Name: additive manufacturing-enabled low-cost particle detector
Uploaded: 2023-03-24T12:50:00
Duration: 6 min 5 s
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이 연구는 COMET 센터 "ASSIC-Austrian Smart Systems Integration Research Center"의 지원을 받았습니다. ASSIC은 오스트리아 연구 진흥청 (FFG)의 COMET-Competence Centres for Excellent Technologies 프로그램 내에서 BMK, BMDW 및 오스트리아의 Carinthia 및 Styria 지방이 공동 자금을 지원합니다.

1.3D 인쇄
<ol><li>슬라이서 설정<ol><li>슬라이서 소프트웨어를 사용하여 모든 ".stl" 파일을 열고 플랫폼에 센서 부품을 배치합니다(참조 보충 File 1, 보충 File 2, 보충 File 3, 보충 File 4, 보충 File 5 및 보충 File 6).</li>
		<li>좋은 인쇄 결과를 얻으려면 플랫폼을 기준으로 모든 부품을 기울이십시오.</li>
		<li>밀도가 0.8이고 점 크기가 0.4mm인 지지점을 생성합니다.</li>
		<li>레이어 두께가 50μm인 Clear V4를 선택합니다.</li>
	</ol></li>
	<li>인쇄를 시작합니다.<ol><li>슬라이서 출력 파일을 3D 프린터에 업로드합니다.</li>
		<li>화면에 표시되는 인쇄 시간과 수지 부피를 확인합니다. 투명 V4 탱크와 레진 카트리지를 삽입하고 장착 플랫폼을 부착한 다음 카트리지 덮개를 엽니다. 프린터에서 시작을 누릅니다.</li>
	</ol></li>
	<li>즉각적인 후처리<ol><li>인쇄가 완료되면 프린터를 열고 장착 플랫폼을 분리합니다. 참고: 이 단계는 모델이 프린터의 UV 차단 화면 아래에 있을 것이 확실한 경우에만 지연될 수 있습니다(토론에서 중요한 단계/인쇄 후처리 참조).</li>
		<li>플랫폼에서 모든 부품을 부드럽게 떼어내고 이소프로판올 수조에 넣습니다.</li>
		<li>부품을 20분 동안 계속 움직입니다.</li>
		<li>5분마다 부품을 꺼내고 모든 작은 틈과 구멍을 철저히 세척하십시오.</li>
	</ol></li>
	<li>UV 경화<ol><li>경화 과정을 시작하기 전에 부품을 건조시키십시오.</li>
		<li>압축 공기로 모든 작은 틈과 구멍을 씻어내십시오.</li>
		<li>부품을 UV 경화 장치에 넣고 40°C에서 50분 동안 경화시킵니다. 알림: 이 설정은 제조업체에서 권장하는 건조 시간 및 온도와 다릅니다(논의에서 중요한 단계/인쇄 후처리 참조).</li>
	</ol></li>
	<li>후처리<ol><li>모든 구멍과 구멍이 열려 있는지 확인하십시오.</li>
		<li>경로가 막힌 경우 직선 그라인더로 구멍을 뚫거나 긁어냅니다.</li>
		<li>인쇄된 모든 부품이 제대로 맞는지, 동관을 삽입할 수 있는지 확인하십시오. 그들이 할 수 없다면, 그들을 사포질하십시오.</li>
	</ol></li>
</ol>2. 전극 제조
<ol><li>9mm 및 18mm 구리 파이프의 상단에서 22mm를 측정하고 이러한 위치를 표시합니다.</li>
	<li>표시에서 파이프 절단기로 파이프를 자릅니다. 알림: 이 과정에서 너무 많은 힘을 가하지 않도록 하십시오. 파이프를 절단하는 데 몇 번의 회전이 필요합니다(토론 섹션의 중요한 단계/전극 제조 참조).</li>
	<li>구리 링을 조심스럽게 디버링하십시오. 디버링 시 구리 링에 너무 많은 압력을 가하지 말고 전극 표면이 긁히지 않도록 하십시오. 알림: 이것은 매우 중요한 부분이며 센서의 성능에 영향을 미칩니다(논의 섹션의 중요한 단계/전극 제조 및 수정/전극 참조).</li>
	<li>전극 납땜<ol><li>빨간색 케이블을 내부 구리 링(18mm)에 납땜하고 검은색 케이블을 외부 구리 링(22mm)에 납땜합니다.</li>
		<li>구리 링을 연마하여 표면의 산화된 구리 층을 제거합니다.</li>
		<li>바이스에 링을 고정하십시오.</li>
		<li>구리 링과 케이블을 미리 주석 처리하고 케이블을 링에 납땜합니다. 주의 : 납땜으로 인해 구리 전극은 최대 400°C까지 가열됩니다. 핀셋으로 전극을 만지고 열 보호 장갑을 착용하십시오.</li>
	</ol></li>
</ol>3. 조립
<ol><li>에폭시 접착제의 두 구성 요소를 트레이에 혼합하십시오. 알림: 그을음 다리와 경화 접착제를 구별하기 위해 투명 접착제를 사용하는 것이 매우 중요합니다. 주의 : 흄 후드 아래에서 작업하고 보호복(특히 장갑)을 착용하고 작업 표면을 청소하십시오. 추가 안전 지침은 안전 데이터 시트에서 찾을 수 있습니다. 건강 위험: "Skin Corr. 1C - H314 아이 댐. 1 - H318 스킨 센스 1 - H317".</li>
	<li>내부 전극 홀더를 유동 채널에 붙이고 접착제가 굳을 때까지 60분 동안 기다립니다(그림 7A).</li>
	<li>홀더에 내부 전극 링(18mm)을 놓고 케이블 채널을 통해 케이블을 안내합니다(그림 7B). 알림: 납땜 지점을 위한 충분한 공간이 있는지 확인하십시오.</li>
	<li>내부 전극 주위에 스페이서를 놓습니다. 참고: 이것은 매우 중요한 단계입니다. 전극 사이의 거리가 전체 센서의 모든 곳에서 정확히 1mm가 아닌 경우 전기장과 그에 따른 센서 성능에 영향을 미칠 수 있습니다(논의에서 중요한 단계/전극 제조 참조).</li>
	<li>홀더에 외부 전극 링(22mm)을 놓고 케이블 채널을 통해 케이블을 공급합니다(그림 7C).</li>
	<li>외부 전극 홀더를 흐름 채널에 붙입니다. 두 구리 전극 사이의 틈에 스페이서를 삽입합니다. 접착제가 굳을 때까지 60분 동안 기다립니다(그림 7D).</li>
	<li>에폭시 접착제로 모든 케이블 채널을 밀봉하십시오. 접착제가 경화 될 때까지 밤새 기다리십시오.</li>
	<li>외부 전극의 인쇄된 밸브에 진공 씰을 삽입합니다. 두 센서 측면을 서로 삽입하고 진공 cl로 고정합니다.amp (그림 7E,F).</li>
</ol>4. 테스트
<ol><li>진공 CL을 엽니다.amp 센서의.</li>
	<li>센서의 두 반쪽을 당겨 분리하고 씰을 제거합니다.</li>
	<li>거기에서 하나의 멀티미터 프로브 팁으로 전극 링을 터치하고 다른 멀티미터 팁으로 전극으로 이어지는 케이블 끝을 터치합니다.</li>
	<li>사전 테스트<ol><li>멀티미터로 전극과 케이블의 전기 연결을 테스트합니다. 저항이 <2 Ω인지 확인하십시오 (산화 수준에 따라 다름).</li>
		<li>호스를 에어로졸 입구와 출구에 꽂고 센서가 진공 펌프로 밀폐되어 있는지 테스트합니다.</li>
	</ol></li>
	<li>병렬 실험<ol><li>그림 8에 따라 센서 설정을 구축합니다.<ol><li>고전압 전원 공급 장치를 빨간색 센서 케이블(고전압 전극)에 연결합니다.</li>
			<li>검은색 센서 케이블을 벤치 멀티미터 전압 입력에 연결합니다.</li>
			<li>전위계 접지(GND)를 전원 공급 장치 GND와 연결합니다.</li>
			<li>멀티미터 USB 케이블을 PC에 연결합니다.</li>
		</ol></li>
		<li>센서를 에어로졸 측정 설정에 통합합니다. 그림 9에 따르면.</li>
		<li>에어로졸 발생기<ol><li>가스 공급: 피복 흐름, 질소 및 프로판 공급을 켭니다(필요한 압력: 질소, 4bar, 기타 가스, 각각 1bar).</li>
			<li>전원: 내장 MFC용 24V 소스 케이블을 연결하고 USB를 PC에 연결합니다.</li>
			<li>소프트웨어: MFC 소프트웨어를 열고 올바른 COM 포트 번호를 삽입합니다. 장치 검색: 5개의 장치가 표시되는 경우(5개의 다른 MFC에 대해) 검색 중지를 클릭합니다. 에어로졸 발생기의 사용 설명서에 따라 시작 조건을 입력합니다: 10mL/분 프로판, 1.55L/분 산화 공기, 7L/분 담금질 가스, 20L/분 희석 공기.</li>
