四方光電在光散射技術上的開發(fā)及應用可以追溯到2008年上海世博會。為滿足國內某暖通空調（HVAC）企業(yè)產品開發(fā)需要，公司依托多年傳感器和儀器開發(fā)的基礎，為客戶開發(fā)成功一套集成的空氣品質模組，包含PM2.5、CO2、甲醛、磁輻射和溫濕度等多種指標。從那開始，公司持續(xù)深耕顆粒物傳感器的研發(fā)創(chuàng)新。四方光電從給工業(yè)儀器設備配套核心模組開始，到現(xiàn)在給室內各類智能家電的配套、汽車整車OEM的配套、戶外揚塵及網格化監(jiān)測設備的配套、工廠潔凈度監(jiān)測系統(tǒng)的全面配套，已經覆蓋多個應用領域，涉及室內、室外、車內等多種不同的應用場景，實現(xiàn)了基于光散射技術的全產品線開發(fā)及應用。
室內粉塵檢測
早期空氣凈化器客戶多采用日本品牌的灰塵傳感器進行顆粒物檢測，僅僅用來顯示不同顏色（通常是紅色代表超標，黃色代表預警，綠色代表優(yōu)良）或者1，2，3數(shù)字等級來向用戶顯示凈化器的凈化效果。這種等級顯示的方式，只能作為趨勢變化的參考，無法傳遞環(huán)境真實的情況。之所以這樣，有兩個原因，一是早期霧霾等空氣污染不太嚴重，市場沒有精準顯示的需求；二是光散射技術在民用家電領域的應用被限制在了較低成本范圍內，無法實現(xiàn)進一步的技術升級。這類傳感器以日本和韓國品牌為代表，產品外觀及設計思路如下：
可以看到，這類以紅外LED作為光源，加熱電阻來實現(xiàn)空氣流動的產品設計原理，其原始信號非常微弱，無法區(qū)分顆粒物信號與基底噪聲的差別，因此只能通過觸發(fā)低電平的方式，用單位檢測周期內的低電平占空比來指代環(huán)境中探測到的顆粒物變化情況。
隨著中國工業(yè)化進程的加快，環(huán)境污染問題日益突出，影響城市居民呼吸道健康的霧霾問題日趨嚴峻，“PM2.5"也進入大眾視野，成為了2013年的熱門關鍵詞。四方光電在2014年3月參加的AWE中國家電博覽會上，接受到了眾多家電企業(yè)對于低成本、高精度實現(xiàn)PM2.5探測的急切需求。
“高技術、低成本、量產化"正是四方光電氣體傳感器一貫致力專研的方向，公司立刻成立研發(fā)團隊，積極響應市場和用戶。通過接近一年的努力，四方光電于當年底完成了專門針對空氣凈化器開發(fā)的激光粉塵傳感器PM2005的開發(fā)和投產，實現(xiàn)了國內該領域的產品突破。PM2005通過將LED光源升級為激光光源，引入風扇實現(xiàn)穩(wěn)定的氣流控制，單片機實現(xiàn)輸出信號的數(shù)字化，并配置UART、IIC、PWM等多種數(shù)據通訊傳輸方式可選，真正意義上實現(xiàn)了在線實時、精準測量、高性價比的產品設計目標，一直倍國內外主流的凈化器廠家配套選用。
LED紅外粉塵傳感器與激光型粉塵傳感器的性能對比：
從上表可以看到，如果用戶的設備需要進行快速精確的實時數(shù)值顯示，激光粉塵傳感器無疑是一個更為合理的選擇，而如果設備只是僅僅作為等級顯示，或者只是用一個簡單的數(shù)字待變變化趨勢而對測量精度沒有要求，則可以繼續(xù)沿用LED紅外粉塵傳感器。
從2015年發(fā)展至今，四方光電每年都會持續(xù)針對客戶的需求變化持續(xù)不斷的推陳出新新的產品，目前激光粉塵傳感器已有PM2107、PM2008、PM2009、PM2012等多款量產品，客戶可根據自身結構、性能的實際需求，靈活選擇。
車內粉塵檢測
同時，霧霾也造成了人們對汽車車廂的空氣品質的關注。通過積極開展與OEM主機廠開發(fā)人員的技術交流，配合主機廠客戶進行預研項目的開發(fā)及應用，在2016年推出了適用乘用車前裝技術及可靠性要求的激光車內PM2.5傳感器總成CAPS-3500，并在當年底被某國產品牌汽車作為Tier2供應商被定點，2017公司通過IATF16949汽車質量體系認真，公司開發(fā)的開發(fā)第二代車規(guī)級PM2.5傳感器總成APMS-3000獲得國際汽車空調品牌的PM2.5傳感器定點，2018年開發(fā)第三代PM2.5傳感器總成APMS-3500在被捷豹路虎定點為一級供應商。此外公司還開發(fā)出車規(guī)級PM2.5傳感器總成平臺APMS-3300系列，目前已批量應用與多款國內外車型。
