Summary
在这里，我们提出了一个关于如何构建和测试简单但高效的低成本粒子探测器的协议。
Abstract
由于尺寸为1μm或更小的颗粒对人体构成严重的健康风险，因此颗粒排放的检测和调节非常重要。很大一部分颗粒物排放是由运输部门排放的。大多数市售粒子探测器体积庞大，非常昂贵，并且需要额外的设备。本文提出了一种协议，用于构建和测试小型且经济高效的独立粒子探测器。
本文的重点在于对带有视频的详细施工手册和传感器评估程序的描述。传感器的计算机辅助设计模型包含在补充材料中。该手册解释了从3D打印到完全可操作的传感器的所有构造步骤。该传感器可以检测带电粒子，因此适用于广泛的应用。一个可能的应用领域是发电厂、野火、工业和汽车的烟尘检测。
Introduction
吸入尺寸为1μm或更小的颗粒对人体造成不良健康影响的高风险。随着燃烧过程对环境污染的增加，呼吸系统疾病在人口中正在增长1，2，3。促进健康和抵制污染，首先要确定污染源，量化污染程度。这可以通过现有的粒子探测器来完成。然而，这些对于私人或公民科学目的来说很大，而且往往太贵了。
许多市售的粒子探测器体积庞大，非常昂贵，并且需要额外的设备才能操作4。它们中的大多数还需要几个气溶胶调节步骤。例如，使用光散射作为测量原理的探测器需要稀释，并且测量范围受波长5，6，7的限制。使用激光诱导白炽灯作为检测原理的粒子探测器既需要高能激光源，也需要耗能的冷却系统8。
使用凝聚态粒子计数器的粒子探测器通常用作粒子浓度测量的黄金标准;这些需要预处理、稀释和工作液（例如丁醇）9，10，11。静电传感器的优点在于设计简单紧凑，制造成本低。然而，与凝聚粒子计数器相比，必须在精度方面进行重大扣除。
静电传感器是这些方法的替代方案。静电传感器坚固耐用，重量轻，制造成本低廉，并且可以在没有监督的情况下操作。静电传感器的最简单形式是平行板电容器，其板之间具有高电场。当气溶胶被输送到两个铜电极之间的高压区域时，自然带电的颗粒沉积在不同极性的电极上12 （图1）。
枝晶沿电极之间施加的高压的场线方向在电极表面形成，并通过接触充电 充电 。这些树突的碎片最终会脱离电极并以相反的极性重新沉积在电极上，从而转移电荷。这些碎片携带大量电荷。由于电极接地，沉积的电荷会产生电流，导致台式万用表内阻处出现压降。每单位时间内发生这种情况的频率越高，电流就越高，因此压降就越高（图 2）。
由于碎片的电荷沉积引起的高电压，不需要进一步的放大器电子设备。枝晶断裂颗粒的形成和随后这些颗粒的电荷释放代表了自然的信号放大12。由此产生的传感器信号与颗粒质量浓度成正比。该信号可以用现成的台式万用表检测。
图 1：传感器原理图。 气溶胶流入气溶胶入口，通过左流道传播，然后到达高压电极（内电极）和测量电极（外电极）之间的间隙。在那里，颗粒有助于枝晶生长，如前所述，导致断裂，从而产生传感器响应。之后，颗粒进一步流过正确的流道，并将传感器留在气溶胶出口处。 请点击此处查看此图的大图。
图 2：物理原理。 带正电和带负电的粒子以及中性粒子进入极性相反的电极之间的间隙。它们被电场线转移到极性相反的电极上，并在那里沉积电荷。然后，它们成为枝晶的一部分并接管相应电极的电荷。场密度在枝晶尖端最高，那里捕获了更多的颗粒。当拖曳力超过结合力时，枝晶的片段会断裂，进而撞击相反的电极并沉积电荷。 请点击此处查看此图的大图。
使用圆柱形设计，如Warey et al.10，烟尘桥形成的可能性可以最小化。有关传感器几何形状、施加电压、气体流速和颗粒物浓度的更多信息，请参见此处。它们表明传感器信号与流经传感器的颗粒物的相关性（公式 1）。
传感器 （V） = 5.7 × 10-5 C V 0 e0.62V × 
（1）
C为颗粒物的质量浓度，V0 为外加电压，V为排气速度，L为电极长度，S为电极间隙13。
Bilby等人专注于静电传感器9的潜在物理效应的详细研究。这些研究包括光学可访问的设置和动力学模型，以解释基于树突的传感器的信号放大（见公式 2 和 3）。
（二）
（三）
S代表一堆10-100个烟尘团聚物的烟尘盘，尺寸为50-100nm;D n 代表具有n 个圆盘的枝晶;Br表示由f盘组成的断裂片段;S 和 ki 是速率常数12。
本文提出了一个协议，介绍如何构建和测试一种简单但高效的低成本粒子探测器，该检测器无需其他设备即可用于高颗粒浓度。以前关于这种类型的静电传感器的工作主要集中在排气测量上。在这项工作中，实验室产生的烟尘颗粒被用作测试气溶胶。所描述的传感器基于“Warey 等人和 Bilby 等人的先前工作12，13。
