Name: additive manufacturing-enabled low-cost particle detector
Uploaded: 2023-03-24T12:50:00
Duration: 6 min 5 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Additive Manufacturing-Enabled Low-Cost Particle Detector at JoVE.com

Эта работа была профинансирована Центром COMET «ASSIC-Австрийский исследовательский центр интеграции интеллектуальных систем». ASSIC совместно финансируется BMK, BMDW и австрийскими провинциями Каринтия и Штирия в рамках программы COMET-Competence Centers for Excellent Technologies Австрийского агентства по содействию исследованиям (FFG).

<ol>
	<li>World Health Organization. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Health+Effects+of+Particulate+Matter:+Policy+Implications+for+Countries+in+Eastern+Europe,+Caucasus+and+Central+Asia.">Health Effects of Particulate Matter: Policy Implications for Countries in Eastern Europe, Caucasus and Central Asia.</a> World Health Organization. , (2013).</li><li>Giechaskiel, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Review+of+motor+vehicle+particulate+emissions+sampling+and+measurement:+From+smoke+and+filter+mass+to+particle+number.">Review of motor vehicle particulate emissions sampling and measurement: From smoke and filter mass to particle number.</a> Journal of Aerosol Science. 67, 48-86 (2014).</li><li>Giechaskiel, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurement+of+automotive+nonvolatile+particle+number+emissions+within+the+European+legislative+framework:+a+review.">Measurement of automotive nonvolatile particle number emissions within the European legislative framework: a review.</a> Aerosol Science and Technology. 46 (7), 719-749 (2012).</li><li>Bainschab, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measuring+sub-23+nanometer+real+driving+particle+number+emissions+using+the+portable+DownToTen+sampling+system.">Measuring sub-23 nanometer real driving particle number emissions using the portable DownToTen sampling system.</a> Journal of Visualized Experiments. (159), e61287 (2020).</li><li>Wang, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+novel+optical+instrument+for+estimating+size+segregated+aerosol+mass+concentration+in+real+time.">A novel optical instrument for estimating size segregated aerosol mass concentration in real time.</a> Aerosol Science and Technology. 43 (9), 939-950 (2009).</li><li>Axmann, H., Bergmann, A., Eichberger, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurement+of+ultrafine+exhaust+particles+using+light+scattering.">Measurement of ultrafine exhaust particles using light scattering.</a> 2013 Seventh International Conference on Sensing Technology (ICST). IEEE. , 937-941 (2013).</li><li>Berm&#250;dez, V., Luj&#225;n, J. M., Serrano, J. R., Pla, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transient+particle+emission+measurement+with+optical+techniques.">Transient particle emission measurement with optical techniques.</a> Measurement Science and Technology. 19 (6), 065404 (2008).</li><li>Michelsen, H. A., Schulz, C., Smallwood, G. J., Will, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laser-induced+incandescence:+Particulate+diagnostics+for+combustion,+atmospheric,+and+industrial+applications.">Laser-induced incandescence: Particulate diagnostics for combustion, atmospheric, and industrial applications.</a> Progress in Energy and Combustion Science. 51, 2-48 (2015).</li><li>Giechaskiel, B., Cresnoverh, M., J&#246;rgl, H., Bergmann, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Calibration+and+accuracy+of+a+particle+number+measurement+system.">Calibration and accuracy of a particle number measurement system.</a> Measurement Science and Technology. 21 (4), 045102 (2010).</li><li>Kulkarni, P., Baron, P. A., Willeke, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Aerosol Measurement: Principles, Techniques, and Applications. , (2011).</li><li>Agarwal, J. K., Sem, G. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Continuous+flow,+single-particle-counting+condensation+nucleus+counter.">Continuous flow, single-particle-counting condensation nucleus counter.</a> Journal of Aerosol Science. 11 (4), 343-357 (1980).</li><li>Bilby, D., Kubinski, D. J., Maricq, M. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Current+amplification+in+an+electrostatic+trap+by+soot+dendrite+growth+and+fragmentation:+Application+to+soot+sensors.">Current amplification in an electrostatic trap by soot dendrite growth and fragmentation: Application to soot sensors.</a> Journal of Aerosol Science. 98, 41-58 (2016).</li><li>Warey, A., Hall, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Performance+characteristics+of+a+new+on-board+engine+exhaust+particulate+matter+sensor.">Performance characteristics of a new on-board engine exhaust particulate matter sensor.</a> SAE Transactions. 114 (14), 1489-1497 (2005).</li><li>Maricq, M. M., Bilby, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+impact+of+voltage+and+flow+on+the+electrostatic+soot+sensor+and+the+implications+for+its+use+as+a+diesel+particulate+filter+monitor.">The impact of voltage and flow on the electrostatic soot sensor and the implications for its use as a diesel particulate filter monitor.</a> Journal of Aerosol Science. 124, 41-53 (2018).</li><li>Diller, T. T., Hall, M. J., Matthews, R. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Further+development+of+an+electronic+particulate+matter+sensor+and+its+application+to+diesel+engine+transients.">Further development of an electronic particulate matter sensor and its application to diesel engine transients.</a> SAE Technical Paper. , (2008).</li></ol>