			<li>에어로졸 발생기를 시작합니다( 재료 표 참조) ON-OFF 노브를 돌려. 손잡이가 켜지면 질소 표시기가 켜져 모든 흐름 경로가 열려 있음을 나타냅니다. 화염 안전 장치를 잡고 에어로졸 발생기의 점화 버튼을 누르십시오.; 연소실 창에서 화염을 관찰하십시오. ~60초 후에 화염 안전 장치를 매우 천천히 놓습니다.</li>
			<li>60mL/분 프로판, 1.55L/분 산화 공기, 7L/분 질소(담금질) 및 20L/분 희석 공기를 입력하여 올바른 크기 분포 매개변수를 설정합니다. 주의 : 다음 몇 분 이내에 측정을 수행해야 하는 경우에만 발전기를 나머지 설정에 연결하십시오. 그렇지 않으면 희석 브리지의 필터가 빠르게 막힐 것입니다.</li>
		</ol></li>
		<li>희석 브리지를 에어로졸 발생기에 연결합니다. 다시 한 번 분리하고 실험이 시작될 때까지 에어로졸 흐름을 흄 후드로 전환하십시오. 실험을 시작하기 전에 희석 브리지가 닫혀 있는지 확인하십시오.</li>
		<li>희석 브리지 배출구를 에어로졸 믹서 입구에 연결합니다.</li>
		<li>에어로졸 믹서 배출구 2( 그림 9E 참조)를 센서 입구에 연결합니다.</li>
		<li>MFC를 통합합니다.<ol><li>고효율 미립자 흡수(HEPA) 필터를 센서 배출구에 연결하고 센서 배출구를 MFC 입구에 연결합니다.</li>
			<li>MFC의 전원 공급 장치를 연결하고 USB를 PC에 연결합니다.</li>
		</ol></li>
		<li>MFC 소프트웨어를 열고 올바른 COM 포트 번호를 입력합니다.<ol><li>장치를 검색합니다.</li>
			<li>검색 중지를 클릭합니다.</li>
			<li>질량 유량을 1L/min으로 입력합니다.</li>
		</ol></li>
		<li>기준 기기( 재료 표 참조)<ol><li>LAN 케이블을 PC에 연결하고 브라우저에서 참조 기기의 IP 주소에 대한 연결을 열어 참조 기기를 제어하는 Java 응용 프로그램을 엽니다.</li>
			<li>기준 기기 제어 소프트웨어에서 리소스 잠금 | 대기 를 눌러 펌프를 시작합니다. 알림: 가열 과정은 ~20분이 소요됩니다.</li>
			<li>예열 단계 후 측정을 클릭하여 기준 기기에 들어가는 에어로졸을 측정합니다.</li>
			<li>기준 기기에서 1:10의 희석 비율을 선택합니다.</li>
			<li>y-피팅을 사용하여 에어로졸 믹서 배출구 1(그림 9D 참조)과 희석 공기 흐름을 y-피팅의 분할 끝( 그림 9C 참조)에 연결하고 y-피팅의 단일 끝을 기준 기기 입구에 연결합니다. 참고: 이 두 흐름은 y-피팅의 단일 끝에서 결합됩니다.</li>
		</ol></li>
		<li>실험 시작<ol><li>에어로졸 발생기를 희석 브리지에 다시 한 번 연결하고 희석 브리지가 닫혀 있는지 확인합니다.</li>
			<li>기준 기기에서 측정을 클릭합니다.</li>
			<li>원하는 에어로졸 질량 농도가 3-5 mg/m3 에 도달할 때까지 희석 브리지를 천천히 열고 기준 기기에 데이터 로깅을 시작합니다.</li>
			<li>기준 기기 입자 질량 농도를 관찰하십시오. 에어로졸 소스가 안정되면 센서 전원 공급 장치를 1,000V 로 켜고 데이터 로깅을 시작합니다. 알림: 농도가 안정적이지 않으면 토론 섹션의 문제 해결을 참조하십시오.</li>
		</ol></li>
		<li>콘솔의 읽기 명령 또는 자동화된 스크립트를 사용하여 벤치 멀티미터에서 데이터를 수집합니다. 알림: 센서 전류가 안정화된 후(약 5분) 기준 기기와 센서 전류를 비교할 수 있습니다. 주의 : 센서 전류가 10-7A (내부 저항이 0.1MΩ인 1V에 해당) 이상으로 급격히 증가하면 높은 볼륨을 끕니다.tage 소스(논의 섹션의 문제 해결 참조).</li>
		<li>병렬 측정: 센서가 평형에 도달한 후 희석 브리지를 적절하게 조정하여 5mg/m3에서 0.2mg/m3까지 농도 구배를 단계별로 측정합니다. 알림: 더 높은 농도를 사용하는 경우 기준 기기의 희석 비율을 늘려야 합니다.</li>
	</ol></li>
	<li>매번 새로 측정하기 전에 압축 공기와 면봉으로 센서를 청소하십시오.</li>
</ol>5. 현장 적용
<ol><li>그림 8에 따라 센서 설정을 구축합니다.<ol><li>고전압 전원 공급 장치를 빨간색 센서 케이블(고전압 전극)에 연결합니다.</li>
		<li>검은색 센서 케이블을 벤치 멀티미터 전압 입력에 연결합니다.</li>
		<li>전위계 GND를 전원 공급 장치 GND와 연결합니다.</li>
		<li>멀티미터 USB 케이블을 PC에 연결합니다.</li>
	</ol></li>
	<li>그림 10에 따라 센서 설정을 새로운 측정 설정에 통합하고 에어로졸 소스를 센서와 연결합니다.</li>
	<li>에어로졸 소스에서 유출되는 입자 흐름을 경로 A) 센서 설정 및 경로 B) 환기로 분할합니다.<ol><li>MFC 또는 펌프: MFC를 사용하여 샘플을 센서를 통과시킵니다.</li>
		<li>MFC의 업스트림에서 HEPA 필터를 사용합니다. MFC의 전원 공급 장치를 연결하고 USB를 PC에 연결합니다.</li>
		<li>병렬 측정을 위해 4.5.8단계를 따르십시오.</li>
	</ol></li>
	<li>현장 실험 시작: 에어로졸 소스가 센서 입력에 연결되어 있는지 확인하십시오.</li>
	<li>센서 전원 공급 장치를 켜고 데이터 로깅을 시작합니다.</li>
</ol><img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64844/64844fig08.jpg"> 그림 8: 센서 설정. 센서 설정의 다이어그램입니다. 에어로졸은 센서를 통해 흐릅니다. 센서는 전압계와 고전압 공급 장치에 연결됩니다. 전압계는 센서 데이터를 기록하는 제어 장치에 의해 제어됩니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/64844fig08large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64844/64844fig09.jpg"> 그림 9: 센서 평가를 위한 실험 계획. 안정한 에어로졸 소스는 입자 소스를 모방하는 데 사용됩니다. 유출되는 입자 흐름은 경로 (A), 센서 설정으로 분할됩니다. 경로 (B)는 환기, 희석 브리지로 들어가고, 에어로졸 혼합기로 더 분배된다. 믹서 후, 에어로졸 스트림은 센서와 평행하게 측정하는 기준 기기 경로(D) 사이에서 분할됩니다. 이 기준 기기는 경로 (C)를 통해 분배되는 희석 공기가 필요합니다. 경로(E): MFC는 센서를 통해 공기를 끌어들입니다. 이 MFC는 HEPA 필터로 에어로졸 흐름으로부터 보호됩니다. 약어: MFC = 질량 유량 컨트롤러; HEPA 필터 = 고효율 입자 흡수 필터. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/64844fig09large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="Figure 10" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64844/64844fig10.jpg"> 그림 10 : 현장 테스트 : 실험 계획. 이 설정에서는 에어로졸 소스가 측정됩니다. 유출되는 입자 흐름은 경로 A) 센서 설정과 경로 B) 환기로 분할된 다음 센서로 들어갑니다. 이 설정에서 HEPA 필터 업스트림이 있는 MFC는 센서를 통해 에어로졸을 빨아들입니다. 약어: MFC = 질량 유량 컨트롤러; HEPA 필터 = 고효율 입자 흡수 필터. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/64844fig10large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>