传感器主体由基于立体光刻的3D打印主体、从铜管切割的同轴电极、真空垫圈和真空夹组成。一个传感器的真空垫圈、电缆、铜管和 3D 树脂等材料成本不到 40 欧元。所需的附加设备是高压源、USB 台式万用表和焊接台。为了评估传感器，还需要一次定义的气溶胶源和参考仪器（见 材料表）。此协议中描述的传感器尺寸为 10 cm x 7 cm。该尺寸是专门为实验选择的，仍然可以显着减小（请参阅讨论中的修改/传感器尺寸）。
该协议描述了如何构建、测试和使用简单的低成本粒子传感器。该协议的示意图如图 3所示 - 从传感器外壳的3D打印和电极制造，传感器的组装以及传感器的现场应用的测试和示例开始。
图 3：方法示意图。 该协议分为四个主要步骤。首先，打印传感器外壳的所有部件。然后，制造电极。在第三步中，组装带有电极和真空垫圈的3D打印传感器外壳。在最后一步中，评估传感器性能。 请点击此处查看此图的大图。
3D打印过程中最重要的步骤如图 4所示。首先，为打印选择正确的切片器设置。之后，讨论了打印的最重要部分和3D打印模型的预处理。对于此步骤，需要具有异丙醇浴和UV硬化装置以及直磨机的树脂3D打印机。
图 4：3D 打印示意图。 （A） 描绘切片器 3D 模型;（二）打印机在打印过程中。后处理步骤：（C）冲洗和（D）紫外线硬化。请点击此处查看此图的大图。
图5 显示了电极制造的最重要步骤：电极的形状以及触点与电极的焊接。对于此步骤，需要两个不同直径的铜管，一个卡尺，一个切管机，一个直磨机，一个台虎钳，一个焊台和焊锡，两种不同颜色的隔离电缆，热防护手套和电线切割器。
图 5：电极制造 。 （A） 电极的测量、（B） 切割、（C） 去毛刺和 （D） 焊接。 请点击此处查看此图的大图。
协议中的组装部分解释了传感器的组装方式。最重要的传感器部件如图 6所示，即外部电极支架、流道和内部电极支架。 图 7 显示了传感器组件中最重要的步骤。对于此步骤，需要环氧胶、防护服、真空密封、真空夹、安全护目镜和手套。
图 6：传感器部件 。 （A） 外部电极支架，（B） 流道，（C） 内部电极支架。 请点击此处查看此图的大图。
图 7：传感器组件。图中显示了传感器组件的所有步骤。A-E 显示了传感器一半组件的组装。（A）内部电极支架粘在流道上。（B）将内电极放在内电极支架上。（C）将外电极放入外电极支架中。（D）将外电极支架粘在流道+内电极支架组件上。（E） 真空密封卡入一个传感器一半的外电极，然后卡入 （C），另一个传感器的相同第二个外电极。请点击此处查看此图的大图。
测试部分解释了如何设置实验以将新建的传感器与参考仪器进行比较。对于此步骤，需要台式万用表、真空泵、高压电源、气溶胶发生器、稀释桥、气溶胶管、Y 接头、一个质量流量控制器 （MFC）、一个气溶胶混合器、一个参考仪器和一个棉签。
Protocol
1.3D印刷
- 切片器设置
- 使用切片器软件打开所有“.stl”文件，并将传感器部件放在平台上（请参阅补充文件 1、补充文件 2、补充文件 3、补充 文件 4、补充文件 5 和补充文件 6）。
- 为了获得良好的打印效果，请相对于平台倾斜所有部件。
- 生成密度为 0.8、点大小为 0.4 mm 的支撑点。
- 选择层厚为 50 μm 的透明 V4。
- 开始打印。
- 在 3D 打印机上上传切片器输出文件。
- 查找屏幕上显示的打印时间和树脂体积。插入透明的 V4 树脂槽和树脂盒，安装安装平台，然后打开墨盒盖。按打印机上的 开始 。
- 即时后处理
- 打印完成后，打开打印机并拆下安装平台。
注：仅当确定型号将保持在打印机的紫外线防护屏幕下方时，才能延迟此步骤（请参阅讨论中的关键步骤/打印后处理）。 - 轻轻地从平台上剥离所有部件，并将它们放入异丙醇浴中。
- 不断移动零件20分钟。
- 每 5 分钟取出一次零件，彻底冲洗所有小间隙和孔。
- 打印完成后，打开打印机并拆下安装平台。
- 紫外线硬化
- 在开始硬化过程之前干燥零件。
- 用加压空气冲洗所有小间隙和孔。
- 将零件放入UV硬化装置中，并在40°C下硬化50分钟。
注意：此设置与制造商建议的干燥时间和温度不同（请参阅讨论中的关键步骤/打印后处理）。
- 后处理
- 检查所有空腔和孔是否打开。
- 如果路径堵塞，请用直磨机钻孔或刮擦。
- 检查所有打印部件是否正确安装，以及铜管是否可以插入。如果他们不能，那就把它们打磨下来。
2. 电极制造