Автор работает в Silicon Austria Labs и является студентом Технического университета Граца. Других конфликтов интересов, о которых можно было бы заявлять, нет.

Критические шаги Постобработка печати Практически любой шаг в этом протоколе может быть приостановлен или отложен, за исключением постобработки только что напечатанных 3D-деталей (шаг протокола 1.5). Если экран защиты от ультрафиолета принтера открыт, постобработка должна начаться немедленно, иначе мелкие кабельные каналы, а также полость для пломбы засорятся. Прецизионная посадка полости обеспечивает герметичную герметизацию датчика. Это важно, потому что датчик очень чувствителен к колебаниям потока. Процесс упрочнения также важен (этап протокола 1.4); Если температура установлена слишком высокой, материал становится слишком хрупким и может сломаться под действием сил, оказываемых зажимом на внешний электрододержатель.
Производство электродов Тщательная резка и удаление заусенцев (этапы протокола 2.2-2.3) электродов очень важны, поскольку неровности в зазоре между электродами вызывают возмущения в электрическом и скоростном полях, что приводит к снижению производительности датчика. В худшем случае сильная неравномерность может привести к тому, что электроды подойдут так близко, что напряжение пробоя будет превышено, и произойдет короткое замыкание. С этого момента нельзя делать никаких заявлений об измерительном сигнале, и измерительная электроника подвержена повреждениям.
Собрание Сборка датчика (этапы протокола 3.4-3.6) имеет решающее значение, так как это создает зазор между электродами. Как уже было сказано выше, расстояние между электродами очень важно; Этот зазор должен быть равномерно 1 мм по всей длине. Эти шаги важны, потому что они могут кардинально изменить электрическое поле в датчике. На общее поведение осаждения, а также на образование дендритов может влиять изменение электрического поля. Таким образом, больше нельзя гарантировать, что реакция датчика будет линейной по отношению к входящему аэрозолю. Здесь также применим наихудший сценарий короткого замыкания.
Изменения 3D-печать Другими возможными модификациями являются использование различных смол для 3D-печати. На рынке существует множество различных смол, которые могут изменять плотность, гибкость, термостойкость и прочность корпуса датчика.
Размеры датчика Первым критерием проектирования датчика является конфигурация безопасности. Диэлектрическая прочность воздуха между электродами составляет 3 мм/кВ. Эта длина ни в коем случае не должна быть подрезана. Чем выше электрический потенциал, тем больше частиц осаждается, и эти осажденные частицы затем склонны образовывать дендриты. Размеры электродов были подобраны таким образом, чтобы можно было использовать легкодоступные стандартные компоненты. В известных авторам конструкциях подобных датчиков использовались следующие размеры для плоского датчика: ширина 9 мм, длина 2 мм, зазор 1 мм и длина 15 мм, диаметр 8,5 мм и зазор 1,3 мм для цилиндрической конструкции12,13. Кроме того, следует убедиться, что датчик может быть изготовлен вручную в обычной мастерской. Зазор в 1 мм — это абсолютный минимальный зазор, который позволяет очищать датчик вручную. Здесь 1 кВ был использован как хороший компромисс между безопасностью и эффективным осаждением частиц, а также наличием источников напряжения в этом диапазоне.
Электроды Поскольку точное расстояние в 1 мм между электродами датчика имеет решающее значение для производительности, на этом этапе можно провести еще большую разработку. Например, приспособление, напечатанное на 3D-принтере, можно сделать еще более точным, или вместо простого трубореза можно использовать токарный станок для резки и удаления заусенцев, если оборудование доступно. Другой вариант — использовать пилу вместо трубореза. В этом случае края пилы после этого необходимо отшлифовать. Этот метод вызывает меньшую деформацию, чем труборез, но занимает больше времени. По сравнению с эпоксидным клеем, силикон дает кабелям больше места для перемещения, и становится легче перемещать электроды. Однако, поскольку кабели имеют больше места для перемещения, запечатать датчик сложнее. Вместо вакуумного зажима, который легче открыть сразу, также возможна самодельная конструкция. Здесь в 3D-дизайне должны быть изменены только отверстия для некоторых винтов и полость для уплотнительного шнура.
МФЦ MFC определяет, сколько аэрозоля всасывается через датчик; остальные должны иметь возможность сливаться через перелив с помощью HEPA-фильтра, размещенного в конце перелива, чтобы избежать загрязнения помещения. При выборе менее дорогого насоса вместо MFC более высокие колебания расхода будут отрицательно влиять на сигнал датчика.
Мост разбавления Как показано на рисунке 9, разводной мост может быть построен с помощью простого игольчатого клапана, параллельного одному или нескольким фильтрам HEPA. Другие конструкции включают в себя небольшие тиски для сжатия трубки вместо игольчатого клапана. Преимущество этой конструкции заключается в том, что трубку легче чистить. Чем больше витков у таких тисков, тем тоньше можно регулировать концентрацию. Это особенно важно для калибровочных измерений, где следует избегать высокой динамики.
