低成本室内空气质量传感器LCS的特性和应用
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文|盘虎说
编辑|盘虎说
«——【·前言·】——»
人类大部分时间都在室内度过，他们可能会接触到有害污染物。在这种背景下，在过去几年中，由于最近的技术进步以及对室内空气质量及其影响的意识增强，用于测量室内空气污染物的低成本传感器(LCS) 出现了热潮。
尽管大多数空气质量法规和大气化学研究历来都关注室外空气，但人们越来越关注室内空气质量对人类健康的负面影响。在发达国家，人类90%以上的时间都在室内度过据估计，室内空气质量差是第九大疾病风险因素。
«——【·空气污染·】——»
世界卫生组织指出，如今，家庭空气污染是发展我国家过早死亡和疾病的主要原因之一，每年有 380 万以上的过早死亡归因于家庭暴露于低效烹饪方式产生的烟雾和室内燃料相比之下，环境空气污染导致 420 万人死亡。
室内空气污染物的混合来自室外渗透和室内源排放，如家具和绘画、清洁产品、室内活动等。这些污染物的浓度受多种室内和室外因素的影响。
随着技术的快速进步，这些技术已经发展到提供能够满足公民兴趣的低成本传感器和传感器**，他们需要有关空气污染的在线和实时信息，作为其数字生态**的一部分。
通常，化学传感器是一种将化学数据转换为分析有用信号的装置。声明传感器**被定义为由一个或多个传感器元件和其他支持组件组成的集成设备，这些组件需要制作一个功能齐全的自主检测**。
它可以包括远程数据传输和数据处理步骤。尽管有一些定义可用，科学界接受的一般描述是它们的成本明显低于参考级仪器，这允许以高度空间分辨率进行部署。最近出现了低成本、易于使用的空气污染监测技术，并且在监测方面发展迅速。
更详细地说，迄今为止，必须解决LCS的**性和挑战性问题，例如，关于它们的目的、性能、缺乏既定和标准化的标准和使用程序以及内在质量保证工具等. LCS 通常不满足室内监管等效参考仪器的性能要求。
«——【·室内测量·】——»
迄今为止，室内测量还没有类似的标准，但总的来说，这是LCS可靠性的进步。由于它们呈现的灵敏度、准确性和时间响应，它们用于表征室内环境的细微变化具有挑战性。
然而，这些设备可以测量一系列常见的室内空气污染物，为室内社区提供了一个极好的机会，识别家庭不同部分的可能排放源、实时警告**、个人暴露以及建筑控制以优化能源效率和进行健康风险评估。
尽管它们有缺点，但由于它们的优点，例如：成本较低、便携性、电力消耗较低等，它们的使用受到鼓励。
这证明了一个不断发展的主题。建筑物或一般室内环境监测是大多数审查项目的预期应用，同时还发现了其他特定应用，例如教室、个人监测和哮喘触发评估。
由于低成本、易于安装和低功耗，LCS越来越多地用于**网络中，以提供更高的实时浓度空间测量密度。
因此，LCS现在使当地社区参与IAQ测量成为可能，以提高消费者对减少室内有毒化学品暴露和做出明智的行为选择（例如，吸烟、在烹饪过程中使用或不使用通风柜）以实现有效IAQ的重要性的认识控制。
物联网节点的使用可以改进数据采集和处理过程，并增强数据咨询和通知的应用程序。它还支持创建实时健康和福祉监测**，以规划有效的策略和实时缓解干预措施，以改善智能生活环境中的IAQ管理。
这些目标也可以在公民科学项目中实现，确保专家会就正确使用、数据分析和结果解释。事实上，**的挑战之一是对如此大量数据的质量控制、数据预处理和分析。
当然，数据覆盖面的大幅增加将强调需要熟练的工作人员来处理 LCS，即高速生成的大量不同性质的数据并将其转化为正确有用的信息。