- 从 18 mm 和 22 mm 铜管顶部测量 9 mm 并标记这些位置。
- 用切管机在标记处切割管道。
注意：确保在此过程中不要使用太大的力。切割管道需要几个轮次（请参阅讨论部分中的关键步骤/电极制造）。 - 小心地去毛刺铜环。去毛刺时不要对铜环施加太大的压力，尽量不要划伤电极表面。
注意：这是一个非常关键的部分，会影响传感器的性能（请参阅讨论部分中的关键步骤/电极制造和修改/电极）。 - 电极焊接
- 将红色电缆焊接到内铜环 （18 mm），将黑色电缆焊接到外铜环 （22 mm）。
- 抛光铜环以去除表面上氧化的铜层。
- 将环夹在虎钳中。
- 对铜环和电缆进行预镀锡，然后将电缆焊接到环上。
注意：由于焊接，铜电极加热到400°C。 仅用镊子触摸电极并戴上热防护手套。
3. 组装
- 在托盘中混合环氧胶的两种成分。
注意：使用透明胶水来区分烟灰桥和硬化胶非常重要。
注意：在通风橱下工作，穿防护服（尤其是手套），清洁工作表面。更多安全说明可在安全数据表中找到。健康危害：“皮肤腐蚀1C - H314眼坝。1 - H318 皮肤感应 1 - H317”。 - 将内部电极支架粘入流道并等待60分钟以使胶水变硬（图7A）。
- 将内部电极环 （18 mm） 放在支架上，然后引导电缆通过电缆通道（图 7B）。
注：确保有足够的空间放置焊接点。 - 将垫片放在内部电极周围。
注意：这是一个非常关键的步骤。如果电极之间的距离在整个传感器的各个位置都不正好是1 mm，则电场以及随后的传感器性能都会受到影响（请参阅讨论中的关键步骤/电极制造）。 - 将外电极环 （22 mm） 放在支架上，然后通过电缆通道馈送电缆（图 7C）。
- 将外部电极支架粘在流道上。将垫片插入两个铜电极之间的间隙中。等待60分钟以使胶水变硬（图7D）。
- 用环氧胶密封所有电缆通道。等待一夜，让胶水固化。
- 将真空密封插入外电极的印刷阀中。将两个传感器侧相互插入并用真空夹固定（图 7E，F）。
4. 测试
- 打开传感器的真空夹。
- 将传感器的两半拉开并取下密封件。
- 从那里，用一个万用表探头尖端触摸电极环，用另一个万用表尖端触摸通向电极的电缆末端。
- 预测试
- 测试电极和电缆与万用表的电气连接。检查电阻是否<2 Ω（取决于氧化水平）。
- 将软管插入气溶胶入口和出口，并测试传感器是否与真空泵密闭。
- 平行实验
- 根据 图 8 构建传感器设置。
- 将高压电源连接到红色传感器电缆（高压电极）。
- 将黑色传感器电缆连接到台式万用表电压输入。
- 将静电计接地 （GND） 与电源 GND 连接。
- 将万用表 USB 电缆连接到 PC。
- 将传感器整合到气溶胶测量设置中。根据 图9。
- 气溶胶发生器
- 气体供应：打开护套流、氮气和丙烷供应（所需压力：氮气，4 bar;其他气体，每种 1 bar）。
- 电源：插入内置 MFC 的 24 V 源电缆，并将 USB 连接到电脑。
- 软件：打开 MFC 软件并插入正确的 COM 端口号。搜索设备：如果显示五个设备（对于五个不同的 MFC），请单击“ 停止搜索”。根据气溶胶发生器的用户手册输入启动条件： 10 mL/min 丙烷、1.55 L/min 氧化空气、7 L/min 淬火气体、20 L/min 稀释空气。
- 通过打开-关闭旋钮启动气溶胶发生器（请参阅材料表）。当旋钮打开时，氮气指示器亮起，表示所有流路都打开。握住火焰安全装置，按下气溶胶发生器上的点火按钮;观察燃烧室窗口中的火焰。~60 秒后非常缓慢地释放火焰安全装置。
- 输入以下质量流量： 60 mL/min 丙烷、1.55 L/min 氧化空气、7 L/min 氮气（淬火） 和 20 L/min 稀释空气 ，以设置正确的粒径分布参数。
注意：仅当在接下来的几分钟内进行测量时，才将发生器连接到设置的其余部分;否则，稀释桥的过滤器会迅速堵塞。
- 将稀释桥连接到气溶胶发生器。再次断开它并将气溶胶流转移到通风橱，直到实验开始。在开始实验之前，请确保稀释桥已关闭。
- 将稀释桥出口连接到气溶胶混合器入口。
- 将气溶胶混合器出口2（见 图9E）连接到传感器入口。
- 合并 MFC。
- 将高效微粒吸收 （HEPA） 过滤器连接到传感器出口，并将传感器出口连接到 MFC 入口。
- 连接 MFC 的电源并将 USB 连接到电脑。
- 打开 MFC 软件并输入正确的 COM 端口号。
- 搜索设备。
- 单击 停止搜索？。
- 输入 质量流量 为 1 L/min。