<ol>
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저자는 Silicon Austria Labs에 고용되어 있으며 그라츠 공과 대학의 학생입니다. 선언할 다른 이해 상충은 없습니다.

중요 단계 인쇄 후처리 이 프로토콜의 거의 모든 단계는 새로 인쇄된 3D 부품의 후처리(프로토콜 단계 1.5)를 제외하고 일시 중지하거나 연기할 수 있습니다. 프린터의 자외선 차단 스크린이 열리면 후처리가 즉시 시작되어야 하며, 그렇지 않으면 작은 케이블 채널과 씰 캐비티가 막힐 것입니다. 캐비티의 정밀한 맞춤은 센서가 기밀하게 밀봉될 수 있도록 합니다. 이는 센서가 유량 변동에 매우 민감하기 때문에 중요합니다. 경화 과정도 중요합니다 (프로토콜 단계 1.4). 온도가 너무 높게 설정되면 재료가 너무 부서지기 쉽고 클램프가 외부 전극 홀더에 가하는 힘에 의해 파손될 수 있습니다.
전극 제조 전극의 신중한 절단 및 디버링(프로토콜 단계 2.2-2.3)은 전극 간격의 불규칙성이 전기장 및 속도장에서 섭동을 일으켜 센서 성능이 저하되기 때문에 매우 중요합니다. 최악의 경우 강한 불규칙성으로 인해 전극이 너무 가까워져 항복 전압을 초과하고 단락이 발생할 수 있습니다. 이 시점부터는 측정 신호에 대해 어떠한 진술도 할 수 없으며 측정 전자 장치가 손상되기 쉽습니다.
집회 센서의 조립(프로토콜 단계 3.4-3.6)은 전극 간격을 생성하기 때문에 매우 중요합니다. 위에서 언급했듯이 전극 사이의 거리는 매우 중요합니다. 이 간격은 전체 길이에 걸쳐 균일하게 1mm여야 합니다. 이러한 단계는 센서의 전기장을 크게 변경할 수 있기 때문에 중요합니다. 수상돌기 형성뿐만 아니라 전반적인 증착 거동은 전기장의 변화에 의해 영향을 받을 수 있습니다. 따라서 센서 응답이 유입되는 에어로졸에 대해 선형이라고 더 이상 보장할 수 없습니다. 단락의 최악의 시나리오도 여기에 적용됩니다.
수정 3D 프린팅 다른 가능한 수정은 다른 3D 프린팅 수지를 사용하는 것입니다. 센서 하우징의 밀도, 유연성, 온도 저항 및 강도를 변경할 수 있는 다양한 수지가 시장에 나와 있습니다.
센서 치수 센서의 첫 번째 설계 기준은 안전 구성입니다. 전극 사이의 공기 절연 내력은 3mm/kV입니다. 이 길이는 어떤 경우에도 언더컷되어서는 안 됩니다. 전위가 높을수록 더 많은 입자가 증착되고 이러한 증착된 입자는 수상 돌기를 형성하기 쉽습니다. 전극의 치수는 쉽게 구할 수 있는 표준 구성 요소를 사용할 수 있도록 선택되었습니다. 저자에게 알려진 유사한 센서의 설계는 평면 센서에 대해 다음 치수를 사용했습니다 : 원통형 설계12,13의 경우 직경 8.5 mm 및 간격 1.3 mm의 평면 센서에 대해 9 mm 너비, 2 mm 길이, 1 mm 간격 및 15 mm 길이. 또한 센서는 일반 작업장에서 손으로 제조할 수 있어야 합니다. 1mm 간격은 센서를 수동으로 청소할 수 있는 절대 최소 간격입니다. 여기서 1kV는 안전성과 효율적인 입자 증착뿐만 아니라 이 범위의 전압원의 가용성에 대한 좋은 절충안으로 사용되었습니다.
전극 센서 전극 사이의 정확한 거리 1mm는 성능에 매우 중요하기 때문에 이 단계에서는 더 많은 개발 작업을 수행할 수 있습니다. 예를 들어, 3D 프린팅 된 고정 장치를 훨씬 더 정확하게 만들 수 있으며, 장비를 사용할 수있는 경우 절단 및 디버링을 위해 간단한 파이프 커터 대신 선반을 사용할 수 있습니다. 또 다른 옵션은 파이프 절단기 대신 톱을 사용하는 것입니다. 이 경우 나중에 톱의 가장자리를 연마해야 합니다. 이 방법은 파이프 절단기보다 변형이 적지 만 시간이 오래 걸립니다. 에폭시 접착제에 비해 실리콘은 케이블이 움직일 수 있는 더 많은 공간을 제공하고 전극의 간격을 다시 맞추기가 더 쉬워집니다. 그러나 케이블이 움직일 공간이 더 많기 때문에 센서를 밀봉하기가 더 어렵습니다. 한 번에 쉽게 열 수 있는 진공 클램프 대신 자체 제작 설계도 가능합니다. 여기서는 일부 나사용 구멍과 밀봉 코드용 캐비티만 3D 설계에서 변경해야 합니다.
증권 시세 표시기 MFC는 센서를 통해 흡입되는 에어로졸의 양을 결정합니다. 나머지는 방의 오염을 피하기 위해 오버플로 끝에 HEPA 필터를 배치하여 오버플로를 통해 배수할 수 있어야 합니다. MFC 대신 저렴한 펌프를 선택하면 유량 변동이 커지면 센서 신호에 부정적인 영향을 미칩니다.
희석 브리지 그림 9에서 볼 수 있듯이 희석 브리지는 하나 이상의 HEPA 필터와 평행한 간단한 니들 밸브로 구축할 수 있습니다. 다른 디자인에는 니들 밸브 대신 튜브를 짜내는 작은 바이스가 포함됩니다. 이 디자인은 튜브를 더 쉽게 청소할 수 있다는 장점이 있습니다. 이러한 바이스에 코일이 많을수록 농도를 더 미세하게 조정할 수 있습니다. 이는 높은 역동성을 피해야 하는 교정 측정에 특히 중요합니다.