Настольный мультиметр Настольный мультиметр измеряет напряжение, которое необходимо разделить на величину внутреннего сопротивления для получения правильного значения тока. В зависимости от выбранного диапазона измерения (например, 100 В) это значение внутреннего сопротивления может варьироваться (например, 1 МОм). Важно выбрать определенный диапазон, чтобы значение внутреннего сопротивления было одинаковым для всех измеренных значений. Если выбран «автоматический диапазон», необходимо отслеживать и значение внутреннего сопротивления.
Устранение неполадок 3D-принтер Если принтер останавливается, следует проверить бак на наличие остатков последнего отпечатка; Миксер часто застревает. Следует наблюдать за первыми минутами процесса печати. Если он забит, это происходит либо из-за того, что не были установлены правильные настройки слайсера, либо из-за того, что свежий отпечаток не был сохранен в условиях защиты от ультрафиолета перед последующей обработкой. В настройках слайсера никакие точки опоры не должны закрывать проточный канал и пространство между электродами, а перед отправкой файла на принтер необходимо снять флажок с внутренней опорной конструкции.
Источник аэрозоля + мостик разбавления Если источник аэрозоля кажется нестабильным, следует проверить все фильтры HEPA, чтобы убедиться, что они находятся в правильном положении и не засорены. Кроме того, аэрозольный генератор, а также эталонный прибор должны быть проверены, чтобы убедиться, что они завершили фазу прогрева.
Датчик Наиболее распространенные неисправности вызваны недостаточным подключением к источнику питания, утечкой воздуха на датчике или когда осажденные частицы образуют сажевые мостики между электродами. Сначала датчик открывают, чтобы проверить, не образовались ли между электродами мостики сажи. Источник питания необходимо выключить перед отсоединением кабелей датчика и открытием датчика. Мостики сажи хорошо видны невооруженным глазом и могут быть удалены без особых усилий. Для удаления мостиков сажи лучше всего использовать оптическую чистящую салфетку или безворсовый ватный тампон.
Утечка, изменяющая поведение потока в датчике, а также более низкое напряжение на электродах могут изменить сигнал датчика. Невозможно заранее сказать, какая из этих проблем ответственна за неожиданную реакцию датчика. Поэтому важно проверить как герметичность, так и стабильность напряжения следующим образом. Сначала проверяется подключение кабеля к электродам (шаг протокола 4.4). Затем проверяется источник напряжения, чтобы убедиться, что он выдает ожидаемые напряжения. Утечку воздуха лучше всего определить с помощью спрея утечки. В дополнение к этому, герметичность также может быть проверена с помощью вакуумного насоса, как описано в шаге протокола 4.4.2.
Ограничения Ограничение электростатического датчика хорошо описано Maricq et al.14. В своей работе они подчеркивают важность стабильного источника напряжения и стабильного потока датчика для работы датчика. По этой причине для управления потоком всегда следует использовать установку с MFC или насосом, как описано на рисунке 10. Кроме того, датчику требуется больше времени, чтобы достичь равновесия во время первого теста. В дальнейших экспериментах, где стабильная популяция дендритов поселилась на электродах, количество времени для запуска датчика сокращается. Однако следует в целом отметить, что датчику всегда требуется время запуска для ввода в эксплуатацию в зависимости от начальной концентрации.
В отличие от плоской конструкции, как в Bilby et al., дрейф датчика не является серьезной проблемой в этом цилиндрическом расположении12. Тем не менее, быстрые изменения концентрации при низких концентрациях частиц по-прежнему трудно обнаружить с помощью датчика. Как указывают Diller et al. и Maricq et al., для значимого измерительного сигнала измеренное значение усредняется за 2-10 мин, в зависимости от того, насколько сильно изменяется поток в эксперименте14,15.
При наклоне 2,8нАм3/мг и стандартном отклонении ±1,4 нА отклонение от линии регрессии на рисунке 11 является высоким. Для лучшего понимания точности датчика рекомендуется сравнить несколько экспериментов. Для повторных экспериментов наклон составляет 3,5 нАм 3/мг со стандартным отклонением ±1,0 нА и 4,9 нАм3/мг со стандартным отклонением ± 0,6 нА. Кроме того, датчик будет давать очень высокие показания в момент включения источника напряжения. Это начальное значение отфильтровывается из данных измерений.
Преимущество представленного здесь метода заключается не только в простоте, но и в универсальных возможностях адаптации формы датчика к различным потребностям. Поэтому, помимо сажи, датчик может обнаруживать большое количество заряженных частиц и подходит для широкого спектра применений, например, для обнаружения твердых частиц на электростанциях, лесных пожарах, в промышленности и автомобилях. Эта статья должна стать стимулом для агентств, компаний, исследовательских групп, гражданских ученых и всех, кто интересуется обнаружением твердых частиц, воспроизвести это простое руководство по изготовлению датчика и создать свой собственный детектор частиц.