- 参考仪器（见 材料表）
- 将LAN电缆连接到PC，并在浏览器中打开与参考仪器IP地址的连接，以打开Java应用程序来控制参考仪器。
- 在参考仪器控制软件中，按下 锁定资源|待机 以启动泵。
注意：加热过程需要~20分钟。 - 预热阶段后，单击测量以 测量 进入参考仪器的气溶胶。
- 在参比仪器上选择1：10的稀释比例。
- 使用 y 接头将气溶胶混合器出口 1（见 图 9D）和稀释气流连接到 y 接头的分叉端（见 图 9C），并将 y 接头的单端连接到参考仪器入口。
注意： 然后将这两个流合并在 y 拟合的单端。
- 实验开始
- 再次将气溶胶发生器连接到稀释桥，并确保稀释桥已关闭。
- 单击参考仪器上的 测量 。
- 慢慢打开稀释桥，直到达到所需的气溶胶质量浓度 3-5 mg/m3 ，并开始在参考仪器上记录数据。
- 观察参比仪器颗粒质量浓度。当气溶胶源稳定时，打开 1，000 V 的传感器电源并开始记录数据。
注：如果浓度不稳定，请参阅讨论部分中的故障排除。
- 使用控制台上的 读取 命令或自动脚本从台式万用表收集数据。
注意：传感器电流稳定（约5分钟）后，可以将参考仪器与传感器电流进行比较。
注意：如果传感器电流迅速增加到 10-7 A 以上（相当于 0.1 V，内阻为 1 MΩ），请关闭高压电源（请参阅讨论部分中的故障排除）。 - 平行测量：传感器达到平衡后，通过相应地调整稀释桥，以5 mg/m3至0.2 mg/m3的步长测量浓度梯度。
注意：当使用较高浓度时，必须增加参比仪器的稀释比例。
- 根据 图 8 构建传感器设置。
- 在每次新测量之前，用加压空气和棉签清洁传感器。
5. 现场应用
- 根据 图 8 构建传感器设置。
- 将高压电源连接到红色传感器电缆（高压电极）。
- 将黑色传感器电缆连接到台式万用表电压输入。
- 将静电计接地与电源接地连接。
- 将万用表 USB 电缆连接到 PC。
- 根据 图10，将传感器设置整合到新的测量设置中，并将气溶胶源与传感器连接。
- 将来自气溶胶源的流出颗粒流分成路径 A） 传感器设置和路径 B） 通风。
- MFC 或泵：使用 MFC 使样品通过传感器。
- 在 MFC 上游使用 HEPA 过滤器。连接 MFC 的电源并将 USB 连接到电脑。
- 按照步骤4.5.8进行并行测量。
- 现场实验开始：确保气溶胶源连接到传感器输入。
- 打开传感器电源并开始记录数据。
图 8：传感器设置。 传感器设置图。气溶胶流过传感器。传感器连接到电压表和高压电源。电压表由记录传感器数据的控制单元控制。 请点击此处查看此图的大图。
图 9：传感器评估的实验计划。 稳定的气溶胶源用于模拟粒子源。流出的粒子流被分成路径（A），传感器设置;路径（B）通风进入稀释桥，并进一步分配到气溶胶混合器。在混合器之后，气溶胶流在参考仪器路径（D）之间分配，该路径平行于传感器进行测量。该参比仪器需要稀释空气，该空气通过路径（C）分布。路径 （E）：MFC 通过传感器吸入空气。该MFC通过HEPA过滤器保护免受气溶胶流的影响。缩写：MFC = 质量流量控制器;HEPA过滤器=高效颗粒吸收过滤器。 请点击此处查看此图的大图。
图10：现场测试：实验方案。在此设置中，测量气溶胶源。流出的颗粒流被分成路径A）传感器设置和路径B）通风，然后进入传感器。在此设置中，上游带有HEPA过滤器的MFC通过传感器吸入气溶胶。缩写：MFC = 质量流量控制器;HEPA过滤器=高效颗粒吸收过滤器。请点击此处查看此图的大图。
Representative Results
传感器信号与颗粒质量的确切相关性因颗粒电荷分布和尺寸分布以及气溶胶成分而异。因此，必须使用参考仪器对传感器进行校准以适应特定应用。本节介绍如何将新建的传感器与参考仪器进行比较。
传感器的起始阶段大约需要5-10分钟，具体取决于所选的颗粒浓度。在起始阶段，当传感器暴露于恒定的颗粒浓度时，传感器信号显着增加。启动阶段后，传感器信号稳定。在该阶段，达到枝晶积累和破碎的平衡状态，然后传感器信号与进入的烟灰浓度成正比。在此初始化阶段之后，传感器已准备好测量气溶胶浓度的任何变化。
图11所示的测量数据从传感器处于上述平衡状态的那一刻开始。要计算以安培为单位的传感器电流，必须将收集的数据（以伏特为单位）除以内阻值才能获得正确的电流值。
