车载PM2.5检测标定方法的研究

张 戟，俞 城

（同济大学，上海 201804）

2012年中国国家质量监督检验检疫总局开始实施乘用车内空气质量评价指南［1］，其中规定了车内空气中有机物浓度的要求，包括：苯、甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯、甲醛、乙醛、丙烯醛，但这些车内空气有机物并不能包含所有的车内空气有毒有害物质，颗粒污染物 （PM2.5、PM10）等也是车内含量较大的一类有害物质。

本文研究对象PM2.5总成传感器是一种由离心式风扇吸入采样气体后，颗粒物经过采样通道中的激光发射器产生光束照射后，形成散射光线后通过接收端所接收到的光线强度检测计算出当前气体中所含有PM2.5颗粒物浓度质量。

1 检测PM2.5颗粒物的影响因素

PM2.5传感器的工作温度范围为-40℃～85℃，由于传感器中的光学元器件会因为环境温度的变化而存在数值漂移进而产生检测值偏差，针对此影响需要判断温度影响的程度。

从大环境来说，颗粒物污染源在某一区域的大气环境中分布是均匀的，但从微观角度来说颗粒物污染源每一个时刻经过传感器光敏区域时并非都相同，例如前一时间经过检测区域的颗粒物以0.3～1μm粒径为主，下一时间则可能为1～2.5μm为主，故PM2.5总成传感器针对颗粒物浓度采用一段时间的平均值算法，存在短时间的延时性，在外界PM2.5浓度质量发生快速性变化的情况下，实时反映数值存在一定的迟滞，尤其是在车内开启空气质量净化模式下，其检测PM2.5浓度值会滞后，变化速率越大其产生的偏差量也就越大。

2 环境温度影响标定台架搭建

本台架系统部分参考空气净化器的国家GB标准［2］，环境温度标定台架系统主要由步入式温湿度箱、粒子发生装置、搅拌风扇、采样口及送样口、空气过滤器、TSI8530等组成。其中搅拌风扇、空气过滤器等子系统组成了3立方米实验舱。

标定气样经过空气过滤器过滤后得到洁净空气，设定步入式温湿度箱达到环境温度后，稳定运行一段时间直至整个3立方米实验舱中的温度稳定，通过污染物发生装置产生污染源通过采样口及送样口送入3立方米实验舱中，开启搅拌风扇并打开污染物监测装置 （TSI8530）实时监控实验舱中的颗粒物浓度质量，待浓度质量稳定在1000μg／m3后开始对传感器进行不同温度下的检测浓度标定。由于步入式温湿度箱要保证整个内部环境的温度，运行期间处于不停换风状态，故整个3立方米实验舱中的空气与外部的步入式温湿度箱中的空气保证完全隔离状态，避免互相干扰。

3 整车内部环境模拟台架搭建

台架模拟整车前半身车内，其组成包括：模拟乘客舱、鼓风机、新风过滤箱、车载空调滤芯、烟雾发生器、烟雾存储室、回流风扇、采样口、泄压阀、数据采集仪。在烟雾存储室由烟雾发生器燃烧香烟产生PM2.5高浓度颗粒污染物后通过存储室出口进入模拟乘客舱，回流风扇处于运行中，搅拌舱内PM2.5颗粒物使其乘客舱内各个点浓度在一个较平均的范围内，PM2.5总成传感器采样口模拟整车采样口，可以安装在不同位置进行采样。若不打开新风过滤箱外门，仅开启鼓风机运行，此时模拟车辆怠速状态下内循环模式车内颗粒污染物的沉降规律，若打开新风过滤箱外门，则可模拟车辆怠速状态下外循环模式车内的颗粒污染的沉降规律，主要性能参数及布置见表1。

表1 整车模拟台架性能参数

PM2.5传感器采样通道与模拟台架采样口进行连接，TSI8530采样气管布置在与传感器采样口相同位置。对台架通电运行后，台架中央的烟雾发生器会对通过燃烧香烟将颗粒污染物注入至台架中回流风扇将整个实验舱高浓度颗粒物扩散至台架各处，待浓度稳定不会出现剧烈波动后，关闭回流风扇开启鼓风机与空气过滤器，鼓风机将空气过滤器过滤后的洁净空气吹入台架中，调整鼓风机的转速则可以相对应地模拟空调风量挡位及各个挡位下的空气净化效率。若使用模拟外循环模式，通过外界空气注入到台架中，由于台架有气密性要求，这种情况下台架的内部气压会高于外界气压，从而使鼓风机吸风量降低，此时泄压阀会打开模拟整车乘客舱的泄压情况来降低内部阻力，将多余空气排出到室外。数据采集仪则会在台架运行时进行实时记录TSI8530以及车载PM2.5总成传感器的实时数据，对同一时间情况下两者输出数值的偏差程度进行分析。