<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

Поскольку частицы размером 1 мкм и менее представляют серьезную опасность для здоровья человеческого организма, обнаружение и регулирование выбросов частиц имеют большое значение. Значительная доля выбросов твердых частиц приходится на транспортный сектор. Большинство коммерчески доступных детекторов частиц громоздки, очень дороги и нуждаются в дополнительном оборудовании. В этой статье представлен протокол для создания и тестирования автономного детектора частиц, который является небольшим и экономичным. 
Основное внимание в этой статье уделяется описанию подробного руководства по строительству с видео и процедурой оценки датчиков. Модель датчика для автоматизированного проектирования включена в дополнительный материал. В руководстве описаны все этапы строительства, от 3D-печати до полностью работоспособного датчика. Датчик может обнаруживать заряженные частицы и поэтому подходит для широкого спектра применений. Возможной областью применения может быть обнаружение сажи на электростанциях, лесных пожарах, промышленных предприятиях и автомобилях.

Точная корреляция сигнала датчика с массой твердых частиц зависит от распределения заряда частиц и распределения по размерам, а также от состава аэрозоля. Поэтому датчик должен быть откалиброван для конкретного применения с помощью эталонного прибора. В этом разделе объясняется, как сравнить новый датчик с эталонным прибором.
Начальная фаза датчика занимает примерно 5-10 минут, в зависимости от выбранной концентрации частиц. На начальном этапе сигнал датчика значительно увеличивается, в то время как датчик подвергается воздействию постоянной концентрации частиц. После фазы запуска сигнал датчика стабилизируется. На этом этапе достигается состояние равновесия для накопления и фрагментации дендритов, и сигнал датчика пропорционален входящей концентрации сажи. После этой фазы инициализации датчик готов измерять любые изменения концентрации аэрозоля.
Данные измерений, показанные на рисунке 11 , начинаются с момента, когда датчик находится в вышеупомянутом состоянии равновесия. Чтобы рассчитать ток датчика в амперах, собранные данные в вольтах необходимо разделить на значение внутреннего сопротивления для получения правильного значения тока.
На вертикальной оси показан сигнал датчика в амперах, а на горизонтальной оси - концентрация аэрозоля, измеренная эталонным прибором в мг/м3. Линейная подгонка с ее репрезентативными параметрами также приведена на графике. Высокая погрешность измеряемых данных обусловлена высокой динамикой при корректировке концентрации с помощью мостика разбавления. Параметры линейной подгонки: значение R 2 0,80, пересечение -0,53 нА и наклон2,80 нАм3/мг со стандартным отклонением 1,4нА.
<img alt="Figure 11" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64844/64844fig11.jpg"> Рисунок 11: Положительные результаты. Сигнал датчика отображается на вертикальной оси в амперах, тогда как концентрация частиц, измеренная эталонным прибором в мг/м3, строится на горизонтальной оси. Кроме того, на график добавляется линейная подгонка с наиболее важными параметрами. Параметры линейной подгонки: значение R 2 0,80, пересечение -0,53нА и наклон2,80 нАм3/мг. Пожалуйста, <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/64844fig11large.jpg" target="_blank">нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a>
