四方光電在光散射技術(shù)上的開發(fā)及應(yīng)用可以追溯到2008年上海世博會。為滿足國內(nèi)某知名暖通空調(diào)（HVAC）企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)需要，公司依托多年傳感器和儀器開發(fā)的基礎(chǔ)，為客戶開發(fā)成功一套集成的空氣品質(zhì)模組，包含PM2.5、CO2、甲醛、磁輻射和溫濕度等多種指標(biāo)。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)高端儀器設(shè)備配套核心模組開始，到現(xiàn)在給室內(nèi)各類智能家電的配套、汽車整車OEM的配套、戶外揚(yáng)塵及網(wǎng)格化監(jiān)測設(shè)備的配套、工廠潔凈度監(jiān)測系統(tǒng)的全面配套，已經(jīng)覆蓋多個應(yīng)用領(lǐng)域，涉及室內(nèi)、室外、車內(nèi)等多種不同的應(yīng)用場景，實(shí)現(xiàn)了基于光散射技術(shù)的全產(chǎn)品線開發(fā)及應(yīng)用。

室內(nèi)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(jìn)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(biāo)，黃色代表預(yù)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(shí)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(yán)重，市場沒有精準(zhǔn)顯示的需求；二是光散射技術(shù)在民用家電領(lǐng)域的應(yīng)用被限制在了較低成本范圍內(nèi)，無法實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的技術(shù)升級。這類傳感器以日本和韓國品牌為代表，產(chǎn)品外觀及設(shè)計(jì)思路如下：

可以看到，這類以紅外LED作為光源，加熱電阻來實(shí)現(xiàn)空氣流動的產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(nèi)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(jìn)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(yán)峻，“PM2.5”也首次進(jìn)入大眾視野，成為了2013年的熱門關(guān)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(shí)現(xiàn)PM2.5探測的急切需求。

“高技術(shù)、低成本、量產(chǎn)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(tuán)隊(duì)，積極響應(yīng)市場和用戶。通過接近一年的努力，四方光電于當(dāng)年底完成了首款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(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)該領(lǐng)域的產(chǎn)品突破。PM2005通過將LED光源升級為激光光源，引入風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的氣流控制，單片機(jī)實(shí)現(xiàn)輸出信號的數(shù)字化，并配置UART、IIC、PWM等多種數(shù)據(jù)通訊傳輸方式可選，真正意義上實(shí)現(xiàn)了在線實(shí)時、精準(zhǔn)測量、高性價比的產(chǎn)品設(shè)計(jì)目標(biāo)，一直倍國內(nèi)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(shè)備需要進(jìn)行快速精確的實(shí)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(shè)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(chǎn)品，目前激光粉塵傳感器已有PM2107、PM2008、PM2009、PM2012等多款量產(chǎn)品，客戶可根據(jù)自身結(jié)構(gòu)、性能的實(shí)際需求，靈活選擇。

車內(nèi)粉塵檢測

同時，霧霾也造成了人們對汽車車廂的空氣品質(zhì)的關(guān)注。通過積極開展與OEM主機(jī)廠開發(fā)人員的技術(shù)交流，配合主機(jī)廠客戶進(jìn)行預(yù)研項(xiàng)目的開發(fā)及應(yīng)用，在2016年推出了首款完全適用乘用車前裝技術(shù)及可靠性要求的激光車內(nèi)PM2.5傳感器總成CAPS-3500，并在當(dāng)年底被某國產(chǎn)品牌汽車作為Tier2供應(yīng)商被定點(diǎn)，2017公司通過IATF16949汽車質(zhì)量體系認(rèn)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獲得國際著名汽車空調(diào)品牌的PM2.5傳感器定點(diǎn)，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(diǎn)為一級供應(yīng)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(yīng)用與多款國內(nèi)外車型。

