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一文讀懂PM2.5傳感器的工作原理
閱讀：4040 發(fā)布時間：2021-7-15
四大類傳感器原理介紹：
1,光散射法：光散射原理有LED光(普通光學(xué))，激光等原理，傳感器可以有效的探測出粒徑約0.5um以上顆粒，至此光散射法聽著可靠性相對較低，然而又由于光散射原理探頭相對便宜，探頭易安裝，使用，做為監(jiān)測應(yīng)用相對合適，相對其它原理有較多的優(yōu)勢，且應(yīng)用商選擇質(zhì)量較好，并相對穩(wěn)定，靈敏的探頭，數(shù)據(jù)可靠性大大增加！目前市面上光散射法應(yīng)用成熟普遍，是pm2.5監(jiān)測的較好選擇！
2、重量法：我國目前對大氣顆粒物的測定主要采用重量法。其原理是分別通過一定切割特征的采樣器，以恒速抽取定量體積空氣，使環(huán)境空氣中的PM2.5和PM10被截留在已知質(zhì)量的濾膜上，根據(jù)采樣前后濾膜的質(zhì)量差和采樣體積，計算出PM2.5和PM10的濃度。必須注意的是，計量顆粒物的單位ug/m3中分母的體積應(yīng)該是標(biāo)準(zhǔn)狀況下(0℃、101.3kPa)的體積，對實測溫度、壓力下的體積均應(yīng)換算成標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積。
環(huán)境空氣監(jiān)測中采樣環(huán)境及采樣頻率要按照HJ.T194的要求執(zhí)行。PM10連續(xù)自動監(jiān)測儀的采樣切割裝置一般設(shè)計成旋風(fēng)式，它在規(guī)定的流量下，對空氣中10um粒徑的顆粒物具有50%的采集效率、以下為其技術(shù)性能指標(biāo)表。
3、微量振蕩天平法：TEOM微量振蕩天平法是在質(zhì)量傳感器內(nèi)使用一個振蕩空心錐形管，在其振蕩端安裝可更換的濾膜，振蕩頻率取決于錐形管特征和其質(zhì)量。當(dāng)采樣氣流通過濾膜，其中的顆粒物沉積在濾膜上，濾膜的質(zhì)量變化導(dǎo)致振蕩頻率的變化，通過振蕩頻率變化計算出沉積在濾膜上顆粒物的質(zhì)量，再根據(jù)流量、現(xiàn)場環(huán)境溫度和氣壓計算出該時段顆粒物標(biāo)志的質(zhì)量濃度。
微量振蕩天平法顆粒物監(jiān)測儀由PM10采樣頭、PM2.5切割器、濾膜動態(tài)測量系統(tǒng)、采樣泵和儀器主機組成。流量為1m3/h環(huán)境空氣樣品經(jīng)過PM10采樣頭和PM2.5切割器后，成為符合技術(shù)要求的顆粒物樣品氣體。樣品隨后進(jìn)入配置有濾膜動態(tài)測量系統(tǒng)(FDMS)的微量振蕩天平法監(jiān)測儀主機，在主機中測量樣品質(zhì)量的微量振蕩天平傳感器主要部件是一支一端固定，另一端裝有濾膜的空心錐形管，樣品氣流通過濾膜，顆粒物被收集在濾膜上。在工作時空心錐形管是處于往復(fù)振蕩的狀態(tài)，它的振蕩頻率會隨著濾膜上收集的顆粒物的質(zhì)量變化發(fā)生變化，儀器通過準(zhǔn)確測量頻率的變化得到采集到的顆粒物質(zhì)量，然后根據(jù)收集這些顆粒物時采集的樣品體積計算得出樣品的濃度。
4、Beta射線法/β射線法：Beta射線儀則是利用Beta射線衰減的原理，環(huán)境空氣由采樣泵吸入采樣管，經(jīng)過濾膜后排出，顆粒物沉淀在濾膜上，當(dāng)β射線通過沉積著顆粒物的濾膜時，Beta射線的能量衰減，通過對衰減量的測定便可計算出顆粒物的濃度。