光散射技術在整車上的前裝應用，和室內家居場景不同，在技術上遇到了多種困難和挑戰(zhàn)。首先，車艙內的空氣環(huán)境更為復雜。室內家居環(huán)境如果長期開著凈化器或者新風系統(tǒng)，通過HEPA等過濾后，只要不是在霧霾天經常開窗通風，一般室內環(huán)境比較潔凈，大顆粒不多，1μm以下的小粒子居多。這個時候其實PM2.5與PM1.0的數(shù)值是非常接近的，那么我們通過香煙進行傳感器標定就合情合理，也有標準依據（GBT18801-2015使用紅塔山1916品牌的香煙作為標準塵源）。但是車艙內的環(huán)境就不是這樣，經常的開車窗、開汽車空調外循環(huán)都會把外界空氣引入到車內，而國道、高速、地下車庫、城市等不同道路上的環(huán)境粉塵構成均不同，存在較大差異，如果繼續(xù)沿用室內家居的粉塵傳感器，明顯無法做到準確的塵源識別和測量。四方光電通過多年對光散射的技術積累和對應用場景的深入理解，開發(fā)出智能塵源識別算法（API算法），能夠有效識別出車艙內的顆粒物構成，實現(xiàn)精準測量。
其次，不論是汽車空調內循環(huán)還是外循環(huán)，車艙內的氣流變化都是較大的，這點也與室內空氣較為靜止非常不同，如果繼續(xù)沿用民用粉塵傳感器的設計，檢測數(shù)據一定會受到氣流變化的影響而出現(xiàn)較大波動，給用戶帶來不好的體驗。四方光電根據這一應用場景實際情況，將民用粉塵中的軸承風扇升級為大尺寸鼓風機，抵抗風阻的能力更強，還可以外接10-30cm的導氣管，從而確保檢測數(shù)據的穩(wěn)定。
由于當時市面上并沒有符合車規(guī)環(huán)境溫度及可靠性要求的鼓風機，供應商定制費用昂貴且時間配合上無法滿足項目量產需求，四方光電投資開設了自己的車規(guī)級風扇工廠，從客戶需求出發(fā)，按照汽車應用的性能及可靠性要求進行開發(fā)設計，目前已經批量并應用到多款車型中，實現(xiàn)了核心關鍵零部件的自制。
最后，由于主機廠的車型較多，既有新設計車型也有量產改款車型，留給粉塵傳感器的安裝和固定空間非常有限，四方光電為了降低客戶的新產品開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，創(chuàng)新的引入了平臺化開發(fā)的創(chuàng)意，推出了平臺化的系列產品APMS-330X，該系列產品可以在確保PCBA及硬件設計不改動的情況下，讓傳感器的進出風口及連接器在任意面按照客戶需求進行位置調整。
室外揚塵監(jiān)測
2018年發(fā)布了我國將推行網格化環(huán)境監(jiān)管逐步實現(xiàn)從重點區(qū)域至全覆蓋的計劃，相關試行標準《大氣PM2.5網格化監(jiān)測點位布設技術指南（試行）》也逐步發(fā)布。利用精準、科學的網格化監(jiān)測系統(tǒng)來治理大氣污染，可以有效提升治理環(huán)境的工作效率，而網格化系統(tǒng)的核心是PM2.5和PM10的有效監(jiān)測。
2020年又是打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)、“十三五"規(guī)劃的全面收官之年，我國大氣污染治理進入攻堅“深水期"，剩下的都是難啃的“硬骨頭"。作為一直以來的重點和難點，揚塵污染治理已然成為大氣污染防治目標完成與否的關鍵點之一。
