点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:重组核心技术“拼图”国标空气站有了高精度“中国芯”
首页> 科技频道> 综合新闻 > 正文

重组核心技术“拼图”国标空气站有了高精度“中国芯”

来源:科技日报2021-10-19 09:40

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  日前,一款振荡天平监测仪样机通过国家环境监测总站的样机性能、可靠性等测试,完成中国环境保护产业协会现场认证考核工作,并获得环保产品认证证书。

  这款天平并不是普通的天平,其测量精度达到0.01微克,被誉为可在“太空中称重”的天平,是监测PM2.5、PM10等空气颗粒物的关键设备。它不仅填补了国内空白,还打破了国外垄断,获得了4项发明专利授权。

  这款振荡天平监测仪是天津同阳科技发展有限公司(以下简称同阳科技)经过5年艰苦研发的又一重要成果,这所脱胎于天津大学精密仪器与光电子工程学院的公司一直致力于把天津大学的科研优势做成产品、变成品牌,走向全国,走向世界。其在气体特征物及颗粒物浓度等方面的监测技术达到了国际领先水平。

  微量振荡天平法在精度上更具优势

  随着工业发展和城市化进程的不断加快,大气污染不断加剧,导致雾霾天频繁出现。造成“雾霾蓝”的罪魁祸首就是大气悬浮颗粒物,其主要成分是雾、烟和空气尘埃,当浓度达到一定程度后会导致人体产生一系列疾病,是危害人体健康的主要污染物。

  测定分析大气中总悬浮颗粒物的含量,对治理大气污染和保护人类自身健康十分重要,而准确全面地掌握大气颗粒物污染状况,认识其发展和演变规律是制定大气颗粒物防治措施的基础。

  “重量法是目前测量环境空气颗粒物浓度最精确的技术,但是需要在实验室中完成。”同阳科技研发中心主任樊海春介绍,目前,能够实现大气颗粒物现场快速监测的技术主要有β射线法、微量振荡天平法和光散射法。其中,β射线法颗粒物监测仪和振荡天平法颗粒物监测仪主要被应用于国内空气站项目中的颗粒物监测模块。

  β射线法和微量振荡天平法测量颗粒物浓度,都被称作间接式“重量法”。“β射线法利用β射线衰减的原理,通过对衰减量的测定便可计算出颗粒物质量浓度。”樊海春说,而微量振荡天平法通过振荡频率的变化,称量空气中颗粒物的质量。

  两种测量方法各有利弊,不过随着我国对于空气质量监测标准的不断提升,对于颗粒物监测精度要求也越来越高。监测仪器准确度不高的话,就会出现PM10和PM2.5数值倒挂的现象,特别是使用β射线法颗粒物监测仪,不同参量之间倒挂现象非常普遍。

  对此樊海春解释,直径小于等于2.5微米(PM2.5)的颗粒物是直径小于等于10微米(PM10)的子集,正常情况下,监测出的PM10的值应该一直大于PM2.5。但在空气质量好的时候,使用β射线法颗粒物监测仪监测出的PM10的值往往小于PM2.5的值,造成了监测结果不准确。

  据了解,在国标法中,微量振荡天平法相比β射线法具有测量精度上的优势,其测量精度和实时性是传统方法所无法比拟的。美国环境保护署长期观测实验得出结论,微量振荡天平法是目前测量环境空气颗粒物浓度技术中和重量法最接近的技术。

  核心技术突破国外垄断

  目前,PM2.5、PM10等颗粒物是环境监测的重点,我国现有8000多个国标空气站,正在使用约16000台同类设备。这些设备每5年至8年就要更新一次,平均每年更新数量超过2000台。

  与如此大的需求相对应的是,我国的城市空气质量自动监测站主要依赖进口监测设备,其价格昂贵、维护成本高、监测指标受限,远不能满足我国大气颗粒物的业务化观测及科学研究的需要。