벤치 멀티미터 벤치 멀티미터는 전압을 측정하며, 정확한 전류 값을 얻으려면 내부 저항 값으로 나누어야 합니다. 선택한 측정 범위(예: 100V)에 따라 이 내부 저항 값이 달라질 수 있습니다(예: 1MΩ). 모든 측정값에 대해 내부 저항 값이 동일하도록 정의된 범위를 선택하는 것이 중요합니다. "자동 범위"를 선택하면 내부 저항 값도 추적해야 합니다.
문제 해결 3D 프린터 프린터가 멈추면 탱크에 마지막 인쇄물의 잔여물이 있는지 확인해야 합니다. 믹서가 자주 멈춥니다. 인쇄 과정의 처음 몇 분을 관찰해야 합니다. 막힌 경우 올바른 슬라이서 설정이 설정되지 않았거나 후처리 전에 UV 보호 조건에서 새 인쇄물을 저장하지 않았기 때문입니다. 슬라이서 설정에서 지지점이 흐름 채널과 전극 사이의 공간을 방해해서는 안 되며 파일을 프린터로 보내기 전에 내부 지지 구조 상자를 클릭 해제해야 합니다.
에어로졸 공급원 + 희석 브리지 에어로졸 소스가 불안정해 보이면 모든 HEPA 필터가 올바른 위치에 있고 막히지 않았는지 확인해야 합니다. 또한 에어로졸 발생기와 기준 기기를 점검하여 워밍업 단계를 완료했는지 확인해야 합니다.
센서 가장 일반적인 결함은 전원 공급 장치 연결 부족, 센서의 공기 누출 또는 침전된 입자가 전극 사이에 그을음 다리를 형성할 때 발생합니다. 먼저 센서를 열어 전극 사이에 그을음 다리가 형성되었는지 확인합니다. 센서 케이블을 분리하고 센서를 열기 전에 전원을 꺼야 합니다. 그을음 다리는 육안으로 쉽게 볼 수 있으며 약간의 노력으로 제거 할 수 있습니다. 그을음 다리를 제거하려면 광학 청소용 천이나 보푸라기가 없는 면봉을 사용하는 것이 가장 좋습니다.
센서의 흐름 거동을 변화시키는 누출과 전극의 낮은 전압은 센서 신호를 변화시킬 수 있습니다. 이러한 문제 중 어떤 것이 예기치 않은 센서 응답의 원인인지 미리 말할 수는 없습니다. 따라서 다음과 같이 기밀성과 전압 안정성을 모두 확인하는 것이 중요합니다. 먼저 케이블에서 전극으로의 연결을 확인합니다 (프로토콜 단계 4.4). 다음으로, 전압 소스가 예상 전압을 전달하는지 확인합니다. 공기 누출은 누출 스프레이로 가장 잘 식별됩니다. 이 외에도 프로토콜 단계 4.4.2에 설명된 대로 진공 펌프로 기밀성을 확인할 수도 있습니다.
제한 정전기 센서의 한계는 Maricq et al.14에 잘 설명되어 있습니다. 그들의 작업에서 그들은 센서의 성능을 위해 안정적인 전압 소스와 안정적인 센서 흐름의 중요성을 강조합니다. 이러한 이유로 그림 10에 설명된 대로 MFC 또는 펌프를 사용한 설정을 항상 흐름 제어에 사용해야 합니다. 또한 센서는 첫 번째 테스트에서 평형에 도달하는 데 더 오랜 시간이 필요합니다. 안정적인 수상돌기 개체군이 전극에 정착한 추가 실험에서는 센서를 시작하는 데 걸리는 시간이 줄어듭니다. 그러나 일반적으로 센서는 초기 농도에 따라 작동하기 위해 항상 시작 시간이 필요하다는 점에 유의해야 합니다.
Bilby et al.에서와 같이 플랫 디자인과는 달리, 센서 드리프트는 이 원통형 배열(12)에서 주요한 문제가 아니다. 그러나 낮은 입자 농도에서 빠른 농도 변화는 여전히 센서로 감지하기 어렵습니다. Diller et al. 및 Maricq et al.에 의해 표시된 바와 같이, 의미 있는 측정 신호에 대해, 측정된 값은 실험에서 유량이 얼마나 변화하는지에 따라 2-10분에 걸쳐 평균화된다(14,15).
2.8nAm3/mg의 기울기와 ±1.4nA의 표준 편차로 그림 11 의 회귀선으로부터의 편차가 높습니다. 센서 정확도를 더 잘 이해하려면 여러 실험을 비교하는 것이 좋습니다. 반복 실험의 경우 기울기는 표준 편차가 ±1.0nA인 3.5nAm3/mg과 표준 편차가 ± 0.6nA인 4.9nAm3/mg을 차지합니다. 또한 센서는 전압 소스가 켜지는 순간 매우 높은 판독값을 제공합니다. 이 시작 값은 측정 데이터에서 필터링됩니다.
여기에 제시된 방법의 장점은 단순성뿐만 아니라 센서 모양을 다양한 요구에 맞게 조정할 수 있는 다양한 가능성에 있습니다. 따라서 센서는 그을음 외에도 다양한 하전 입자를 감지할 수 있으며 발전소, 산불, 산업 및 자동차의 미립자 물질 감지와 같은 광범위한 응용 분야에 적합합니다. 이 논문은 기관, 회사, 연구팀, 시민 과학자 및 미립자 물질 검출에 관심이 있는 모든 사람이 이 간단한 센서 구성 매뉴얼을 재현하고 자체 입자 검출기를 구축할 수 있는 인센티브가 되어야 합니다.

