Nguyên tắc của cảm biến Particulate Matter (PM) chủ yếu dựa trên tán xạ quang học (tán xạ ánh sáng), mặc dù có các phương pháp khác. Dưới đây là phân tích các nguyên tắc chính:
Nguyên tắc cốt lõi: Tán xạ ánh sáng (Phổ biến nhất):
Nguồn sáng: Một điốt hồng ngoại (IR) hoặc laser phát ra một chùm ánh sáng vào một buồng cảm biến, nơi không khí chứa các hạt được hút vào (thường bằng một quạt nhỏ hoặc bơm).
Tương tác hạt: Khi các hạt trong không khí (bụi, khói, phấn hoa, v.v.) đi qua chùm ánh sáng này, chúng tán xạ ánh sáng theo nhiều hướng khác nhau. Lượng và kiểu tán xạ phụ thuộc vào kích thước, hình dạng, thành phần và nồng độ của hạt.
Máy dò quang: Một máy dò quang nhạy (như điốt quang hoặc phototransistor), được đặt ở một góc cụ thể (thường là 90° hoặc ít phổ biến hơn là tán xạ về phía trước/phía sau), phát hiện ánh sáng tán xạ.
Chuyển đổi tín hiệu: Máy dò quang chuyển đổi cường độ ánh sáng tán xạ thành tín hiệu điện.
Tương quan với nồng độ PM: Cường độ của tín hiệu ánh sáng tán xạ này có tương quan với nồng độ (khối lượng trên thể tích, thường là µg/m³) của các hạt trong không khí. Nồng độ hạt càng cao thì ánh sáng tán xạ càng nhiều và tín hiệu càng mạnh.
Phân biệt kích thước (PM2.5/PM10): Một số cảm biến có thể ước tính phân bố kích thước hạt bằng cách sử dụng:
Mô hình quang học: Các thuật toán phân tích sự khác biệt về kiểu/cường độ tán xạ.
Cửa hút chọn lọc kích thước: Tách biệt vật lý các hạt trên một kích thước nhất định (ví dụ: >10µm đối với PM10) trước khi chúng đi vào buồng quang học.
Hiệu chuẩn: Hiệu chuẩn so với các thiết bị tham chiếu cho các phân đoạn kích thước cụ thể (như PM2.5).
Nguyên tắc thay thế: Suy giảm Beta (Được sử dụng trong các màn hình tham chiếu/quy định):
Nguồn phóng xạ: Một nguồn phóng xạ yếu (như Carbon-14) phát ra các hạt beta (electron).
Băng lọc: Một băng lọc thu thập các hạt trong không khí được hút qua thiết bị.
Đo suy giảm: Các hạt beta đi qua một phần sạch của băng lọc và được phát hiện bởi một cảm biến, thiết lập một đường cơ sở. Sau đó, các hạt beta đi qua phần băng chứa đầy hạt.
Tính toán khối lượng: Khối lượng vật chất dạng hạt trên bộ lọc hấp thụ/tán xạ các hạt beta, làm giảm số lượng đến máy dò. Sự suy giảm (giảm) trong số lượng hạt beta tỷ lệ thuận với khối lượng các hạt được thu thập trên bộ lọc. Kết hợp với thể tích không khí được lấy mẫu, nó cho nồng độ khối lượng PM (ví dụ: µg/m³). Phương pháp này có độ chính xác cao để đo khối lượng nhưng phức tạp và tốn kém hơn.
Các nguyên tắc khác ít phổ biến hơn:
Cân bằng vi mô cộng hưởng (TEOM - Tapered Element Oscillating Microbalance): Các hạt được thu thập trên một đầu lọc rung. Sự thay đổi khối lượng làm thay đổi tần số cộng hưởng của đầu, được đo để xác định nồng độ khối lượng.
Phát hiện tĩnh điện: Đo điện tích mà các hạt thu được khi đi qua một phần tích điện hoặc điện tích tự nhiên có trên các hạt.
Các cân nhắc chính đối với cảm biến quang học (tán xạ) (Loại phổ biến nhất):
Hiệu chuẩn: Yêu cầu hiệu chuẩn so với các thiết bị tham chiếu (như màn hình suy giảm beta) do sự thay đổi về tính chất của hạt ảnh hưởng đến sự tán xạ. Hiệu chuẩn tại nhà máy là phổ biến, nhưng các yếu tố môi trường (độ ẩm, loại hạt) có thể gây ra sự trôi dạt.
Độ nhạy độ ẩm: Hơi nước có thể ngưng tụ trên các hạt hoặc tự tán xạ ánh sáng, dẫn đến ước tính quá mức, đặc biệt là ở độ ẩm cao. Các cảm biến tiên tiến kết hợp các cảm biến độ ẩm và thuật toán bù.
Độ nhạy thành phần hạt: Các loại hạt khác nhau (ví dụ: bồ hóng so với bụi) tán xạ ánh sáng khác nhau. Hiệu chuẩn thường được tối ưu hóa cho các hỗn hợp môi trường điển hình.
Giới hạn phạm vi kích thước: Các hạt rất nhỏ (<~0.3µm) và các hạt rất lớn có thể tán xạ không đủ ánh sáng hoặc bỏ qua buồng phát hiện, giới hạn phạm vi kích thước hiệu quả.
Độ phân giải/Giới hạn phát hiện thấp hơn: Có một nồng độ tối thiểu mà dưới đó cảm biến không thể phân biệt đáng tin cậy tín hiệu với nhiễu điện tử.
Ứng dụng:
Cảm biến PM quang học được sử dụng rộng rãi do chi phí tương đối thấp, kích thước nhỏ và đầu ra theo thời gian thực trong:
Máy lọc không khí tiêu dùng
Màn hình chất lượng không khí trong nhà
Thiết bị theo dõi ô nhiễm có thể đeo
Giám sát quy trình công nghiệp
Hệ thống HVAC thông minh
Mạng lưới cảm biến chất lượng không khí đô thị (mặc dù có các cân nhắc về hiệu chuẩn/kiểm soát chất lượng)
Tóm lại, trong khi các nguyên tắc khác nhau tồn tại, công nghệ chủ đạo trong cảm biến PM tiêu dùng và nhiều cảm biến công nghiệp là tán xạ ánh sáng quang học, trong đó lượng ánh sáng tán xạ bởi các hạt trong không khí đi qua một chùm được đo để ước tính nồng độ khối lượng hạt, thường được hiệu chuẩn cho các phân đoạn kích thước cụ thể như PM2.5 hoặc PM10.
Người liên hệ: Mrs. April
Tel: 86-18100162701