  “国内振荡天平法监测仪市场长期被国外企业垄断,国际上仅有一家企业在生产此种仪器设备。”樊海春介绍,之所以出现这种情况,是因为现有技术很难绕开国外的专利。而要想生产我们国家自己的振荡天平法监测仪,就必须从基础研究上进行创新、突破。

  振荡天平法监测仪最核心的部件就是振荡天平法颗粒物传感器,这也是研发振荡天平法监测仪的“卡脖子”技术。作为测量颗粒物浓度的核心传感器,其内部包括谐振振子、颗粒物采集膜、驱动和检测电路。绕开已有专利就意味着核心技术的“拼图”要打散,换种方法重新再组合起来。

  2016年,樊海春和研发团队把研发任务化整为零,而后逐项进行突破。

  质量传感器中的振子材料及结构研究是核心中的核心。“国外专利中的振子材料和结构是石英材质的锥形管,我们就要避开这种材料和结构。”樊海春和团队为了确定振子材料,利用两三年时间,选取多种材料进行针对性测试,同时结合不同形状和尺寸进行不断的改进。

  大自然中的材料有成千上万种,寻找合适的材料犹如大海捞针,经过缜密的研究分析,研发团队把筛选的范围缩小到三种,并最终确立了特殊碳纤维材料。“这种材料是在碳纤维中加入其他成分混合而成的,光是研究成分的配比就进行了上百次实验。”樊海春解释,由于每种材料的弹性系数不同,不同的弹性系数会导致形状的差别,因此需要对材料进行配比。确定了材料后,研究人员又反推出与之最为匹配的振子结构,从而保证了振荡天平的精度。

  由于采用了特殊的碳纤维材料,同阳科技研发的振荡天平中的振子在同等条件下,比原有的国外产品寿命更长、精度更高。“国外产品的石英振子需要一年更换一次,而我们的碳纤维振子基本可以达到终身寿命。因此可以大大节约成品,与国外产品相比单台可节约成本超5万元。”樊海春说。

  创新设计让国产振荡天平性能更优

  为了提高振荡天平监测仪器的稳定性和精度,樊海春团队还创新性地进行了动态补偿系统研究和算法研究。

  “采集到的大气样本除了颗粒物外,还含有很多水分子。特别是南方潮湿的环境中,水分子含量高会影响最终检测结果的精确度。”樊海春介绍,因此就需要开展采样动态除湿技术、温度湿度补偿技术、精密温湿压采集的研究。

  樊海春团队对采样气体进行除湿预处理时,通过螺旋反吹气选择性渗透除湿干燥技术、质子交换膜水分子交换技术,使除湿效率最大化,从而降低湿度对颗粒物测量的影响;温湿度补偿技术则主要针对颗粒物在不同温度和湿度下对测量结果的影响进行细微补偿,使测量达到更高精度;精密温湿压采集技术包括多处温度、湿度、压力采集,保证了测量的准确性。

  一套“组合拳”的创新技术,还需匹配上相应的算法。通过对浓度算法研究、动态补偿算法研究、快速精密控制研究、线性补偿算法研究,形成一整套完整的动态智能补偿系统,可智能补偿因温度、湿度、颗粒物成分等带来的偏差,从而更准确地颗粒物浓度测量。

  随着同阳科技的振荡天平监测仪获得环保认证证书,它将成为我国国标空气站的“中国芯”,以目前我国的需求量,如果全部应用国产化产品将节约成本数亿元。(陈 曦)