纵轴以安培为单位显示传感器信号，横轴以 mg/m3 为单位显示参考仪器测量的气溶胶浓度。图中还给出了与其代表性参数的线性拟合。测量数据的高不确定性是由于使用稀释桥调整浓度时的高动态性。线性拟合参数为R 2值为0.80，截距为-0.53 nA，斜率为2.80 nAm3/mg，标准差为1.4 nA。
图 11：积极结果。 传感器信号以安培为单位绘制在垂直轴上，而参考仪器测量的颗粒浓度以 mg/m3 为单位绘制在水平轴上。此外，具有最重要参数的线性拟合被添加到图中。线性拟合参数为 R 2 值 0.80、截距为 -0.53 nA、斜率为2.80 nAm3/mg。 请点击此处查看此图的大图。
颗粒也有可能堵塞电极之间的路径，在这种情况下，电极之间会形成导电烟灰桥。由于烟灰是一种导电材料，因此这些烟尘桥在电极之间形成短路。测量信号随着导电路径厚度的增加而迅速上升，直到电压变得如此之高，以至于电压表可能损坏。形成烟尘桥的实验示例如图 12 所示。信号以非常陡峭的跳跃/步骤上升，并且不会停止或变平。树突也不再形成，传感器不再处于平衡状态。在这种情况下，必须立即关闭高压电源，清洁传感器，并开始新的测量。
图 12：阴性结果。 测量过程中发生短路。传感器信号（以安培为单位）绘制在垂直轴上，测量时间绘制在水平轴上。传感器信号继续无限制地增加。 请点击此处查看此图的大图。
如果显示一条平线，并且传感器电流根本没有上升到1 nA以上的值，请按照讨论部分中的故障排除说明进行操作。传感器必须始终处于平衡状态，以准确测量进入的气溶胶;因此，在实验开始时必须提供足够高的初始气溶胶浓度。
补充文件1：此文件代表计算机辅助设计（CAD）文件，用于打印出图7A中描述的带有电缆孔的流道。请点击此处下载此文件。
补充文件2：该文件表示CAD文件，用于打印出图7A中描述的无孔流道。请点击此处下载此文件。
补充文件3：该文件表示CAD文件，用于打印出图7A中所示的内部电极支架。请点击此处下载此文件。
补充文件 4：此文件表示用于打印出图 7C（右）所示的外部电极支架的 CAD 文件。请点击此处下载此文件。
补充文件 5：此文件表示 CAD 文件，用于打印出没有孔的流道，如图 7C（左）所示。请点击此处下载此文件。
补充文件6：此文件代表用于打印电极垫片的CAD文件。请点击此处下载此文件。
Discussion
关键步骤
打印后处理
该协议中的几乎任何步骤都可以暂停或推迟，除了新打印的3D部件的后处理（协议步骤1.5）。如果打开打印机的紫外线防护屏，应立即开始后处理，否则小电缆通道以及密封腔会堵塞。腔体的精确配合确保传感器可以密封。这一点很重要，因为传感器对流量波动非常敏感。强化过程也很重要（协议步骤1.4）;如果温度设置得太高，材料会变得太脆，并且在夹子施加在外部电极支架上的力下会断裂。
电极制造
电极的仔细切割和去毛刺（协议步骤2.2-2.3）非常重要，因为电极间隙的不规则会导致电场和速度场的扰动，从而导致传感器性能不佳。在最坏的情况下，强烈的不规则性会导致电极靠得太近，以至于超过击穿电压，并发生短路。从这一点开始，不能对测量信号做出任何声明，并且测量电子设备容易损坏。
集会
传感器的组装（协议步骤3.4-3.6）至关重要，因为这会产生电极间隙。如上所述，电极之间的距离非常重要;该间隙必须在整个长度上均匀 1 mm。这些步骤很重要，因为它们可以极大地改变传感器中的电场。整体沉积行为以及枝晶的形成会受到电场变化的影响。因此，不能再保证传感器响应与进入的气溶胶成线性关系。短路的最坏情况也适用于这里。
修改
3D打印
其他可能的修改是使用不同的3D打印树脂。市场上有许多不同的树脂可以改变传感器外壳的密度、柔韧性、耐温性和强度。
传感器尺寸
传感器的第一个设计标准是安全配置。电极之间空气的介电强度为3 mm/kV。在任何情况下，这个长度都不能被低估。电势越高，沉积的颗粒越多，这些沉积的颗粒容易形成树突。电极的尺寸经过选择，以便可以使用易于使用的标准组件。作者已知的类似传感器的设计对扁平传感器使用以下尺寸：9 mm宽，2 mm长，1 mm间隙和15 mm长，直径为8.5 mm，圆柱形设计的间隙为1.3 mm12，13。此外，应确保传感器可以在普通车间手工制造。1 mm的间隙是允许手动清洁传感器的绝对最小间隙。在这里，1 kV被用作安全性和高效颗粒沉积以及该范围内电压源可用性的良好折衷方案。
电极