크기가 1μm 이하인 입자를 흡입하면 인체에 건강에 악영향을 미칠 위험이 높습니다. 연소 과정으로 인한 환경 오염이 증가함에 따라 호흡기 질환이 인구 1,2,3에서 증가하고 있습니다. 건강을 증진하고 오염을 막기 위해서는 먼저 오염원을 파악하고 오염 정도를 정량화해야합니다. 이것은 기존 입자 검출기로 수행 할 수 있습니다. 그러나 이들은 규모가 크고 민간 또는 시민 과학 목적으로는 너무 비쌉니다.
시판되는 많은 입자 검출기는 부피가 크고, 매우 비싸며, 작동하기 위해 추가 장비가 필요하다4. 대부분은 또한 몇 가지 에어로졸 컨디셔닝 단계가 필요합니다. 예를 들어, 광산란을 측정 원리로 사용하는 검출기의 경우 희석이 필요하며 측정 범위는 파장 5,6,7에 의해 제한됩니다. 레이저 유도 백열을 검출 원리로 사용하는 입자 검출기에는 고에너지 레이저 소스와 에너지 소비 냉각 시스템이 모두 필요합니다8.
응축 입자 계수기를 사용하는 입자 검출기는 일반적으로 입자 농도 측정의 황금 표준으로 사용됩니다. 이들은 사전 컨디셔닝, 희석 및 작동 유체 (예 : 부탄올)9,10,11이 필요합니다. 정전기 센서의 장점은 단순하고 컴팩트한 디자인과 낮은 제조 비용에 있습니다. 그러나 응축 입자 계수기와 비교할 때 정확도와 관련하여 상당한 추론이 이루어져야 합니다.
정전기 센서는 이러한 방법의 대안을 나타냅니다. 정전기 센서는 견고하고 가벼우며 제조 비용이 저렴하고 감독 없이 작동할 수 있습니다. 정전기 센서의 가장 간단한 형태는 플레이트 사이에 높은 전기장이 있는 병렬 플레이트 커패시터입니다. 에어로졸이 두 구리 전극 사이의 고전압 영역으로 전달됨에 따라 자연적으로 하전된 입자가 서로 다른 극성의 전극에 증착됩니다(그림 1).
덴드라이트는 전극 사이에 인가된 고전압의 필드 라인 방향으로 전극 표면에 형성되며 접촉 충전을 통해 충전됩니다. 이 덴드라이트의 파편은 결국 전극을 분리하고 반대 극성으로 전극에 재증착되어 전하를 전달합니다. 이 파편들은 많은 수의 전하를 지니고 있습니다. 전극이 접지되어 있기 때문에 증착된 전하는 전류를 생성하여 벤치 멀티미터의 내부 저항에서 전압 강하를 유발합니다. 단위 시간당 이러한 현상이 더 자주 발생할수록 전류가 높아지고 결과적으로 전압 강하가 높아집니다(그림 2).
파편들의 전하 증착에 의해 유도된 고전압으로 인해, 더 이상의 증폭기 전자장치가 필요하지 않다. 수상돌기 분리 입자의 형성 및 이들 입자의 후속적인 전하 방출은 자연 신호 증폭을 나타낸다12. 결과 센서 신호는 입자 질량 농도에 비례합니다. 이 신호는 기성품 벤치 멀티미터로 감지할 수 있습니다.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64844/64844fig01.jpg"> 그림 1: 센서 회로도. 에어로졸은 에어로졸 입구로 흘러 들어갑니다., 왼쪽 흐름 채널을 통해 전파, 그런 다음 고전압 전극 사이의 틈에 도달 (내부 전극) 측정 전극 (외부 전극). 거기에서 입자는 수상돌기 성장에 기여하고 앞서 설명한 것처럼 분리되어 센서 응답을 생성합니다. 그 후, 입자는 오른쪽 흐름 채널을 통해 더 흐르고 센서를 에어로졸 배출구에 둡니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/64844fig01large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64844/64844fig02.jpg"> 그림 2: 물리적 원리. 양전하를 띤 입자와 음전하를 띤 입자와 중성 입자는 반대 극성의 전극 사이의 틈으로 들어갑니다. 그들은 전기장 라인에 의해 반대 극성의 전극으로 전환되어 거기에 전하를 축적합니다. 그런 다음 수상돌기의 일부가 되어 각 전극의 전하를 대신합니다. 필드 밀도는 더 많은 입자가 갇혀 있는 수상돌기 팁에서 가장 높습니다. 항력이 결합력을 초과하면 수상 돌기의 세그먼트가 끊어져 반대쪽 전극에 부딪혀 전하가 축적됩니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/64844fig02large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
Warey et al.10에서와 같이 원통형 설계를 사용하면 그을음 다리가 형성될 가능성을 최소화할 수 있습니다. 센서 형상, 인가 전압, 가스 유속 및 미립자 물질 농도에 대한 추가 정보는 여기에서 찾을 수 있습니다. 센서 신호와 센서를 통해 흐르는 미립자 물질의 상관 관계를 제안합니다(방정식 1).
센서 (V) = 5.7 × 10-5 C V 0 e0.62V × <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/64844/64844eq01.jpg" style="margin: auto;"> (1) 
C는 입자상 물질의 질량 농도,V0 는 인가 전압, V는 배기 속도, L은 전극 길이, S는 전극 갭(13)이다.
Bilby et al. 정전기 센서의 근본적인 물리적 효과에 대한 상세한 연구에 초점을 맞췄다9. 이러한 연구에는 덴드라이트 기반 센서의 신호 증폭을 설명하기 위해 광학적으로 접근 가능한 설정과 운동 모델이 포함되었습니다(방정식 2 및 3 참조).
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/64844/64844eq02v2.jpg" style="margin: auto;">(2개)
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/64844/64844eq03v2.jpg" style="margin: auto;">(3)
S는 50-100 nm 크기의 10-100 그을음 응집체의 그을음 디스크 스택을 나타냅니다. Dn 은 n개의 디스크를 갖는 수상돌기를 나타내고; Br은 f 디스크로 구성된 분리 단편을 나타내고; S및 ki는 속도 상수12이다.
이 백서는 추가 장비 없이 높은 입자 농도에 사용할 수 있는 간단하지만 효율적인 저비용 입자 검출기를 구축하고 테스트하는 방법에 대한 프로토콜을 제시합니다. 이러한 유형의 정전기 센서에 대한 이전 작업은 주로 배기 측정에 중점을 두었습니다. 이 작업에서는 실험실에서 생성된 그을음 입자가 테스트 에어로졸로 사용됩니다. 설명된 센서는 'Warey et al. 및 Bilby etal 12,13.
센서 본체는 광조형 기반 3D 프린팅 본체, 동관으로 절단된 동축 전극, 진공 개스킷 및 진공 클램프로 구성됩니다. 진공 개스킷, 케이블, 구리 튜브 및 센서 1개용 3D 수지와 같은 재료의 가격은 €40 미만입니다. 필요한 추가 장비는 고전압 소스, USB 벤치 멀티미터 및 납땜 스테이션입니다. 센서를 평가하려면 정의된 에어로졸 소스와 기준 기기도 한 번 필요합니다( 재료 표 참조). 이 프로토콜에 설명된 센서의 크기는 10cm x 7cm입니다. 이 크기는 실험을 위해 특별히 선택되었으며 여전히 크게 줄일 수 있습니다(토론에서 수정/센서 치수 참조).
이 프로토콜은 간단한 저비용 입자 센서를 구축, 테스트 및 사용하는 방법을 설명합니다. 프로토콜의 개략도는 센서 선체의 3D 프린트 및 전극 제조, 센서의 조립, 테스트 및 센서의 현장 적용 예로 시작하여 그림 3에 나와 있습니다.
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64844/64844fig03.jpg"> 그림 3: 분석법 개략도. 프로토콜은 네 가지 주요 단계로 나뉩니다. 먼저 센서 하우징의 모든 부품이 인쇄됩니다. 그런 다음 전극을 제조합니다. 세 번째 단계에서는 전극과 진공 개스킷이 있는 3D 프린팅 센서 하우징이 조립됩니다. 마지막 단계에서는 센서 성능을 평가합니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/64844fig03large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
3D 프린팅 프로세스의 가장 중요한 단계는 그림 4에 나와 있습니다. 처음에는 인쇄에 적합한 슬라이서 설정이 선택됩니다. 그 후, 인쇄의 가장 중요한 부분과 3D 인쇄 모델의 전처리에 대해 논의합니다. 이 단계에서는 이소프로판올 수조 및 UV 경화 장치가 있는 수지 3D 프린터와 직선 그라인더가 필요합니다.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64844/64844fig04.jpg"> 그림 4: 3D 프린팅의 개략도. (A) 슬라이서 3D 모델이 묘사되어 있습니다. (B) 인쇄 과정 중 프린터. 후처리 단계: (C) 플러싱 및 (D) UV 경화. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/64844fig04large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
그림 5 는 전극 제조의 가장 중요한 단계인 전극의 형태 형성과 전극에 대한 접촉의 납땜을 보여줍니다. 이 단계에서는 직경이 다른 두 개의 구리 튜브, 캘리퍼, 파이프 절단기, 직선 그라인더, 바이스, 납땜 스테이션 및 납땜 주석, 두 가지 색상의 절연 케이블, 열 보호 장갑 및 와이어 커터가 필요합니다.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64844/64844fig05.jpg"> 그림 5: 전극 제조 . (A) 전극의 측정, (B) 절단, (C) 디버링 및 (D) 납땜. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/64844fig05large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
프로토콜의 조립 섹션에서는 센서가 조립되는 방법을 설명합니다. 가장 중요한 센서 부품은 그림 6, 즉 외부 전극 홀더, 유동 채널 및 내부 전극 홀더에 나와 있습니다. 그림 7 은 센서 어셈블리에서 가장 중요한 단계를 보여줍니다. 이 단계에서는 에폭시 접착제, 보호복, 진공 씰, 진공 클램프, 보안경 및 장갑이 필요합니다.
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64844/64844fig06.jpg"> 그림 6: 센서 부품. (A) 외부 전극 홀더, (B) 유동 채널 및 (C) 내부 전극 홀더. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/64844fig06large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64844/64844fig07.jpg"> 그림 7: 센서 어셈블리. 센서 어셈블리의 모든 단계가 표시됩니다. AE는 센서의 절반 조립을 보여줍니다. (A) 내부 전극 홀더는 유동 채널에 접착됩니다. (B) 내부 전극은 내부 전극 홀더에 배치됩니다. (C) 외부 전극은 외부 전극 홀더에 배치됩니다. (D) 외부 전극 홀더는 유동 채널 + 내부 전극 홀더 어셈블리에 접착됩니다. (E) 진공 밀봉은 한 센서 절반의 외부 전극에 스냅된 다음 다른 센서 절반의 동일한 두 번째 외부 전극인 (C)에 스냅됩니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/64844fig07large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
테스트 섹션에서는 새로 구축된 센서를 기준 기기와 비교하기 위해 실험을 설정하는 방법을 설명합니다. 이 단계에서는 벤치 멀티미터, 진공 펌프, 고전압 공급 장치, 에어로졸 발생기, 희석 브리지, 에어로졸 튜브, Y-피팅, 질량 유량 컨트롤러(MFC) 1개, 에어로졸 믹서, 기준 기기 및 면봉이 필요합니다.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Equipment</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3D printer</td>