与室外环境相比，将LCS用于IAQ评估目的需要提高重复性和准确性，因为 LCS 的*作范围很广，尤其是在低浓度下。LCS 在室内和室外使用的另一个共同关键要素是处理、处理和分析可从所有这些传感器获得的大量数据，这仍然是一个重大挑战和相关成本。
在硬件集成方面，最近出现了两种平台类型，它们对低成本IAQ**的开发具有很高的适用性，即通用平台和传感器平台，其主要部分是微***。
通用平台是具有多种功能的通用计算平台。传感器平台是基于特定的平台，集成了用于 AQ 应用程序的内置功能和环境 LCS。此外，这些低成本传感器平台的尺寸更小，可提供新功能来评估室内空气污染暴露带来的健康风险。
«——【·无线技术·】——»
无线技术的引入允许使用传感器网络，传感器网络被定义为分布在特定区域的一组设备。传感器网络由节点组成，每个节点包括一个或多个传感器、数据传输模块、微***和电源。
虽然线性模型更常用于校准，但最近，非线性机器学习模型作为一项有前途的进步正在出现，它改善了户外研究中的数据结果，能够更好地考虑环境影响和交叉敏感性。
室内干扰污染物的数量和类型意味着将这些先进方法的应用从室外使用的传感器推断到室内并不简单，应该谨慎对待，并建议需要进一步讨论和研究。一般来说，考虑到室内环境，需要更多的研究，因为只有少数已发表。
目前，LCS的主要局限性在于它们通常在准确性方面比常用的标准技术表现更差。之前的研究已经测试了几个LCS，以调查它们的测量性能。针对这一问题，欧盟空气质量指令指出，不确定性应作为评估空气污染测量方法数据质量目标的主要指标。
然而，报告的验证结果中使用的指标缺乏统一性以及要研究的参数。事实上，重要的是协调用于评估数据质量的指标，包括校准和分析。
在这方面已经并正在开展重大努力和举措，旨在标准化LCS的使用和测试程序，并根据测量的不确定性制定认证方案，这将允许更好地使用LCS和更好的评估他们的表现。
最常见的技术是在实验室条件下进行初步评估，使用LCS与金标准方法配对并评估其性能。通常，LCS性能使用不同的方法或可靠性指标进行评估。
在过去的十年中，在实验室中对气体和颗粒物进行了几次比对，在现场以及室内环境下，其中一些比对是使用传感器**进行的，而另一些则仅使用传感器元件进行。
与受制于综合监管标准和评估和认证流程的参考仪器不同，LCS的标准和认证很少。这导致了市场混乱，因为新买家不了解他们的传感器的性能、如何*作（例如，校准）它们以及它们需要为特定目的执行的性能。研究中心和国家标准化机构开发的一些协议正在出现，以提供质量指标。
不幸的是，实验室中传感器的校准通常不会与室内环境中的全部条件重叠。实验室或模拟室中的测试适用于研究与许多气态物种的交叉敏感性以及对相对湿度和温度的依赖性。
然而，它们无法涵盖室内存在的气体种类的可变性以及不断变化的气溶胶物理和光学特性，所有这些都是LCS测量的已知误差源，因此建议传感器的校准在一个真实的环境。
这描述了按传感器确定的物种分组的不同类型传感器的性能。该选择是根据WHO关于IAQ指南的文件指出的主要污染物，保护公众健康免受与暴露于室内污染物相关的风险，并考虑它们与 IAQ 的相关性。
因此，从毒理学和健康的角度来看，有些很重要，因为它们可以用作占用控制和舒适度的指标，用于来源识别，或者因为它们作为反应性物种的兴趣。
«——【·LCS的研究·】——»
LCS 的一个常见**是缺乏对与室内环境相关的条件的适当评估，以便定义通常预期干扰的性能和影响。
只要有可能，这里就参考了在室内进行的研究，并且由于在这种条件下进行的研究数量有限，不可能参考室外研究的信息。
虽然制造商声称LCS可以在两种环境中使用，从室外到室内的外推必须谨慎。总之，一些 LCS具有更高的潜力，可以在一定的容忍限度内至少对某些室内空气污染物提供高质量的估计。