光散射技術(shù)在整車上的前裝應(yīng)用，和室內(nèi)家居場景完全不同，在技術(shù)上遇到了多種困難和挑戰(zhàn)。首先，車艙內(nèi)的空氣環(huán)境更為復(fù)雜。室內(nèi)家居環(huán)境如果長期開著凈化器或者新風(fēng)系統(tǒng)，通過HEPA等過濾后，只要不是在霧霾天經(jīng)常開窗通風(fēng)，一般室內(nèi)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(shí)PM2.5與PM1.0的數(shù)值是非常接近的，那么我們通過香煙進(jìn)行傳感器標(biāo)定就合情合理，也有標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)（GBT18801-2015使用紅塔山1916品牌的香煙作為標(biāo)準(zhǔn)塵源）。但是車艙內(nèi)的環(huán)境就完全不是這樣，經(jīng)常的開車窗、開汽車空調(diào)外循環(huán)都會把外界空氣引入到車內(nèi)，而國道、高速、地下車庫、城市等不同道路上的環(huán)境粉塵構(gòu)成均不同，存在較大差異，如果繼續(xù)沿用室內(nèi)家居的粉塵傳感器，明顯無法做到準(zhǔn)確的塵源識別和測量。四方光電通過多年對光散射的技術(shù)積累和對應(yīng)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(nèi)的顆粒物構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測量。

其次，不論是汽車空調(diào)內(nèi)循環(huán)還是外循環(huán)，車艙內(nèi)的氣流變化都是較大的，這點(diǎn)也與室內(nèi)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(shè)計(jì)，檢測數(shù)據(jù)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(yàn)。四方光電根據(jù)這一應(yīng)用場景實(shí)際情況，將民用粉塵中的軸承風(fēng)扇升級為大尺寸鼓風(fēng)機(jī)，抵抗風(fēng)阻的能力更強(qiáng)，還可以外接10-30cm的導(dǎo)氣管，從而確保檢測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定。

由于當(dāng)時市面上并沒有完全符合車規(guī)環(huán)境溫度及可靠性要求的鼓風(fēng)機(jī)，供應(yīng)商定制費(fèi)用昂貴且時間配合上無法滿足項(xiàng)目量產(chǎn)需求，四方光電投資開設(shè)了自己的車規(guī)級風(fēng)扇工廠，從客戶需求出發(fā)，完全按照汽車應(yīng)用的性能及可靠性要求進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，目前已經(jīng)批量并應(yīng)用到多款車型中，實(shí)現(xiàn)了核心關(guān)鍵零部件的自制。

最后，由于主機(jī)廠的車型較多，既有新設(shè)計(jì)車型也有量產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品APMS-330X，該系列產(chǎn)品可以在確保PCBA及硬件設(shè)計(jì)完全不改動的情況下，讓傳感器的進(jìn)出風(fēng)口及連接器在任意面按照客戶需求進(jìn)行位置調(diào)整。

室外揚(yáng)塵監(jiān)測

2018年環(huán)境保護(hù)局發(fā)布了我國將推行網(wǎng)格化環(huán)境監(jiān)管逐步實(shí)現(xiàn)從重點(diǎn)區(qū)域至全覆蓋的計(jì)劃，相關(guān)試行標(biāo)準(zhǔn)《大氣PM2.5網(wǎng)格化監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)技術(shù)指南（試行）》也逐步發(fā)布。利用精準(zhǔn)、科學(xué)的網(wǎng)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(wǎng)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(lán)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(jìn)入攻堅(jiān)“深水期”，剩下的都是難啃的“硬骨頭”。作為一直以來的重點(diǎn)和難點(diǎn)，揚(yáng)塵污染治理已然成為大氣污染防治目標(biāo)完成與否的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