			<td>Formlabs</td>
			<td></td>
			<td>Formlabs 3</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Aerosol Mixer</td>
			<td>ESSKA</td>
			<td>304200812095</td>
			<td>95 mm, diameter 8 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Aerosol soot generator</td>
			<td>Jing Aerosol</td>
			<td></td>
			<td>Model 5201 Type C miniCAST</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Benchmultimeter</td>
			<td>Keysight</td>
			<td></td>
			<td>KEYSIGHT 34465A, 0 - 100 V range, 1 M&#937; internal resistance</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dilution Bridge</td>
			<td>Custom built</td>
			<td></td>
			<td>Needel valve and HEPA filter in parallel</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High voltage power supply</td>
			<td>Stanford Research Systems</td>
			<td></td>
			<td>PS350, 5000 V - 25 W</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mas flow controller</td>
			<td>V&#246;gtlin</td>
			<td>GSC-C3SA-BB26</td>
			<td>Red-y for gas flow, flow range: 0-10 L/min</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Refence Instument</td>
			<td>AVL</td>
			<td></td>
			<td>MSSplus - AVL Micro Soot Sensor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Material</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Aerosol tygon tubes</td>
			<td>Saint Gobain Fluid Transfer</td>
			<td>AAG00012</td>
			<td>Diameter 7 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bidirectional flow control valves series RFO</td>
			<td>CAMOZZI</td>
			<td>RFO 383-1/8</td>
			<td>P max 10 bar</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Copper tube 12 mm</td>
			<td>Obi</td>
			<td>1996602</td>
			<td>Diameter 12 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Copper tube 18 mm</td>
			<td>Obi</td>
			<td>1499441</td>
			<td>Diameter 18 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Copper tube 22 mm</td>
			<td>Obi</td>
			<td>&#160;1996628</td>
			<td>Diameter 22 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cotton swab</td>
			<td>Chemtronics</td>
			<td>48042F</td>
			<td>50 m, 1 mm tip</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Epoxy glue</td>
			<td>RS components</td>
			<td>132605</td>
			<td>RS quick set epoxy</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hepa Nylon Einweg-Inline-Filter</td>
			<td>Parker</td>
			<td>9933-05-BQ</td>
			<td>Fl&#252;ssigkeit 5.4SCFM 1/4Zoll, mit G1/4 Anschluss 8,1 bar</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Isolated electrical cable</td>
			<td>Nexans</td>
			<td></td>
			<td>Diameter 2 mm, two different colors red and black</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Photopolymer Resin</td>
			<td>Formlabs</td>
			<td>851976006196</td>
			<td>1 L&#160; Cartridge - Transparent (Clear)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Soldering tin</td>
			<td>Stannol</td>
			<td>574108</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Steckverbinder reduziert mit Stecknippel</td>
			<td>ESSKA</td>
			<td>IQSG120H6000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tefen polymer Y - fitting</td>
			<td>TEFEN</td>
			<td>TEF-8357-06-00</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Thermal protection gloves</td>
			<td>As One</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vacuum clamp</td>
			<td>MISUMI</td>
			<td>FRNWC40</td>
			<td>Clamp</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vacuum seal</td>
			<td>MISUMI</td>
			<td>FRNWR40</td>
			<td>Centering ring with O-ring seal</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tool</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Caliper</td>
			<td>Starrett</td>
			<td>DW990</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Deburrer</td>
			<td>Ruko</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gloves</td>
			<td>BM Polyoo</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Isopropanol bath</td>
			<td>Formlabs</td>
			<td>FK-F3-01</td>
			<td>Form 3 finish kit</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PCB vice</td>
			<td>RS components</td>
			<td>221-7531</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pipe cutter</td>
			<td>Rigid</td>
			<td></td>
			<td>35S</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Safety goggles</td>
			<td>3M</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sand paper</td>
			<td>Mirka</td>
			<td></td>
			<td>Different sandpaper thicknesses 40 - 200</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Soldering station</td>
			<td>Ersa</td>
			<td></td>
			<td>Ersa i-CON 2, 400 &#176;C, 2.2 mm soldering rod</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Straight grainder</td>
			<td>Dremel</td>
			<td>F013400046</td>
			<td>Dremel 4000</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>UV Hardening device</td>
			<td>Formlabs</td>
			<td>FH-CU-01</td>
			<td>Form cure</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vacuum pump</td>
			<td>Mityvac</td>
			<td>MV8000</td>
			<td>Automotive Tune-up and Brake Bleeding Kit</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vise</td>
			<td>Proxxon</td>
			<td>NO 28 132</td>
			<td>MS4,&#160; Jaw height 10 mm, Max. Clamping width 34 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wire cutter</td>
			<td>KNIPEX</td>
			<td>7712115</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Software</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MFC software</td>
			<td>V&#246;gtlin</td>
			<td></td>
			<td>Get red-y</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Reference Instument Software</td>
			<td>AVL</td>
			<td></td>
			<td>Supplied with the device: MSSplus</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Slicer software</td>
			<td>Formlabs</td>
			<td></td>
			<td>Preform Download Link: https://formlabs.com/de/software/</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