由于传感器电极之间 1 mm 的确切距离对性能至关重要，因此可以在此步骤中进行更多的开发工作。例如，如果设备可用，3D打印夹具可以做得更精确，或者可以使用车床代替简单的切管机进行切割和去毛刺。另一种选择是使用锯而不是切管机。在这种情况下，锯的边缘必须在之后进行研磨。这种方法比切管机引起的变形更小，但需要更长的时间。与环氧胶相比，硅胶为电缆提供了更多的移动空间，并且更容易重新间隔电极。但是，由于电缆有更多的移动空间，因此更难密封传感器。除了更容易一次打开的真空夹外，自制设计也是可行的。在这里，在 3D 设计中，只有某些螺钉的孔和密封绳的空腔必须改变。
微晶
MFC 确定有多少气溶胶通过传感器吸入;其余的应该能够通过溢流排出，在溢流的末端放置一个HEPA过滤器，以避免污染房间。通过选择较便宜的泵而不是MFC，较高的流量波动将对传感器信号产生负面影响。
稀释桥
如图 9所示，可以使用与一个或多个HEPA过滤器平行的简单针阀构建稀释桥。其他设计包括一个小虎钳来挤压管子而不是针阀。这种设计的优点是管子更容易清洁。这种虎钳的线圈越多，可以调节的浓度就越细。这对于应避免高动态的校准测量尤其重要。
台式万用表
台式万用表测量电压，必须除以内阻值才能获得正确的电流值。根据所选的测量范围（例如，100 V），该内阻值可能会有所不同（例如，1 MΩ）。选择一个定义的范围非常重要，这样所有测量值的内阻值都相同。如果选择“自动量程”，则还必须跟踪内阻值。
故障 排除
3D打印机
如果打印机停止，应检查树脂槽是否有上次打印的残留物;混音器经常卡住。应该观察打印过程的最初几分钟。如果被堵塞，可能是因为未设置正确的切片器设置，或者在后处理之前未在紫外线防护条件下存储新打印件。在切片机设置中，任何支撑点都不应阻碍流道和电极之间的空间，并且在将文件发送到打印机之前，必须取消单击内部支撑结构框。
气溶胶源+稀释桥
如果气溶胶源看起来不稳定，应检查所有HEPA过滤器，以确保它们处于正确的位置并且没有堵塞。此外，应检查气溶胶发生器和参考仪器，以确保它们已完成预热阶段。
传感器
最常见的故障是由电源连接不足、传感器漏气或沉积颗粒在电极之间形成烟灰桥引起的。首先，打开传感器以检查电极之间是否形成了烟灰桥。在断开传感器电缆并打开传感器之前，必须关闭电源。烟灰桥很容易肉眼看到，并且可以毫不费力地去除。要去除烟灰桥，最好使用光学清洁布或不起毛的棉签。
改变传感器流动行为的泄漏以及电极处的较低电压可能会改变传感器信号。不可能事先说出这些问题中的哪一个是导致意外传感器响应的原因。因此，重要的是要检查密封性和电压稳定性，如下所示。首先，检查从电缆到电极的连接（协议步骤4.4）。接下来，检查电压源以查看它是否提供预期的伏特。漏气最好用泄漏喷雾来识别。除此之外，还可以使用真空泵检查密封性，如协议步骤4.4.2中所述。
局限性
Maricq等人很好地描述了静电传感器的局限性14。在他们的工作中，他们强调稳定的电压源和稳定的传感器流量对传感器性能的重要性。因此，应始终使用带有MFC或泵的设置进行流量控制，如图 10所示。此外，传感器在第一次测试期间需要更长的时间才能达到平衡。在进一步的实验中，稳定的枝晶群已经沉淀在电极上，启动传感器的时间减少了。但是，通常应该注意的是，根据初始浓度，传感器始终需要启动时间才能运行。
与Bilby等人的扁平设计不同，传感器漂移不是这种圆柱形布置的主要问题12。然而，传感器仍然难以检测到低颗粒浓度下的快速浓度变化。如Diller等人和Maricq等人所指出的，对于有意义的测量信号，测量值在2-10分钟内取平均值，具体取决于实验中的流量变化程度14，15。
斜率为2.8 nAm3/mg，标准差为±1.4 nA，与图11中的回归线的偏差很高。为了更好地了解传感器的精度，建议比较几个实验。对于重复实验，斜率为3.5 nAm 3 / mg，标准偏差为±1.0 nA，标准偏差为4.9 nAm3 / mg，标准偏差为±0.6 nA。此外，传感器将在电压源打开的那一刻给出非常高的读数。此起始值从测量数据中过滤掉。
这里介绍的方法的优势显然在于简单，但也在于使传感器形状适应不同需求的多功能可能性。因此，除了烟尘之外，该传感器还可以检测各种带电粒子，适用于广泛的应用，例如发电厂、野火、工业和汽车的颗粒物检测。这篇论文应该激励机构、公司、研究团队、公民科学家和任何对颗粒物检测感兴趣的人重现这本简单的传感器构造手册并构建自己的粒子探测器。
Disclosures
作者受雇于奥地利硅实验室，是格拉茨技术大学的学生。没有其他利益冲突需要声明。
Acknowledgments