工地?fù)P塵及城市網(wǎng)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(shí)現(xiàn)探測的核心傳感器尤其重要，其必須同時具備產(chǎn)品的科學(xué)可靠性、應(yīng)用的完備性和經(jīng)濟(jì)的適用性三個特點(diǎn)。我國室外揚(yáng)塵及網(wǎng)格化監(jiān)測領(lǐng)域，早期多采用稱重法和β射線吸收法的監(jiān)測儀，該設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時監(jiān)測，投入費(fèi)用昂貴且后期維護(hù)成本高，無法大批量得到應(yīng)用。而民用凈化器中大量應(yīng)用的激光粉塵傳感器，又因?yàn)榇嬖跓o法滿足室外-30~70℃全天候的溫度環(huán)境，及無法滿足建設(shè)工地等實(shí)際使用場景經(jīng)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(jīng)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(wǎng)提供的PM2.5/PM10/TSP的多項(xiàng)數(shù)據(jù)對比，民用激光粉塵傳感器由于激光功率小、采樣流量小，導(dǎo)致PM10分辨率很低，只能根據(jù)PM2.5的數(shù)值按照比例計(jì)算出PM10和TSP，這樣的監(jiān)測數(shù)據(jù)存在嚴(yán)重失真。

通過準(zhǔn)確把握上述客戶需求的痛點(diǎn)，四方光電繼續(xù)攻堅(jiān)克難，發(fā)揮在光散射原理上長期積淀的技術(shù)優(yōu)勢，結(jié)合在室內(nèi)及車內(nèi)粉塵檢測上所積累的經(jīng)驗(yàn)，研制出了揚(yáng)塵傳感器-PM3003、PM3006系列產(chǎn)品，其具備如下關(guān)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(shù)、先進(jìn)的流道設(shè)計(jì)實(shí)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(shí)現(xiàn)了對室外揚(yáng)塵的準(zhǔn)確測量，PM2.5和PM10的實(shí)時監(jiān)測數(shù)值與β射線吸收法監(jiān)測設(shè)備，準(zhǔn)確測量的相關(guān)性可以達(dá)到0.9以上。

其次，PM3003X、 PM3006激光揚(yáng)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(dá)100mW，相比點(diǎn)光源高出20倍以上，原始信號更強(qiáng)，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(xì)小的水珠進(jìn)入檢測氣室，消除水汽對揚(yáng)塵傳感器的精度影響。

由此，四方光電實(shí)現(xiàn)了從室內(nèi)到車內(nèi)，再到戶外粉塵檢測的全領(lǐng)域覆蓋，其最大的優(yōu)勢在于，可以結(jié)合不同領(lǐng)域應(yīng)用場景對產(chǎn)品的需求，實(shí)現(xiàn)技術(shù)的靈活配置，最大程度的為客戶提供創(chuàng)造性的優(yōu)質(zhì)解決方案，并可在未來客戶的產(chǎn)品升級換代中，提供進(jìn)一步的技術(shù)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(chǎn)和銷售的高新技術(shù)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(xué)熱能工程專業(yè)博士，教授級高級工程師，國務(wù)院特殊津貼專家。

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(dǎo)(TCD)、激光拉曼(LRD)等原理的氣體傳感技術(shù)平臺，形成了氣體傳感器、氣體分析儀器兩大類產(chǎn)業(yè)生態(tài)、幾十款不同產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外的家電、汽車、醫(yī)療、環(huán)保、工業(yè)、能源計(jì)量等領(lǐng)域。

四方光電是湖北省首批知識產(chǎn)權(quán)示范建設(shè)企業(yè)，建設(shè)有湖北省氣體分析儀器儀表工程技術(shù)研究中心、湖北省企業(yè)技術(shù)中心，承擔(dān)了國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)、工信部物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展專項(xiàng)等國家科技開發(fā)項(xiàng)目。截至2020年8月底，公司及子公司擁有101項(xiàng)境內(nèi)外注冊專利，其中國內(nèi)99項(xiàng)，國外2項(xiàng)。發(fā)明專利共有33項(xiàng)（境內(nèi)31項(xiàng)，境外2項(xiàng)）。公司及子公司湖北銳意分別入選工信部2019年工業(yè)強(qiáng)基工程-“傳感器一條龍”應(yīng)用計(jì)劃示范企業(yè)和示范項(xiàng)目。憑借長期的技術(shù)積淀、良好的產(chǎn)品性能及國際化視野，公司已取得多家國內(nèi)外知名企業(yè)的認(rèn)可，產(chǎn)品銷往全國并出口到80多個國家和地區(qū)。