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(guān)鍵設(shè)備。它不僅填補了國內(nèi)空白，還打破了國外壟斷，獲得了4項發(fā)明專利授權(quán)。

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(chǎn)業(yè)協(xié)會現(xiàn)場認(rèn)證考核工作，并獲得環(huán)保產(chǎn)品認(rèn)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(guān)鍵設(shè)備。它不僅填補了國內(nèi)空白，還打破了國外壟斷，獲得了4項發(fā)明專利授權(quán)。

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(jīng)過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(jiān)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(dǎo)致霧霾天頻繁出現(xiàn)。造成“霧霾藍”的罪魁禍?zhǔn)拙褪谴髿鈶腋☆w粒物，其主要成分是霧、煙和空氣塵埃，當(dāng)濃度達到一定程度后會導(dǎo)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自身健康十分重要，而準(zhǔn)確全面地掌握大氣顆粒物污染狀況，認(rèn)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(chǔ)。

“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)，但是需要在實驗室中完成?！蓖柨萍佳邪l(fā)中心主任樊海春介紹，目前，能夠?qū)崿F(xiàn)大氣顆粒物現(xiàn)場快速監(jiān)測的技術(shù)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(yīng)用于國內(nèi)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(zhì)量濃度?！狈４赫f，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(zhì)量。

兩種測量方法各有利弊，不過隨著我國對于空氣質(zhì)量監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)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(yīng)該一直大于PM2.5。但在空氣質(zhì)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(jié)果不準(zhǔn)確。

據(jù)了解，在國標(biāo)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(jié)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(jiān)測的重點，我國現(xiàn)有8000多個國標(biāo)空氣站，正在使用約16000臺同類設(shè)備。這些設(shè)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(yīng)的是，我國的城市空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站主要依賴進口監(jiān)測設(shè)備，其價格昂貴、維護成本高、監(jiān)測指標(biāo)受限，遠不能滿足我國大氣顆粒物的業(yè)務(wù)化觀測及科學(xué)研究的需要。

“國內(nèi)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(chǎn)此種儀器設(shè)備?！狈４航榻B，之所以出現(xiàn)這種情況，是因為現(xiàn)有技術(shù)很難繞開國外的專利。而要想生產(chǎn)我們國家自己的振蕩天平法監(jiān)測儀，就必須從基礎(chǔ)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(shù)。作為測量顆粒物濃度的核心傳感器，其內(nèi)部包括諧振振子、顆粒物采集膜、驅(qū)動和檢測電路。繞開已有專利就意味著核心技術(shù)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(wù)化整為零，而后逐項進行突破。

質(zhì)量傳感器中的振子材料及結(jié)構(gòu)研究是核心中的核心?！皣鈱＠械恼褡硬牧虾徒Y(jié)構(gòu)是石英材質(zhì)的錐形管，我們就要避開這種材料和結(jié)構(gòu)。”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(jié)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(jīng)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?！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行了上百次實驗?！狈４航忉?，由于每種材料的彈性系數(shù)不同，不同的彈性系數(shù)會導(dǎo)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(jié)構(gòu)，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(chǎn)品壽命更長、精度更高。“國外產(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(jié)約成品，與國外產(chǎn)品相比單臺可節(jié)約成本超5萬元。”樊海春說。

創(chuàng)新設(shè)計讓國產(chǎn)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(jié)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(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行除濕預(yù)處理時，通過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(jié)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(shù)包括多處溫度、濕度、壓力采集，保證了測量的準(zhǔn)確性。

一套“組合拳”的創(chuàng)新技術(shù)，還需匹配上相應(yīng)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(zhǔn)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(rèn)證證書，它將成為我國國標(biāo)空氣站的“中國芯”，以目前我國的需求量，如果全部應(yīng)用國產(chǎn)化產(chǎn)品將節(jié)約成本數(shù)億元。