几种不同的光散射传感器的介绍
早期的光散射传感器采用红外光,这种传感器价格比较低廉,但对1微米以下的颗粒物尤其是浓度较低的时候很难产生准确的散射判断。红外光由于光线强度不够,只能用浊度法测量。所谓浊度法,就是一边是发射光线,另一边接收,空气越浑浊光线损失掉的能量就越大,由此来判定目前的空气浊度。实际上这种方法是不能够准确测量PM2.5的,甚至光线的发射、接收部分一旦被静电吸附的粉尘覆盖,就会直接导致测量不精准。
这种方法做出来的传感器只能定性测量(可以测出相对多少),不能定量测量(因为数值会飘)。更何况这种方法也区分不出颗粒物的粒径来,所以凡是用这种传感器的性能都不是太好。目前这一类的传感器有夏普、神荣、三赢等。但因其价格低廉,在民用领域有一定的市场。
当时这种光散射传感器也叫灰尘传感器,原理是微粒和分子在光的照射下会产生光的散射现象,与此同时,还吸收部分照射光的能量。当一束平行单色光入射到被测颗粒场时,会受到颗粒周围散射和吸收的影响,光强将被衰减。如此一来便可求得入射光通过待测浓度场的相对衰减率。而相对衰减率的大小基本上能线性反应待测场灰尘的相对浓度。光强的大小与经光电转换的电信号强弱成正比,
通过测得电信号就可以求得相对衰减率。
灰尘传感器的应用:
灰尘传感器被广泛应用于大气测量、火灾、烟气测量及工业锅炉、窑炉、化工厂排烟测量等领域。也可以用于各种布袋除尘器的破损检测及各种类型除尘器除尘效率的测量,为这些领域的自动化控制提供可靠的信号。
灰尘传感器的主要参数:
1、光学原理,能够探测1微米以上的粉尘粒子;
2、两种输出模式,解决不同灵敏度使用要求,洁净环境Vout输出高电平信号(4V);
3、5VDC供电;
4、探测粒子范围:最大到8000pcs/283ml(1um以上粒子);
所以对于要求相对较高的场合可以优选激光散射传感器。
激光法和粒子计数法:
相关的论文很多,就是激光散射的方法,并不是直接测量浊度,这一类的传感器共同的特点就是离不开风扇(或者用泵吸),因为这种方法空气如果不流动是测量不到空气中的悬浮颗粒物的,而且通过数学模型可以大致推算出经过传感器气体的例子直接大小,空气流量等,经过复杂的数学算法,最终得到比较真实的PM2.5数值,这一类传感器是激光散射,对静电吸附的灰尘免疫,当然如果用灰尘吧传感器堵死了,自然也不可能测到。
缺点是激光的寿命较短,如果连续运行的话基本上也就一年多的寿命而已,这还是厂家优化算法之后能够达到的寿命,但在绝大多数场合已经够用了,而且如果不连续运行,激光的寿命还能够更长。
结构和原理对比
红外原理粉尘传感器的结构和电路比较简单。其光源为红外LED光源,气流进出风口主要靠电阻发热以获得热气流流动,有颗粒通过即输出高电平。输出信号只有PWM型号。
激光传感器的结构和电路相对复杂。其光源为激光二极管。采样空气通过风扇或鼓风机推动,通过复杂设计的风道,进行检测。当空气中的细颗粒物进入激光束所在区域时,将使激光发生散射;散射光在空间360°都有辐射,我们在适当位置放置光电探测器,使之只接收散射光,然后经过光电探测器的光电效应产生电流信号,经电路放大及处理后,即可得到细颗粒物浓度值。输出信号一般为串口输出。
测量精度
红外原理粉尘传感器只能检测到1um以上的颗粒,测量精度不足。因为红外LED光散射的颗粒信号较弱,只对大于1um的大颗粒有响应,而且又仅用加热电阻来推动采样气流,采样数较少,数据计算完全交由上位机进行。而激光粉尘传感器可以检测到0.3um以上的颗粒。因为自带高性能CPU,采用风扇或鼓风机采集大量数据,经由专业颗粒计数算法分析;综上,在采样数、数据源、算法三方面都比红外粉尘传感器更有优势。
应用场合
由于精度不足,红外原理传感器主要用于工矿扬尘,检测对象为大粒径、高浓度粉尘,检测级别是mg/m3,无法准确测量PM2.5的浓度。
而激光原理传感器主要应用在PM2.5检测领域,以精度量化PM2.5质量。可嵌入到家用(车载、手持)空气检测仪、空气净化器中。此外,激光原理传感器在物联网数据采集、环境质量检测等领域亦有应用。
发展趋势
在激光散射传感器进入民用领域之前,空气净化器中大量采用了红外粉尘传感器。但随着空气净化器行业的发展,加上一些大厂实现了激光粉尘传感器的批量化生产,激光散射传感器的造价在逐步降低,同时终端客户对精准测量空气质量的要求也越来越高。采用激光原理传感器、精准量化PM2.5质量已是业内公认的趋势。
激光散射传感器在环境监测领域的进一步发展
普通的激光散射传感器采用轴流式风机,颗粒物传感器尺寸较小,激光发射单元包含一个凸透镜对激光光束会聚,会聚后的光束为点光束,呈常见的高斯强度分布模式,激光光束分布不均匀,导致同一粒径的颗粒物穿过光束的中心线和中心边缘时输出的检测信号不一致,容易造成传感器对颗粒物粒径误判,不同粒径之间会相互交叉干扰,不能实现多通道颗粒物同时测量(不能同时输出PM1.0、PM2.5及PM10),仅能输出PM1.0或PM2.5或PM10一个参数。应用在空气净化器,新风系统,家用空气检测仪上较多。在环境监测领域也有应用。
线形激光传感器原理图
线形激光传感器结构图
随着技术的进步,环境监测市场的爆发,对光散射传感器的精度要求越来越高。为实现PM1.0、PM2.5、PM10,TSP同时输出,且测量精度更高。更先进的激光散射传感器光路中不再采用传统的聚焦透镜,而是通过采用新型光学透镜对激光光束整形为能量分布均匀的线形光束,克服颗粒物不同粒径的测量干扰问题。可实现不同粒径颗粒物同时测量。同时线性激光束,能量更强,更稳定,测得结果更准确。