这项工作由COMET中心“ASSIC-奥地利智能系统集成研究中心”资助。ASSIC由BMK，BMDW以及奥地利克恩顿州和施蒂里亚州在奥地利研究促进局（FFG）的COMET卓越技术能力中心计划内共同资助。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Equipment | |||
| 3D printer | Formlabs | Formlabs 3 | |
| Aerosol Mixer | ESSKA | 304200812095 | 95 mm, diameter 8 mm |
| Aerosol soot generator | Jing Aerosol | Model 5201 Type C miniCAST | |
| Benchmultimeter | Keysight | KEYSIGHT 34465A, 0 - 100 V range, 1 MΩ internal resistance | |
| Dilution Bridge | Custom built | Needel valve and HEPA filter in parallel | |
| High voltage power supply | Stanford Research Systems | PS350, 5000 V - 25 W | |
| Mas flow controller | Vögtlin | GSC-C3SA-BB26 | Red-y for gas flow, flow range: 0-10 L/min |
| Refence Instument | AVL | MSSplus - AVL Micro Soot Sensor | |
| Material | |||
| Aerosol tygon tubes | Saint Gobain Fluid Transfer | AAG00012 | Diameter 7 mm |
| Bidirectional flow control valves series RFO | CAMOZZI | RFO 383-1/8 | P max 10 bar |
| Connector reduced with barbed fitting | ESSKA | IQSG120H6000 | |
| Copper tube 12 mm | Obi | 1996602 | Diameter 12 mm |
| Copper tube 18 mm | Obi | 1499441 | Diameter 18 mm |
| Copper tube 22 mm | Obi | 1996628 | Diameter 22 mm |
| Cotton swab | Chemtronics | 48042F | 50 m, 1 mm tip |
| Epoxy glue | RS components | 132605 | RS quick set epoxy |
| Hepa Nylon Einweg-Inline-Filter | Parker | 9933-05-BQ | Flüssigkeit 5.4SCFM 1/4Zoll, mit G1/4 Anschluss 8,1 bar |
| Isolated electrical cable | Nexans | Diameter 2 mm, two different colors red and black | |
| Photopolymer Resin | Formlabs | 851976006196 | 1 L Cartridge - Transparent (Clear) |
| Soldering tin | Stannol | 574108 | |
| Tefen polymer Y - fitting | TEFEN | TEF-8357-06-00 | |
| Thermal protection gloves | As One | ||
| Vacuum clamp | MISUMI | FRNWC40 | Clamp |
| Vacuum seal | MISUMI | FRNWR40 | Centering ring with O-ring seal |
| Tool | |||
| Caliper | Starrett | DW990 | |
| Deburrer | Ruko | ||
| Gloves | BM Polyoo | ||