Beta射線法顆粒物監(jiān)測儀由PM10采樣頭、PM2.5切割器、樣品動態(tài)加熱系統(tǒng)、采樣泵和儀器主機組成。流量為1m3/h的環(huán)境空氣樣品經(jīng)過PM10采樣頭和PM2.5切割器后成為符合技術(shù)要求的顆粒物樣品氣體。在樣品動態(tài)加熱系統(tǒng)中，樣品氣體的相對濕度被調(diào)整到35%以下，樣品進(jìn)入儀器主機后顆粒物被收集在可以自動更換的濾膜上。在儀器中濾膜的兩側(cè)分別設(shè)置了Beta射線源和Beta射線檢測器。隨著樣品采集的進(jìn)行，在濾膜上收集的顆粒物越來越多，顆粒物質(zhì)量也隨之增加，此時Beta射線檢測器檢測到的Beta射線強度會相應(yīng)地減弱。由于Beta射線檢測器的輸出信號能直接反應(yīng)顆粒物的質(zhì)量變化，儀器通過分析Beta射線檢測器的顆粒物質(zhì)量數(shù)值，結(jié)合相同時段內(nèi)采集的樣品體積，最終得出采樣時段的顆粒物濃度。配置有膜動態(tài)測量系統(tǒng)后，儀器能準(zhǔn)確測量在這個過程中揮發(fā)掉的顆粒物，使最終報告數(shù)據(jù)得到有效補償，理接近于直實值。
由于2，3，4等原理應(yīng)用比較困難并且價格較高！我們重點看下第一個的原理：光散射原理的PM2.5傳感有兩種——紅外光和激光器。普通的、低價的光散射原理的PM2.5傳感器的原理是采用紅外光，對1微米以下的顆粒物尤其是濃度較低的時候很難產(chǎn)生準(zhǔn)確的散射判斷。而可以獲取單位體積內(nèi)空氣中0.3-2.5微米直徑顆粒物準(zhǔn)確濃度。
灰塵傳感器DSM501A的特性:體積小,重量輕,便于安裝.5V的輸入電路,便于信號處理.內(nèi)藏氣流發(fā)生器,可以自行吸引外部大氣.灰塵傳感器保養(yǎng)簡單,可以長期保持傳感器的特性.灰塵傳感器可以感知煙草產(chǎn)生的煙氣和花粉,房屋粉塵等1微米以上的微小粒子.灰塵傳感器DSM501A是用光學(xué)方法測量懸浮于氣相介質(zhì)或者液相介質(zhì)中的微小微粒特性的傳感器裝置，具有光測技術(shù)非接觸式測量、不擾動被測對象等特點。
灰塵傳感器DSM501A的原理:
微粒和分子在光的照射下會產(chǎn)生光的散射現(xiàn)象，與此同時，還吸收部分照射光的能量。當(dāng)一束平行單色光入射到被測顆粒場時，會受到顆粒周圍散射和吸收的影響，光強將被衰減。如此一來便可求得入射光通過待測濃度場的相對衰減率。
而相對衰減率的大小基本上能線性反應(yīng)待測場灰塵的相對濃度。光強的大小與經(jīng)光電轉(zhuǎn)換的電信號強弱成正比，通過測得電信號就可以求得相對衰減率。
灰塵傳感器DSM501A的應(yīng)用:灰塵傳感器被廣泛應(yīng)用于大氣測量、火災(zāi)、煙氣測量及工業(yè)鍋爐、窯爐、化工廠排煙測量等領(lǐng)域。也可以用于各種布袋除塵器的破損檢測及各種類型除塵器除塵效率的測量，為這些領(lǐng)域的自動化控
制提供可靠的信號。
灰塵傳感器DSM501A的主要參數(shù):
1、光學(xué)原理，能夠探測1微米以上的粉塵粒子；
2、兩種輸出模式，解決不同靈敏度使用要求，潔凈環(huán)境Vout輸出高電平信號(4V)；
3、5VDC供電；
4、探測粒子范圍：最大到8000pcs/283ml(1um以上粒子)；
所以對于要求相對較高的場合可以優(yōu)選激光粉塵傳感器。
1.紅外法和濁度法：
紅外由于光線強度不夠，只能用濁度法測量。所謂濁度法，就是一邊是發(fā)射光線，另一邊接收，空氣越渾濁光線損失掉的能量就越大，由此來判定目前的空氣濁度。實際上這種方法是不能夠準(zhǔn)確測量PM2.5的，甚至光線的發(fā)射、接收部分一旦被靜電吸附的粉塵覆蓋，就會直接導(dǎo)致測量不精準(zhǔn)。
這種方法做出來的傳感器只能定性測量(可以測出相對多少)，不能定量測量(因為數(shù)值會飄)。更何況這種方法也區(qū)分不出顆粒物的粒徑來，所以凡是用這種傳感器的性能都不會好。目前這一類的傳感器有夏普(一代二代都一樣)、神榮的(小米二代凈化器用的就是這款)、三贏等。
2.激光法和粒子計數(shù)法：