Существует также вероятность того, что частицы забивают путь между электродами, и в этом случае между электродами образуются токопроводящие мостики сажи. Поскольку сажа является проводящим материалом, эти мостики сажи образуют короткое замыкание между электродами. Измеренный сигнал быстро возрастает с увеличением толщины проводящего тракта, до такой степени, что напряжение становится настолько высоким, что вольтметр может быть поврежден. Пример эксперимента с формированием сажевых мостиков можно увидеть на рисунке 12. Сигнал поднимается очень крутыми прыжками/шагами и не останавливается и не сглаживается. Дендриты также больше не образуются, и датчик больше не находится в состоянии равновесия. В этом случае необходимо немедленно отключить источник высокого напряжения, очистить датчик и начать новое измерение.
<img alt="Figure 12" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64844/64844fig12.jpg"> Рисунок 12: Отрицательный результат. Во время измерения произошло короткое замыкание. Сигнал датчика в амперах наносится на вертикальную ось, а время измерения - на горизонтальную ось. Сигнал датчика продолжает увеличиваться без ограничений. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/64844fig12large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a>
Если отображается ровная линия, а ток датчика вообще не повышается до значения выше 1 нА, следуйте инструкциям по поиску и устранению неисправностей в разделе обсуждения. Датчик должен постоянно находиться в состоянии равновесия, чтобы точно измерять входящий аэрозоль; Поэтому в начале эксперимента необходимо обеспечить достаточно высокую начальную концентрацию аэрозоля.
Дополнительный файл 1: Этот файл представляет собой файл автоматизированного проектирования (САПР) для печати проточного канала, изображенного на рисунке 7A , с отверстиями для кабеля. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/flow_channel.zip" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.</a>
Дополнительный файл 2: Этот файл представляет собой файл САПР для печати канала потока, изображенного на рисунке 7A , без отверстий. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/flow_channel_no_holes.zip" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.</a>
Дополнительный файл 3: Этот файл представляет собой файл САПР для распечатки внутреннего электрододержателя, изображенного на рисунке 7A. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/inner_electrode_holder.zip" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.</a>
Дополнительный файл 4: Этот файл представляет собой файл САПР для распечатки внешнего электрододержателя, изображенного на рисунке 7C (справа). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/outer_electrode_holder.zip" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.</a>
Дополнительный файл 5: Этот файл представляет собой файл САПР для распечатки канала потока без отверстий, изображенных на рисунке 7C (слева). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/outer_electrode_holder_no_holes.zip" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.</a>
Дополнительный файл 6: Этот файл представляет собой файл САПР для печати прокладки электрода. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/electrode_glue_spacer.zip" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.</a>

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

Additive Manufacturing-Enabled Low-Cost Particle Detector

Здесь мы представляем протокол о том, как создать и протестировать простой, но эффективный недорогой детектор частиц.

