由(you)于每種(zhong)(zhong)材(cai)(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)彈(dan)性系(xi)數不同(tong)，不同(tong)的(de)(de)彈(dan)性系(xi)數會導致形狀的(de)(de)差別，因此需要對材(cai)(cai)(cai)料(liao)進行配(pei)比。確定了材(cai)(cai)(cai)料(liao)后，研(yan)究人(ren)員又反推出與之最為匹配(pei)的(de)(de)振子結構，從(cong)而(er)(er)保證了振蕩天(tian)平的(de)(de)精度(du)。

由于采(cai)用了特殊(shu)的(de)(de)碳纖(xian)維材(cai)料，同陽科技研發的(de)(de)振(zhen)蕩天平中的(de)(de)振(zhen)子(zi)在同等條件(jian)下，比原有的(de)(de)國外產品壽(shou)命更(geng)長、精(jing)度更(geng)高。“國外產品的(de)(de)石英振(zhen)子(zi)需要一年(nian)更(geng)換一次，而(er)我們(men)的(de)(de)碳纖(xian)維振(zhen)子(zi)基本可以達到終身壽(shou)命。因(yin)此可以大大節約成品，與國外產品相比單臺可節約成本超(chao)5萬元。”樊海春說。

創新設計讓國產振蕩天平性能更優

為了(le)提高振蕩天平監測儀器(qi)的穩(wen)定性和(he)精度，樊海春團隊還創新性地進行了(le)動態補償系統(tong)研究(jiu)和(he)算(suan)法研究(jiu)。

“采(cai)(cai)集到的大氣樣本除了(le)顆粒物外(wai)，還含有(you)很多水(shui)分(fen)子。特(te)別是南方潮濕的環境中，水(shui)分(fen)子含量高會(hui)影響最終檢測結果的精(jing)確度(du)。”樊海(hai)春(chun)介紹，因此就需要開(kai)展采(cai)(cai)樣動態(tai)除濕技術(shu)、溫度(du)濕度(du)補償技術(shu)、精(jing)密溫濕壓采(cai)(cai)集的研究。

樊海春團(tuan)隊對(dui)采樣氣(qi)體進行除(chu)濕(shi)預處理時，通(tong)過螺旋反吹氣(qi)選擇(ze)性(xing)滲透除(chu)濕(shi)干燥技術、質子(zi)交換(huan)膜水分子(zi)交換(huan)技術，使除(chu)濕(shi)效率最(zui)大(da)化，從而降(jiang)低(di)濕(shi)度(du)(du)對(dui)顆(ke)粒(li)物(wu)測(ce)量(liang)(liang)的影響；溫(wen)濕(shi)度(du)(du)補償技術則主要針對(dui)顆(ke)粒(li)物(wu)在不同溫(wen)度(du)(du)和濕(shi)度(du)(du)下對(dui)測(ce)量(liang)(liang)結果的影響進行細(xi)微補償，使測(ce)量(liang)(liang)達到更高精度(du)(du)；精密溫(wen)濕(shi)壓采集技術包(bao)括多處溫(wen)度(du)(du)、濕(shi)度(du)(du)、壓力(li)采集，保證了測(ce)量(liang)(liang)的準(zhun)確性(xing)。

一套(tao)“組合(he)拳”的創(chuang)新(xin)技術，還需匹(pi)配上相應(ying)的算(suan)法。通過(guo)對濃度算(suan)法研(yan)究、動態(tai)補(bu)償算(suan)法研(yan)究、快速精(jing)密(mi)控制研(yan)究、線(xian)性補(bu)償算(suan)法研(yan)究，形成一整套(tao)完(wan)整的動態(tai)智能(neng)補(bu)償系統，可智能(neng)補(bu)償因溫度、濕度、顆粒物成分等(deng)帶來的偏差(cha)，從而更準確地(di)顆粒物濃度測量。

隨著同陽(yang)科技(ji)的(de)振(zhen)蕩天平監測儀獲得環保認證(zheng)證(zheng)書，它將(jiang)成為我國(guo)(guo)國(guo)(guo)標空氣(qi)站的(de)“中國(guo)(guo)芯”，以(yi)目前我國(guo)(guo)的(de)需求量(liang)，如果全(quan)部(bu)應用國(guo)(guo)產(chan)化產(chan)品將(jiang)節(jie)約成本數(shu)億元。