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一文讀懂PM2.5傳感器的工作原理
閱讀：4032 發布時間：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)，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，做為監測應用相對合適，相對其它原理有較多的優勢，且應用商選擇質量較好，并相對穩定，靈敏的探頭，數據可靠性大大增加！目前市面上光散射法應用成熟普遍，是pm2.5監測的較好選擇！
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，使環境空氣中的PM2.5和PM10被截留在已知質量的濾膜上，根據采樣前后濾膜的質量差和采樣體積，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中分母的體積應該是標準狀況下(0℃、101.3kPa)的體積，對實測溫度、壓力下的體積均應換算成標準狀況下的體積。
環境空氣監測中采樣環境及采樣頻率要按照HJ.T194的要求執行。PM10連續自動監測儀的采樣切割裝置一般設計成旋風式，它在規定的流量下，對空氣中10um粒徑的顆粒物具有50%的采集效率、以下為其技術性能指標表。
3、微量振蕩天平法：TEOM微量振蕩天平法是在質量傳感器內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量。當采樣氣流通過濾膜，其中的顆粒物沉積在濾膜上，濾膜的質量變化導致振蕩頻率的變化，通過振蕩頻率變化計算出沉積在濾膜上顆粒物的質量，再根據流量、現場環境溫度和氣壓計算出該時段顆粒物標志的質量濃度。
微量振蕩天平法顆粒物監測儀由PM10采樣頭、PM2.5切割器、濾膜動態測量系統、采樣泵和儀器主機組成。流量為1m3/h環境空氣樣品經過PM10采樣頭和PM2.5切割器后，成為符合技術要求的顆粒物樣品氣體。樣品隨后進入配置有濾膜動態測量系統(FDMS)的微量振蕩天平法監測儀主機，在主機中測量樣品質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振蕩的狀態，它的振蕩頻率會隨著濾膜上收集的顆粒物的質量變化發生變化，儀器通過準確測量頻率的變化得到采集到的顆粒物質量，然后根據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，環境空氣由采樣泵吸入采樣管，經過濾膜后排出，顆粒物沉淀在濾膜上，當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射線法顆粒物監測儀由PM10采樣頭、PM2.5切割器、樣品動態加熱系統、采樣泵和儀器主機組成。流量為1m3/h的環境空氣樣品經過PM10采樣頭和PM2.5切割器后成為符合技術要求的顆粒物樣品氣體。在樣品動態加熱系統中，樣品氣體的相對濕度被調整到35%以下，樣品進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分別設置了Beta射線源和Beta射線檢測器。隨著樣品采集的進行，在濾膜上收集的顆粒物越來越多，顆粒物質量也隨之增加，此時Beta射線檢測器檢測到的Beta射線強度會相應地減弱。由于Beta射線檢測器的輸出信號能直接反應顆粒物的質量變化，儀器通過分析Beta射線檢測器的顆粒物質量數值，結合相同時段內采集的樣品體積，最終得出采樣時段的顆粒物濃度。配置有膜動態測量系統后，儀器能準確測量在這個過程中揮發掉的顆粒物，使最終報告數據得到有效補償，理接近于直實值。
由于2，3，4等原理應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生準確的散射判斷。而可以獲取單位體積內空氣中0.3-2.5微米直徑顆粒物準確濃度。
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.內藏氣流發生器,可以自行吸引外部大氣.灰塵傳感器保養簡單,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是用光學方法測量懸浮于氣相介質或者液相介質中的微小微粒特性的傳感器裝置，具有光測技術非接觸式測量、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生光的散射現象，與此同時，還吸收部分照射光的能量。當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待測場灰塵的相對濃度。光強的大小與經光電轉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的應用:灰塵傳感器被廣泛應用于大氣測量、火災、煙氣測量及工業鍋爐、窯爐、化工廠排煙測量等領域。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:
1、光學原理，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確測量PM2.5的，甚至光線的發射、接收部分一旦被靜電吸附的粉塵覆蓋，就會直接導致測量不精準。
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(因為數值會飄)。更何況這種方法也區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.激光法和粒子計數法：
相關的論文很多，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，而且通過數學模型可以大致推算出經過傳感器氣體的例子直接大小，空氣流量等，經過復雜的數學算法，最終得到比較真實的PM2.5數值，這一類傳感器是激光散射，對靜電吸附的灰塵免疫，當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，如果連續運行的話基本上也就一年多的壽命而已，這還是廠家優化算法之后能夠達到的壽命，但在絕大多數場合已經夠用了，而且如果不連續運行，激光的壽命還能夠更長。
一，結構和原理
紅外原理粉塵傳感器的結構和電路比較簡單。其光源為紅外LED光源，氣流進出風口主要靠電阻發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。
激光傳感器的結構和電路相對復雜。其光源為激光二極管。采樣空氣通過風扇或鼓風機推動，通過復雜設計的風道，進行檢測。當空氣中的細顆粒物進入激光束所在區域時，將使激光發生散射；散射光在空間360°都有輻射，我們在適當位置放置光電探測器，使之只接收散射光，然后經過光電探測器的光電效應產生電流信號，經電路放大及處理后，即可得到細顆粒物濃度值。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內已成熟應用多年，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生器和風機等機構且需要復雜電路結構，并有較高的技術門檻。
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，而且又僅用加熱電阻來推動采樣氣流，采樣數較少，數據計算*交由上位機進行。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，采用風扇或鼓風機采集大量數據，經由專業顆粒計數算法分析；綜上，在采樣數、數據源、算法三方面都比紅外粉塵傳感器更有優勢。
四，應用場合
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，無法準確測量PM2.5的濃度。
而激光原理傳感器主要應用在PM2.5檢測領域，以精度量化PM2.5質量。可嵌入到家用(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網數據采集、環境質量檢測等領域亦有應用。
五，發展趨勢
在激光粉塵傳感器進入民用領域之前，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的發展，加上一些大廠實現了激光粉塵傳感器的批量化生產，激光粉塵傳感器的造價在逐步降低，同時終端客戶對精準測量空氣質量的要求也越來越高。采用激光原理傳感器、精準量化PM2.5質量已是業內*的趨勢。