4 标定修正结果

以常温情况 （23℃）为参考基点设立PM2.5总成传感器的零偏差位。经过标定系数修正后，平均偏差、最大偏差、最小偏差都在PM2.5总成传感器的性能要求范围内，平均偏差值控制在-0.46%～0.22%范围，最大偏差和最小偏差控制在-6.30%～5.22%范围，反映数据离散程度的标准差在标定后与标定前基本无差异，总成传感器在各低温环境情况下其趋势已接近TSI8530的读数变化。

经过标定系数修正后，平均偏差、最大偏差、最小偏差都在PM2.5总成传感器的性能要求范围内，平均偏差值控制在-0.43%～0.32%范围，最大偏差和最小偏差控制在-6.56%～6.66%范围，反映数据离散程度的标准差在标定后与标定前基本无差异，总成传感器在各高温环境情况下其趋势已接近TSI8530的读数变化。

在使用整车内部环境模拟台架进行环境空气质量净化速率影响的标定试验前，预先制定了台架的3种净化效率工作模式：低效净化模式，中效净化模式，高效净化模式。

3种净化效率模式是结合某款车型实测的空调性能以及GB／T 18801-2015空气净化器标准制定，根据标准中的洁净空气量CADR计算方法得出空调的洁净空气量后调试模拟台架鼓风机转速至相对应的净化效率。

低效净化模式时，车载PM2.5总成传感器检测趋势与TSI8530一致，并且数据基本重合，平均偏差为-3.69%，最大偏差为7.94%。但在中效及高效净化模式下，车载PM2.5总成传感器读数出现了不同程度的延迟，高效净化模式下平均偏差在16.71%，最大偏差在27.50%，中效净化模式下平均偏差为11.50%，最大偏差为17.24%。各个模式下所产生的偏差基本是线性规律，故可根据第2章节的数学模型进行标定修正。

外循环情况下，无论任何净化模式车载PM2.5总成传感器的读数趋势与TSI8530读数趋势都是一致的。但是第一点总成传感器存在一定的延迟，第二点从曲线上发现总成传感器数据变化较平滑，而TSI8530读数时常跳变，根据此现象分析原因为外界空气进入到台架内部后扰乱了内部空气的均匀度，总成传感器采集数据后是以一段时间的平均值做缓冲平滑处理使其不会出现骤降和骤升等现象，而TSI8530检测仪器其为每秒实时检测，故一旦出现浓度不均匀的情况时读数会产生跳变。低效净化模式下平均偏差为15.78%，最大偏差为46.43%。高效净化模式下平均偏差在29.44%，最大偏差在90.16%，中效净化模式下平均偏差为26.74%，最大偏差为70.54%。

通过标定系数修正后，内循环模式下PM2.5总成传感器读数基本与TSI8530读数保持一致。低效净化速率模式下读数平均偏差1.07%，最大偏差为8.01%，中效净化速率模式下平均偏差为3.46%，最大偏差为9.87%，高效净化速率模式下平均偏差5.51%，最大偏差为11.10%。

通过标定系数修正后，外循环模式下PM2.5总成传感器读数基本与TSI8530读数保持一致，由于外循环引入了外界空气这一影响因子导致检测区域内的颗粒物浓度质量存在不均匀性，故TSI8530检测数值存在区域波动。

针对此类情况下最大偏差量仅作为参考依据，通过控制平均偏差量来抑制大范围数据的漂移。低效净化速率模式下读数平均偏差-2.07%，最大偏差为37.70%，中效净化速率模式下平均偏差为-4.58%，最大偏差为-29.49%，高效净化速率模式下平均偏差3.47%，最大偏差为20.39%。

5 主要结论

通过参考国标建立了以环境温度标定为主的环境试验台架以及以空气污染物净化速率为主的模拟整车乘客舱标定台架。通过低温标定修正后，使其PM2.5传感器在低温检测结果上也能满足整体性能要求。通过高温标定修正后，使其PM2.5传感器在高温检测结果上也能满足整体性能要求。获得了环境净化速率对PM2.5总成传感器检测的影响规律：在模拟内循环情况下随着净化速率的提高，总成传感器当前实时检测值会发生延迟，最大的延迟影响程度会达到约20%左右。通过标定后能够满足传感器的性能要求。

6 展望

目前总成传感器用于标定的颗粒物污染物为香烟燃烧成分，粉尘源成分较单一，并不能代表中国所有地域或其他国家的尘源。

由于对检测范围进行了分段标定系数修正，并且车辆运行在不同工况下标定系数也不一致，故检测值从一段范围区间变化到另一区间亦或是车辆工况模式变化时，由于标定系数的不同，修正后的检测数值会有较明显跳变，目前优化后若明显观察数据还是会有毛刺类型的数据产生，需要优化工况变化时所带来数据跳变的影响。