additive manufacturing-enabled low-cost particle detector

크기가 1μm 이하인 입자는 인체에 심각한 건강 위험을 초래하므로 입자 배출의 감지 및 조절이 매우 중요합니다. 미립자 배출의 상당 부분이 운송 부문에서 배출됩니다. 시중에서 판매되는 대부분의 입자 검출기는 부피가 크고 매우 비싸며 추가 장비가 필요합니다. 이 백서에서는 작고 비용 효율적인 독립형 입자 검출기를 구축하고 테스트하기 위한 프로토콜을 제시합니다. 
이 논문의 초점은 비디오와 센서 평가 절차가 포함된 자세한 시공 매뉴얼에 대한 설명에 있습니다. 센서의 컴퓨터 지원 설계 모델은 보충 자료에 포함되어 있습니다. 이 매뉴얼은 3D 프린팅에서 완전히 작동하는 센서에 이르기까지 모든 구성 단계를 설명합니다. 이 센서는 하전 입자를 감지할 수 있으므로 광범위한 응용 분야에 적합합니다. 가능한 적용 분야는 발전소, 산불, 산업 및 자동차의 그을음 감지입니다.

센서 신호와 미립자 질량의 정확한 상관 관계는 입자 전하 분포 및 크기 분포, 에어로졸 조성에 따라 다릅니다. 따라서 센서는 기준 기기를 사용하여 특정 응용 분야에 맞게 교정해야 합니다. 이 섹션에서는 새로 구축된 센서를 기준 기기와 비교하는 방법을 설명합니다.
센서의 시작 단계는 선택한 입자 농도에 따라 약 5-10분이 소요됩니다. 시작 단계 내에서 센서가 일정한 입자 농도에 노출되는 동안 센서 신호는 크게 증가합니다. 시작 단계 후 센서 신호가 안정화됩니다. 이 단계에서 수상 돌기의 축적 및 단편화를위한 평형 상태에 도달하고 센서 신호는 들어오는 그을음 농도에 비례합니다. 이 초기화 단계 후에 센서는 에어로졸 농도의 변화를 측정할 준비가 됩니다.
그림 11에 표시된 측정 데이터는 센서가 위에서 언급한 평형 상태에 있는 순간부터 시작됩니다. 센서 전류를 암페어 단위로 계산하려면 수집된 데이터(볼트)를 내부 저항 값으로 나누어 올바른 전류 값을 얻어야 합니다.
세로축은 센서 신호를 암페어 단위로 표시하고 가로축은 기준 기기로 측정한 에어로졸 농도를 mg/m3로 표시합니다. 대표 모수가 있는 선형 피팅도 플롯에 제공됩니다. 측정된 데이터의 높은 불확도는 희석 브리지로 농도를 조정할 때 높은 역학 때문입니다. 선형 적합 매개변수는 0.80의R2 값, -0.53nA의 절편 및 1.4nA의 표준 편차를 갖는 2.80nAm3/mg의 기울기입니다.
<img alt="Figure 11" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64844/64844fig11.jpg"> 그림 11: 긍정적인 결과. 센서 신호는 암페어 단위로 세로 축에 표시되는 반면, 기준 기기로 측정된 입자 농도(mg/m3)는 가로 축에 표시됩니다. 또한 가장 중요한 모수를 갖는 선형 피팅이 플롯에 추가됩니다. 선형 피팅 파라미터는 0.80의R2 값, -0.53nA의 절편 및 2.80nAm3/mg의 기울기이다<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/64844fig11large.jpg" target="_blank">. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
입자가 전극 사이의 경로를 막을 가능성도 있으며, 이 경우 전극 사이에 전도성 그을음 다리가 형성됩니다. 그을음은 전도성 물질이기 때문에 이러한 그을음 브리지는 전극 사이에 단락을 형성합니다. 측정된 신호는 전도성 경로의 두께가 증가함에 따라 전압계가 손상될 수 있을 정도로 전압이 너무 높아질 때까지 급격히 상승합니다. 그을음 다리를 형성하는 실험의 예는 그림 12에서 볼 수 있습니다. 신호는 매우 가파른 점프/스텝에서 상승하며 멈추거나 평평해지지 않습니다. 수상 돌기도 더 이상 형성되지 않으며 센서는 더 이상 평형 상태가 아닙니다. 이 경우 고전압 소스를 즉시 끄고 센서를 청소하고 새로운 측정을 시작해야 합니다.
<img alt="Figure 12" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64844/64844fig12.jpg"> 그림 12: 부정적인 결과. 측정 중에 단락이 발생했습니다. 센서 신호(암페어)는 세로축에 표시되고 측정 시간은 가로축에 표시됩니다. 센서 신호는 제한 없이 계속 증가합니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/64844fig12large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
평평한 선이 표시되고 센서 전류가 1nA 이상의 값으로 전혀 상승하지 않으면 토론 섹션의 문제 해결 지침을 따르십시오. 센서는 유입되는 에어로졸을 정확하게 측정하기 위해 항상 평형 상태에 있어야 합니다. 그러므로, 충분히 높은 초기 에어로졸 농도가 실험 초기에 제공되어야 한다.
보충 파일 1: 이 파일은 케이블용 구멍이 있는 그림 7A 에 표시된 흐름 채널을 인쇄하기 위한 CAD(Computer-Aided Design) 파일을 나타냅니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/flow_channel.zip" target="_blank">이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.</a>
보충 파일 2: 이 파일은 그림 7A 에 표시된 흐름 채널을 구멍 없이 인쇄하기 위한 CAD 파일을 나타냅니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/flow_channel_no_holes.zip" target="_blank">이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.</a>
보충 파일 3: 이 파일은 그림 7A에 묘사된 내부 전극 홀더를 인쇄하기 위한 CAD 파일을 나타냅니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/inner_electrode_holder.zip" target="_blank">이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.</a>
보충 파일 4: 이 파일은 그림 7C (오른쪽)에 묘사된 외부 전극 홀더를 인쇄하기 위한 CAD 파일을 나타냅니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/outer_electrode_holder.zip" target="_blank">이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.</a>
보충 파일 5: 이 파일은 그림 7C (왼쪽)에 표시된 구멍 없이 흐름 채널을 인쇄하기 위한 CAD 파일을 나타냅니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/outer_electrode_holder_no_holes.zip" target="_blank">이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.</a>
보충 파일 6: 이 파일은 전극 스페이서를 인쇄하기 위한 CAD 파일을 나타냅니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/electrode_glue_spacer.zip" target="_blank">이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Additive Manufacturing-Enabled Low-Cost Particle Detector at JoVE.com