Недорогой детектор частиц с поддержкой аддитивного производства

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 ...

Большое значение имеет обнаружение и регулирование выбросов твердых частиц. Протокол имеет большое значение, потому что он позволяет любому создать, протестировать и использовать простой датчик частиц. Преимущество метода заключается не только в этой простоте, но и в универсальных возможностях адаптации формы датчика к различным потребностям с минимальным оборудованием и минимальными общими затратами.Помимо сажи, датчик может обнаруживать частицы заряженных частиц и подходит для многих применений. Например, обнаружение конкретных металлов для электростанций, лесных пожаров в промышленности и автомобилях. Для начала изготовления электродов берут две медные трубы, имеющие диаметры 18 миллиметров и 22 миллиметра соответственно.Измерьте девять миллиметров от верхней части обеих труб и отметьте эти положения. Разрежьте трубы труборезом на разметке, не прилагая слишком больших усилий. Аккуратно удалите заусенцы с медных колец, не оказывая на них слишком большого давления и не царапая поверхности электродов.Это критически важный шаг, влияющий на производительность датчиков. Далее перед пайкой электродов отполируйте медные кольца, чтобы избавиться от окисленного слоя меди на поверхностях. Зажмите кольцо, подлежащее пайке, в тисках.Предварительно протригайте медное кольцо и кабель перед пайкой кабеля к кольцу. Припаяйте красный кабель к 18-миллиметровому внутреннему медному кольцу, а черный кабель — к 22-миллиметровому внешнему медному кольцу. Вставьте внутренний держатель электрода в проточный канал и подождите один час, чтобы клей затвердел.Затем проведите кабель через кабельный канал, убедившись, что достаточно места для точки пайки. Поместите 18-миллиметровое внутреннее кольцо электрода на держатель. Затем подайте кабель через кабельный канал и поместите 22-миллиметровое внешнее кольцо электрода на соответствующий держатель.Приклейте внешний электрододержатель к проточному каналу. Вставьте прокладку в зазор между двумя медными электродами и подождите один час, чтобы клей затвердел. Заклейте все кабельные каналы эпоксидным клеем.Затем подождите ночь, пока клей застынет. На следующий день вставьте вакуумное уплотнение в печатный клапан внешнего электрода. Затем, вставив две стороны датчика друг в друга, закрепите их вакуумным зажимом.Настройте датчик, как показано на рисунке. Для этого сначала подключите высоковольтный источник питания к красному кабелю датчика высоковольтного электрода. Затем подключите черный кабель датчика к входу напряжения настольного мультиметра.Далее после сбора электрометра на землю или GND с блоком питания GND подключите USB-кабель мультиметра к ПК. После подключения мультиметра к ПК включите датчик в установку измерения аэрозоля в соответствии с показанной схемой. Перед началом эксперимента убедитесь, что мост разбавления закрыт. Подсоедините выпускное отверстие моста разрежения к входному отверстию аэрозольного смесителя и выведите два выхода аэрозольной смеси во входное отверстие датчика.Подключите высокоэффективный фильтр для поглощения твердых частиц или HEPA-фильтр к выходному отверстию датчика, а выходное отверстие HEPA — к контроллеру массового расхода или входному отверстию MFC. Используйте фитинг и подсоедините выпускной штуцер аэрозольного смесителя и поток разбавляющего воздуха к разделенному концу штуцера. К единственному концу штуцера подсоедините входное отверстие эталонного прибора.Начните эксперимент с подключения аэрозольного генератора к мосту разбавления, убедившись, что мост разбавления закрыт. Нажмите кнопку «Измерить» на эталонном инструменте. Медленно откройте мост разбавления до тех пор, пока не будет достигнута желаемая массовая концентрация аэрозоля от трех до пяти миллиграммов на кубический метр, прежде чем регистрировать данные на эталонном приборе.Наблюдайте за массовой концентрацией частиц эталонного прибора. Когда источник аэрозоля стабилен, включите питание датчика на 1 000 вольт и начните регистрировать данные. После достижения равновесного состояния накопления и фрагментации дендритов сигнал датчика стал пропорционален входящей концентрации сажи.Вертикальная ось показывает сигнал датчика в амперах, а горизонтальная ось показывает концентрацию аэрозоля, измеренную эталонным прибором в миллиграммах на кубический метр. На основе графика была рассчитана линейная подгонка с ее репрезентативными параметрами. Кроме того, эксперимент, в котором произошло короткое замыкание из-за образования мостиков сажи внутри электродов, показал, что сигнал круто поднимается ступенчато, не останавливаясь и не сглаживаясь.Дендриты больше не образовывались, и датчик больше не находился в состоянии равновесия. Очень важно очень тщательно изготовить электроды и создать равномерный зазор между электродами. Для обеспечения надежной тестовой среды экспериментальная установка должна быть воспроизведена так, как показано на рисунке.Этот протокол должен мотивировать агентства, компании, исследовательские группы и гражданских ученых воспроизвести эту простую конструкцию датчика и создать свой собственный детектор частиц.

