低成本PM传感器采样精度受水平风速影响的基础研究及多孔入口罩优化设计

针对环境风速影响低成本PM传感器采样流量和效率的关键问题，本研究通过风洞实验结合理论模型，揭示了PMS5003/PMSX003传感器在0.35–3.26 m/s风速下PM2.5/PM10采样效率下降规律，开发多孔入口罩（MHIC）使PMSX003精度显著提升，为复杂气象条件下的空气质量监测提供校准方法和硬件优化方案。

　　

随着城市化进程加速，空气污染问题日益严峻，颗粒物（Particulate Matter, PM）监测成为环境科学领域的研究热点。低成本PM传感器因其价格低廉、体积小巧、操作简便等优势，被广泛应用于大气和室内空气质量监测、污染热点识别及个人暴露评估等领域。然而，这类传感器采用低成本光学元件和小型风扇等组件，其数据准确性备受质疑，限制了其在空气质量智能感知中的应用。

现有研究表明，PM传感器性能受多种环境因素影响，包括颗粒物浓度和粒径、颗粒物特性、相对湿度（RH）和温度等。其中，相对湿度的影响尤为显著，高湿度条件下颗粒物的吸湿性生长会导致PM_2.5和PM₁₀浓度的高估。为此，研究人员开发了加热和除湿装置，通过控制传感器入口处的RH来提升测量精度。然而，环境风速对PM传感器采样流量和效率的影响却鲜有系统研究。

事实上，风速对PM监测的影响不容忽视。多项研究发现，高风速条件下，PM_2.5和PM₁₀浓度普遍存在低估现象，其中PM₁₀的偏差更为显著。当风速超过3 m/s时，PM传感器的PM₁₀浓度测量值可能比标准监测站参考数据低40%-60%。这主要归因于传感器采样入口处的颗粒物吸入效率降低，以及小型风扇驱动气流在高风速条件下易受压力波动影响。

为深入探究水平风速对PM传感器采样效率的影响机制，台湾地区环境主管部门和科技主管部门资助的研究团队在《Journal of Aerosol Science》发表了最新研究成果。该研究通过风洞实验结合理论建模，系统评估了两种典型低成本PM传感器（PMS5003和PMSX003）在不同风速条件下的性能变化，并开发了多孔入口罩（Multi-Hole Inlet Cover, MHIC）来提升传感器在复杂气象条件下的测量可靠性。

研究团队采用风洞实验系统，通过流量-压力特性曲线测试确定了PMS5003和PMSX003的操作点参数，并选用氯化钠（NaCl）和粉尘作为测试颗粒物，在0.35–3.26 m/s风速范围内测量了PM_2.5和PM₁₀的采样效率变化。基于颗粒物吸入效率和传输效率理论模型，建立了采样效率预测方程，并通过实验数据验证了模型的准确性。

PM传感器采样流量和静压特性
通过流量-压力特性测试发现，PMS5003的操作点流量和静压分别为0.85 L/min和2.85 Pa，而PMSX003则达到2.01 L/min和19.66 Pa。这种显著差异源于两者内部风扇系统的不同设计，预示着它们在抗风速干扰能力上可能存在本质区别。

水平风速对采样效率的影响
实验数据显示，随着水平风速增加，两种传感器的采样流量和PM_2.5/PM₁₀采样效率均呈现下降趋势。特别值得注意的是，PMS5003在风速超过1.5 m/s时采样效率急剧降低，而PMSX003由于具有更高的静压能力，表现出更好的抗干扰性能。理论模型预测结果与实验测量值高度吻合，验证了模型的可靠性。

多孔入口罩的性能优化
针对PMS5003传感器，研究团队创新性地设计了多孔入口罩（MHIC）。测试结果表明，该装置能有效降低水平风速对传感器采样的干扰，使PM_2.5测量精度显著提升，同时PM₁₀性能也有所改善。这种简单而有效的硬件改良方案为提升低成本传感器在复杂环境条件下的可靠性提供了新思路。

该研究首次系统揭示了水平风速影响低成本PM传感器性能的内在机制，建立了可校准风速效应的理论模型，并开发出实用的硬件优化方案。研究成果不仅为环境监测数据的准确性提升提供了科学依据，也为PM传感器的设计改进和现场应用校准奠定了理论基础。特别值得关注的是，研究所采用的多孔入口罩设计理念，可推广应用于其他类型的气体采样设备，具有广阔的应用前景。

这项工作的科学价值在于：首先，明确了水平风速和采样流量是影响PM传感器精度的关键因素；其次，验证的理论模型可用于高风速条件下的测量数据校准；最后，开发的MHIC装置为扩展低成本传感器在各种环境条件下的适用性提供了技术支撑。未来研究可进一步探索不同气象条件组合（如风速与湿度协同作用）对传感器性能的影响，以及开发更普适性的校正算法和硬件解决方案。