Additive Manufacturing-Enabled Low-Cost Particle Detector

여기에서는 간단하지만 효율적인 저비용 입자 검출기를 구축하고 테스트하는 방법에 대한 프로토콜을 제시합니다.

적층 제조가 가능한 저비용 입자 검출기

As particles with a size of 1 &#181;m or smaller pose a severe health risk to the human body, the detection and regulation of particle emissions are of ...

입자 배출의 감지 및 조절은 매우 중요합니다. 이 프로토콜은 누구나 간단한 입자 센서를 구축, 테스트 및 사용할 수 있기 때문에 중요합니다. 이 방법의 장점은 이러한 단순성뿐만 아니라 최소한의 장비와 최소한의 전체 비용으로 다양한 요구에 맞게 센서 모양을 조정할 수 있는 다양한 가능성에 있습니다.그을음 외에도 센서는 하전 입자의 진실성을 감지할 수 있으며 많은 응용 분야에 적합합니다. 예를 들어, 발전소, 산업 및 자동차의 산불에 대한 특정 금속 탐지. 전극 제조를 시작하려면 직경이 각각 18mm와 22mm인 두 개의 구리 파이프를 사용합니다.두 파이프의 상단에서 9mm를 측정하고 이 위치를 표시합니다. 너무 많은 힘을 가하지 않고 표시에서 파이프 절단기를 사용하여 파이프를 자릅니다. 구리 링에 너무 많은 압력을 가하지 않고 전극 표면을 긁지 않고 조심스럽게 디버링하십시오.이것은 센서의 성능에 영향을 미치는 중요한 단계입니다. 다음으로, 전극을 납땜하기 전에 구리 링을 연마하여 표면의 산화 구리 층을 제거합니다. 바이스에 납땜할 링을 고정합니다.케이블을 링에 납땜하기 전에 구리 링과 케이블을 미리 주석 처리하십시오. 빨간색 케이블을 18mm 내부 구리 링에 납땜하고 검은색 케이블을 22mm 외부 구리 링에 납땜합니다. 내부 전극 홀더를 유동 채널에 붙이고 접착제가 굳을 때까지 1시간 동안 기다립니다.그런 다음 케이블 채널을 통해 케이블을 안내하여 납땜 지점을 위한 충분한 공간이 있는지 확인합니다. 홀더에 18mm 내부 전극 링을 놓습니다. 그런 다음 케이블 채널을 통해 케이블을 공급하고 각 홀더에 22mm 외부 전극 링을 놓습니다.외부 전극 홀더를 흐름 채널에 붙입니다. 두 구리 전극 사이의 틈에 스페이서를 삽입하고 접착제가 굳을 때까지 1시간 동안 기다립니다. 에폭시 접착제로 모든 케이블 채널을 밀봉하십시오.그런 다음 접착제가 경화 될 때까지 밤새 기다리십시오. 다음날 외부 전극의 인쇄된 밸브에 진공 씰을 삽입합니다. 그런 다음 두 센서 측면을 서로 삽입한 후 진공 클램프로 고정합니다.그림과 같이 센서 설정을 구축합니다. 그렇게 하려면 먼저 고전압 전원 공급 장치를 고전압 전극의 빨간색 센서 케이블에 연결합니다. 그런 다음 검은색 센서 케이블을 벤치 멀티미터 전압 입력에 연결합니다.그런 다음 전원 공급 장치 GND로 전위계 접지 또는 GND를 수집한 후 멀티미터 USB 케이블을 PC에 연결합니다. 멀티미터가 PC에 연결되면 표시된 레이아웃에 따라 센서를 에어로졸 측정 설정에 통합합니다. 실험을 시작하기 전에 희석 브리지가 닫혀 있는지 확인하십시오. 희석 브리지 출구를 에어로졸 믹서 입구에 연결하고 에어로졸 혼합물의 출구 2개를 센서 입구에 연결합니다.고효율 미립자 흡수 또는 HEPA 필터를 센서 배출구에 연결하고 HEPA 배출구를 질량 유량 컨트롤러 또는 MFC 흡입구에 연결합니다. 와이 피팅을 사용하고 에어로졸 믹서 배출구 1과 희석 공기 흐름을 와이 피팅의 분할 끝에 연결합니다. 와이 피팅의 한쪽 끝에 기준 기기 입구를 연결합니다.에어로졸 발생기를 희석 브리지에 연결하여 희석 브리지가 닫혀 있는지 확인하여 실험을 시작합니다. 기준 기기에서 Measure(측정)를 클릭합니다. 기준 기기에 데이터를 기록하기 전에 입방 미터당 3-5밀리그램의 원하는 에어로졸 질량 농도에 도달할 때까지 희석 브리지를 천천히 엽니다.기준 기기 입자 질량 농도를 관찰하십시오. 에어로졸 소스가 안정되면 센서 전원 공급 장치를 켜십시오 1, 000 볼트 데이터 로깅을 시작합니다. 수상 돌기의 축적 및 단편화를위한 평형 상태에 도달 한 후, 센서 신호는 들어오는 그을음 농도에 비례하게되었습니다.세로축은 센서 신호를 암페어 단위로 나타내고 가로축은 기준 기기로 측정한 에어로졸 농도를 입방미터당 밀리그램으로 표시합니다. 대표 파라미터를 사용한 선형 피팅이 플롯에서 계산되었습니다. 또한, 전극 내에 그을음 다리가 형성되어 단락이 발생한 실험에서는 신호가 멈추거나 평평해지지 않고 단계적으로 가파르게 상승하는 것으로 나타났습니다.수상 돌기는 더 이상 형성되지 않았고 센서는 더 이상 평형 상태가 아니 었습니다. 전극을 매우 조심스럽게 제작하고 균일한 전극 간격을 만드는 것이 중요합니다. 신뢰할 수 있는 테스트 환경을 보장하려면 실험 설정을 설명된 대로 재현해야 합니다.이 프로토콜은 기관, 회사, 연구팀 및 시민 과학자가 이 간단한 센서 구조를 재현하고 자체 입자 감지기를 구축하도록 동기를 부여해야 합니다.

Research

JoVE Journal

Engineering

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연구

공학

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