| Isopropanol bath | Formlabs | FK-F3-01 | Form 3 finish kit |
| PCB vice | RS components | 221-7531 | |
| Pipe cutter | Rigid | 35S | |
| Safety goggles | 3M | ||
| Sand paper | Mirka | Different sandpaper thicknesses 40 - 200 | |
| Soldering station | Ersa | Ersa i-CON 2, 400 °C, 2.2 mm soldering rod | |
| Straight grainder | Dremel | F013400046 | Dremel 4000 |
| UV Hardening device | Formlabs | FH-CU-01 | Form cure |
| Vacuum pump | Mityvac | MV8000 | Automotive Tune-up and Brake Bleeding Kit |
| Vise | Proxxon | NO 28 132 | MS4, Jaw height 10 mm, Max. Clamping width 34 mm |
| Wire cutter | KNIPEX | 7712115 | |
| Software | |||
| MFC software | Vögtlin | Get red-y | |
| Reference Instument Software | AVL | Supplied with the device: MSSplus | |
| Slicer software | Formlabs | Preform Download Link: https://formlabs.com/de/software/ |
References
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- Giechaskiel, B., et al. Review of motor vehicle particulate emissions sampling and measurement: From smoke and filter mass to particle number. Journal of Aerosol Science. 67, 48-86 (2014).
- Giechaskiel, B., et al. Measurement of automotive nonvolatile particle number emissions within the European legislative framework: a review. Aerosol Science and Technology. 46 (7), 719-749 (2012).
- Bainschab, M., et al. Measuring sub-23 nanometer real driving particle number emissions using the portable DownToTen sampling system. Journal of Visualized Experiments. (159), e61287 (2020).
- Wang, X., et al. A novel optical instrument for estimating size segregated aerosol mass concentration in real time. Aerosol Science and Technology. 43 (9), 939-950 (2009).
- Axmann, H., Bergmann, A., Eichberger, B. Measurement of ultrafine exhaust particles using light scattering. 2013 Seventh International Conference on Sensing Technology (ICST). IEEE. , 937-941 (2013).
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