Research

JoVE Journal

Engineering

Echo Particle Image Velocimetry

Эхо Velocimetry Particle Image

The transport of mass, momentum, and energy in fluid flows is ultimately determined by spatiotemporal distributions of the fluid velocity field.1 ...

High-speed Particle Image Velocimetry Near Surfaces

Высокоскоростной скорости Изображения Частиц Рядом Поверхности

Multi-dimensional and transient flows play a key role in many areas of science, engineering, and health sciences but are often not well understood. The ...

Micro-masonry for 3D Additive Micromanufacturing

Микро-кладки для 3D аддитивного Micromanufacturing

Transfer printing is a method to transfer solid micro/nanoscale materials (herein called &#8216;inks&#8217;) from a substrate where they are generated to ...

Development of an Experimental Setup for the Measurement of the Coefficient of Restitution under Vacuum Conditions

Разработка экспериментальной установки для измерения коэффициента восстановления в условиях вакуума

The Discrete Element Method is used for the simulation of particulate systems to describe and analyze them, to predict and afterwards optimize their ...

Flow-assisted Dielectrophoresis: A Low Cost Method for the Fabrication of High Performance Solution-processable Nanowire Devices

При содействии потока диэлектрофореза: Низкая стоимость метод для изготовления высокой производительности решения обрабатываемых нанопроволоки устройств

Flow-assisted dielectrophoresis (DEP) is an efficient self-assembly method for the controllable and reproducible positioning, alignment, and selection of ...

Additive Manufacturing of Functionally Graded Ceramic Materials by Stereolithography

Аддитивные производства функционально градуированных керамических материалов, стереолитографии

An additive manufacturing technology is applied to obtain functionally graded ceramic parts. This technology, based on digital light ...

Simultaneous Measurement of Turbulence and Particle Kinematics Using Flow Imaging Techniques

Одновременное измерение турбулентности и Кинематика частицы с помощью потока, методы визуализации

Numerous problems in scientific and engineering fields involve understanding the kinematics of particles in turbulent flows, such as contaminants, marine ...

Quantifying the Relative Thickness of Conductive Ferromagnetic Materials Using Detector Coil-Based Pulsed Eddy Current Sensors

Количественная оценка относительной толщины проводящих ферромагнитных материалов с использованием детектора катушки на основе пульсированных текущих датчиков

Thickness quantification of conductive ferromagnetic materials by means of non-destructive evaluation (NDE) is a crucial component of structural health ...

Low-cost Custom Fabrication and Mode-locked Operation of an All-normal-dispersion Femtosecond Fiber Laser for Multiphoton Microscopy

Низкозатратные пользовательские изготовления и режим-заблокированоперации все-нормально-дисперсионный фемтосекундный лазер волокна для мультифотон микроскопии

A protocol is presented to build a custom low-cost yet high-performance femtosecond (fs) fiber laser. This all-normal-dispersion (ANDi) ytterbium-doped ...

Manufacturing, Control, and Performance Evaluation of a Gecko-Inspired Soft Robot

Производство, управление и оценка производительности мягкого робота в стиле Гекко

This protocol presents a method for manufacturing, control, and evaluation of the performance of a soft robot that can climb inclined flat surfaces with ...