大多数CO 2传感器都基于NDIR技术，其中一些包括用于输出补偿的内置温度和 RH传感器。
该技术非常准确且具有选择性，因为检测是在窄波段内完成的，避免了其他分子的吸收。但是，传感器必须针对温度和湿度依赖性进行单独校准。
通常，CO2LCS报告的精度为 ±30 ppm或±50 ppm，这对于大多数室内应用来说是可以接受的误差（即，占用水平的评估和房间内的通风率）。最近，随着 COVID-19大流行，这些传感器的使用有了巨大的增长，因为有人提议将CO2水平用作估算通风率的指标，并间接关联空气传播的感染风险。
近红外光谱CO 2传感器的设计和最终性能各不相同。首先要注意的是尺寸和形状因素：标准的圆柱形很常见，而其他设计则提供多种设计，主要基于电子板顶部的光学成型。
一个重要的区别是使用单路径或双路径光学器件：双路径更昂贵，但提供了一个参考通道来校正光学组件中的漂移。
光学设计也很重要：最简单的设计是直线路径，但这会使传感器外壳更大，因此可以使用折叠光学器件、积分球和聚焦**。光源是主要的电源需求，钨丝灯成本低，但工作时通常需要300毫安电流。
如果光源是热光源并且需要超过10mW的功率，则会产生热量，并且整个光学传感器必须热稳定才能达到引用的精度，通常需要15到30分钟。
一旦稳定，光学器件会以毫秒为单位响应，但传感器响应时间取决于CO 2扩散到光学单元中的速率，因此LCS响应时间受扩散**并取决于机械设计。
«——【·笔者认为·】——»
迄今为止，这恰恰是通过不同举措使程序标准化的重要努力的领域主题。同时，不断报告校准和分析算法，报告的验证结果中使用的指标缺乏统一性以及要研究的参数，对器件性能的比较施加了重要的**，因此难以理解该领域的发展。
此外，这些结果主要针对室外环境进行报告。然而，正如这项工作中所讨论的，室内和室外污染物的类型和数量以及环境条件、相对湿度和温度之间存在显着差异，后者在室内变化较小，以及使用LCS的目的，必须考虑的方面。
虽然身体LCS和数据解决方案正在改进，需要在室内站点进行进一步研究，努力将LCS与参考仪器进行比较，以表征性能、干扰、传感器之间的可变性、时间漂移等。
评估和讨论应用程序的适用性和外推以及对从室外到室内获得的性能的评估也是可取的，使用LCS的一个探索领域是整个LCS网络的远程校准和数据处理与个体分析，初步研究发现这是一个有前途的过程。
此外，它们在可穿戴设备中的使用需要易于部署的传感器和传感器网络，进而需要可靠和低功耗的无线通信。其他技术的未来发展应该旨在提高传感器的选择性和长期稳定性，这显然会带来更好的可靠性。
尽管LCS不能替代更先进的技术，并且必须谨慎使用它们，但它们的低成本和特性使它们可以作为特定目的的补充，通常作为定性信息来源。低成本传感器技术在不断发展。
科学界和公民科学对LCS的兴趣预测，这种演变将继续朝着更准确和选择性传感器的方向发展，可能会提高它们的性能和可靠性，从而成为IAQ评估和管理中的常用工具。
«——【·参考文献·】——»
格博尔莱斯，《室内空气质量监测的低成本传感技术综述》，剑桥大学出版社，2005年。
斯库鲁迪斯，《一个用于城市空气质量监测的低成本传感器网络》哈佛大学出版社，2018年。
维亚卡罗塔，《用于室内空气监测的实时传感器和部署到城市建筑的挑战》，总环境科学，2020年。
维拉尼，《一种利用无线传感器网络进行实时监测室内空气质量的低成本物联网平台》，北京大学出版社，2010年。
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