工地揚塵及城市網格化監(jiān)測是大氣污染防治的重要組成部分，監(jiān)測系統(tǒng)中實現(xiàn)探測的核心傳感器尤其重要，其必須同時具備產品的科學可靠性、應用的完備性和經濟的適用性三個特點。我國室外揚塵及網格化監(jiān)測領域，早期多采用稱重法和β射線吸收法的監(jiān)測儀，該設備無法實現(xiàn)在線實時監(jiān)測，投入費用昂貴且后期維護成本高，無法大批量得到應用。而民用凈化器中大量應用的激光粉塵傳感器，又因為存在無法滿足室外-30~70℃全天候的溫度環(huán)境，及無法滿足建設工地等實際使用場景經常噴灑降霾的水霧影響或者下雨潮濕的高濕環(huán)境要求而難以得到使用。在戶外環(huán)境下使用凈化器上的傳感器，其溫度容易使傳感器損壞，水霧也經常被誤判為霧霾而造成爆表，同時與國家大氣環(huán)境監(jiān)測網提供的PM2.5/PM10/TSP的多項數(shù)據對比，民用激光粉塵傳感器由于激光功率小、采樣流量小，導致PM10分辨率很低，只能根據PM2.5的數(shù)值按照比例計算出PM10和TSP，這樣的監(jiān)測數(shù)據存在嚴重失真。
通過準確把握上述客戶需求的痛點，四方光電繼續(xù)攻堅克難，發(fā)揮在光散射原理上長期積淀的技術優(yōu)勢，結合在室內及車內粉塵檢測上所積累的經驗，研制出了揚塵傳感器-PM3003、PM3006系列產品，其具備如下關鍵優(yōu)勢和特性：
首先，采用寬溫型大功率線型激光光源、API粉塵自動識別技術、的流道設計實現(xiàn)抗污染、高濕度環(huán)境的水霧去除裝置等，開創(chuàng)新的低成本實現(xiàn)了對室外揚塵的準確測量，PM2.5和PM10的實時監(jiān)測數(shù)值與β射線吸收法監(jiān)測設備，準確測量的相關性可以達到0.9以上。
其次，PM3003X、 PM3006激光揚塵傳感器采用了工作溫度在-30~70℃的恒功率、線型光源，其光功率高達100mW，相比點光源高出20倍以上，原始信號更強，大大提升了顆粒物的識別效率。同時對光源采用了恒功率控制，保證原始信號的穩(wěn)定輸出，確保測量的穩(wěn)定性。
最后，配套了除濕裝置，防止室外環(huán)境中細小的水珠進入檢測氣室，消除水汽對揚塵傳感器的精度影響。
由此，四方光電實現(xiàn)了從室內到車內，再到戶外粉塵檢測的全領域覆蓋，其的優(yōu)勢在于，可以結合不同領域應用場景對產品的需求，實現(xiàn)技術的靈活配置，的為客戶提供創(chuàng)造性的優(yōu)質解決方案，并可在未來客戶的產品升級換代中，提供進一步的技術及性能拓展空間。
四方光電企業(yè)介紹
四方光電于2003年在“中國武漢-光谷"成立，是一家專業(yè)從事氣體傳感器、氣體分析儀器研發(fā)、生產和銷售的企業(yè)。四方光電公司董事長、創(chuàng)始人熊友輝為華中科技大學熱能工程專業(yè)博士，教授級高級工程師，特殊津貼專家。
公司開發(fā)了基于非分光紅外(NDIR)、光散射探測(LSD)、超聲波(Ultrasonic)、紫外差分吸收光譜(UV-DOAS)、熱導(TCD)、激光拉曼(LRD)等原理的氣體傳感技術平臺，形成了氣體傳感器、氣體分析儀器兩大類產業(yè)生態(tài)、幾十款不同產品，廣泛應用于國內外的家電、汽車、醫(yī)療、環(huán)保、工業(yè)、能源計量等領域。
四方光電是湖北省知識產權示范建設企業(yè)，建設有湖北省氣體分析儀器儀表工程技術研究中心、湖北省企業(yè)技術中心，承擔了國家重大科學儀器設備開發(fā)專項、物聯(lián)網發(fā)展專項等國家科技開發(fā)項目。截至2020年8月底，公司及子公司擁有101項境內外注冊，其中國內99項，國外2項。發(fā)明共有33項（境內31項，境外2項）。公司及子公司湖北銳意分別入選2019年工業(yè)強基工程-“傳感器"應用計劃示范企業(yè)和示范項目。憑借長期的技術積淀、良好的產品性能及國際化視野，公司已取得多家國內外企業(yè)的認可，產品銷往全國并出口到80多個國家和地區(qū)。
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