相關(guān)的論文很多，就是激光散射的方法，并不是直接測量濁度，這一類的傳感器共同的特點就是離不開風(fēng)扇(或者用泵吸)，因為這種方法空氣如果不流動是測量不到空氣中的懸浮顆粒物的，而且通過數(shù)學(xué)模型可以大致推算出經(jīng)過傳感器氣體的例子直接大小，空氣流量等，經(jīng)過復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法，最終得到比較真實的PM2.5數(shù)值，這一類傳感器是激光散射，對靜電吸附的灰塵免疫，當(dāng)然如果用灰塵吧傳感器堵死了，自然也不可能測到。
缺點是激光的壽命較短，如果連續(xù)運行的話基本上也就一年多的壽命而已，這還是廠家優(yōu)化算法之后能夠達(dá)到的壽命，但在絕大多數(shù)場合已經(jīng)夠用了，而且如果不連續(xù)運行，激光的壽命還能夠更長。
一，結(jié)構(gòu)和原理
紅外原理粉塵傳感器的結(jié)構(gòu)和電路比較簡單。其光源為紅外LED光源，氣流進(jìn)出風(fēng)口主要靠電阻發(fā)熱以獲得熱氣流流動，有顆粒通過即輸出高電平。輸出信號只有PWM型號。
激光傳感器的結(jié)構(gòu)和電路相對復(fù)雜。其光源為激光二極管。采樣空氣通過風(fēng)扇或鼓風(fēng)機推動，通過復(fù)雜設(shè)計的風(fēng)道，進(jìn)行檢測。當(dāng)空氣中的細(xì)顆粒物進(jìn)入激光束所在區(qū)域時，將使激光發(fā)生散射；散射光在空間360°都有輻射，我們在適當(dāng)位置放置光電探測器，使之只接收散射光，然后經(jīng)過光電探測器的光電效應(yīng)產(chǎn)生電流信號，經(jīng)電路放大及處理后，即可得到細(xì)顆粒物濃度值。輸出信號一般為串口輸出。
二，價格與成本
紅外粉塵傳感器在業(yè)內(nèi)已成熟應(yīng)用多年，兩者的成本差距，主要是因為后者的物料成本中增加了激光發(fā)生器和風(fēng)機等機構(gòu)且需要復(fù)雜電路結(jié)構(gòu)，并有較高的技術(shù)門檻。
三，測量精度
紅外原理粉塵傳感器只能檢測到1um以上的顆粒，測量精度不足。因為紅外LED光散射的顆粒信號較弱，只對大于1um的大顆粒有響應(yīng)，而且又僅用加熱電阻來推動采樣氣流，采樣數(shù)較少，數(shù)據(jù)計算*交由上位機進(jìn)行。而激光粉塵傳感器可以檢測到0.3um以上的顆粒。因為自帶高性能CPU，采用風(fēng)扇或鼓風(fēng)機采集大量數(shù)據(jù)，經(jīng)由專業(yè)顆粒計數(shù)算法分析；綜上，在采樣數(shù)、數(shù)據(jù)源、算法三方面都比紅外粉塵傳感器更有優(yōu)勢。
四，應(yīng)用場合
由于精度不足，紅外原理傳感器主要用于工礦揚塵，檢測對象為大粒徑、高濃度粉塵，檢測級別是mg/m3，無法準(zhǔn)確測量PM2.5的濃度。
而激光原理傳感器主要應(yīng)用在PM2.5檢測領(lǐng)域，以精度量化PM2.5質(zhì)量?？汕度氲郊矣?車載、手持)空氣檢測儀、空氣凈化器中。此外，激光原理傳感器在物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、環(huán)境質(zhì)量檢測等領(lǐng)域亦有應(yīng)用。
五，發(fā)展趨勢
在激光粉塵傳感器進(jìn)入民用領(lǐng)域之前，空氣凈化器中大量采用了紅外粉塵傳感器。但隨著空氣凈化器行業(yè)的發(fā)展，加上一些大廠實現(xiàn)了激光粉塵傳感器的批量化生產(chǎn)，激光粉塵傳感器的造價在逐步降低，同時終端客戶對精準(zhǔn)測量空氣質(zhì)量的要求也越來越高。采用激光原理傳感器、精準(zhǔn)量化PM2.5質(zhì)量已是業(yè)內(nèi)*的趨勢。