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 北京口岸出入境人员突破1500万人次

  • “赛考斯”和殷玉珍到呼和浩特参观交流

独家策划

推荐阅读
8月26日,第二届世界人形机器人运动会在国家速滑馆“冰丝带”闭幕。小型组400米比赛中,北京人形机器人创新中心研发的天工Omni一骑绝尘,以45.66秒的绝对速度率先撞线,其掩面狂奔的“娇羞”姿势更是火遍全网。
2026-08-27 09:55
作为地球上物种多样性最高的动物类群,昆虫的早期起源与登陆演化历史长期存在研究空白。系统研究表明,先驱乔昔虫这一早期干群昆虫具备半水生两栖生活习性,栖息于水陆交界的湿润微环境。
2026-08-27 09:53
中共中央政治局常委、国务院总理李强8月24日至26日在黑龙江、吉林调研。
2026-08-27 09:51
重庆依山而建、傍水而兴,多山多水的复杂地貌,给城市交通建设带来天然挑战,也造就了独一无二的立体交通图景。“悟空立交”的出圈,也是中国超级基建版图的微小切片。广袤中华大地,山河辽阔、地貌多元,从峡谷江河到高原山川,中国基建逢山开路、遇水架桥,在复杂地形上书写了无数建设传奇。
2026-08-27 09:50
记者26日从中国科学技术协会举办的新闻发布会上获悉,以“科技改变生活创新赢得未来”为主题的全国科普月将于9月1日启幕。全国科普月期间还将同步举办世界公众科学素质促进大会,将邀请国内外专家学者围绕“面向智能社会的科学素质”主题展开研讨。
2026-08-27 09:46
当前,人工智能与实体经济持续深度融合,产业变革多线并进。从算力芯片、工业智能装备到低空通航体系,技术创新持续打通落地堵点,全方位推动制造、服务等领域转型升级。
2026-08-26 09:32
这种由胶子彼此束缚形成的特殊粒子,就是胶球。
2026-08-26 05:50
“棉芯1.0”以“网页端+小程序端”双端设计,分别瞄准科研创新与田间生产两大核心场景。
2026-08-26 05:50
工业和信息化部绿色低碳标准化技术委员会日前成立
2026-08-26 05:15
做学问这件事,说到底就是认准一个目标一直追下去
2026-08-26 05:15
促进人工智能与农业发展相结合,是提升农业科技创新效能的重要着力点。
2026-08-26 05:15
中央气象台首席预报员陈双预计,出伏后,四川盆地、江汉等地将有高温天气出现,上述地区仍需关注“秋老虎”天气。
2026-08-25 09:49
近期,在部分高原、草原景区,投喂、抚摸野生旱獭(土拨鼠)或与其近距离合影打卡,成为不少游客跟风的行为。除了野生旱獭,黄鼠、沙鼠等啮齿动物也是鼠疫的自然宿主,野兔、狐狸、野猫等野生动物也可成为鼠疫的偶然宿主,均存在传播风险。
2026-08-25 09:47
翻看评论区,呼声最高的几条是“旺仔牛奶太甜了”“能不能出低糖版”——不是不爱,是当年的小孩长大了,而有些配方还没跟着长大。
2026-08-25 09:46
以人工智能为代表的新一轮科技革命和产业变革正在改变经济社会的传统发展模式。同时,世界百年未有之大变局加速演进,全球创新版图和竞争格局正在经历深刻调整。
2026-08-25 02:10
《教育强国建设规划纲要 (2024—2035年)》提出,以教育数字化开辟发展新赛道、塑造发展新优势。思政课是落实立德树人根本任务的关键课程,
2026-08-25 02:10
北斗在大众消费领域应用取得明显进展
2026-08-25 04:45
8月22日,第二届世界人形机器人运动会在国家速滑馆开幕,16个国家的666支赛队、2056台机器人参与竞逐。与此同时,2026世界机器人大会正在北京亦庄举办,汇聚全球前沿技术与产业成果,全面展现机器人走向千行百业的发展新趋势。
2026-08-24 10:17
六氟化硫是高压电力设备不可或缺的绝缘、灭弧介质,可它偏偏是一种强温室气体。更棘手的是,现阶段又很难找到一种合适的气体完全替代它。如何尽可能不让它进入大气?这是我们一直想解决的难题。
2026-08-24 10:16
所谓数字孪生,就是把一个物理实体在虚拟世界1∶1复刻——可以是一条产线、一个车间,甚至一座工厂。在胡少雄看来,数字孪生的高阶形态,是会“自感知、自决策、自执行”的智能体,这离不开传感器、人工智能算法、通信技术协同进化。
2026-08-24 10:12
加载更多