如何使用智能型空氣質(zhì)量傳感器監(jiān)測(cè)環(huán)境

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

現(xiàn)在，采用智能型空氣質(zhì)量傳感器進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)在各種各樣的應(yīng)用中迅猛擴(kuò)展，從智能家居、建筑和城市，到傳統(tǒng)汽車(chē)、電動(dòng)汽車(chē) (EV) 和電池儲(chǔ)能系統(tǒng) (BESS)。在智能家居、建筑和城市中，空氣質(zhì)量傳感器可以通過(guò)監(jiān)測(cè)導(dǎo)致空氣質(zhì)量差的大氣灰塵和氣體，以及用于早期火災(zāi)預(yù)警的煙霧檢測(cè)，來(lái)幫助我們確保健康和安全。在汽車(chē)中，這些傳感器可識(shí)別會(huì)引發(fā)健康問(wèn)題的揮發(fā)性有機(jī)化合物 (VOC) 和高濃度 CO 2 。在電動(dòng)汽車(chē)和 BESS 中，傳感器可用來(lái)檢測(cè)電池在第一階段排氣后其外殼內(nèi)的壓力增加和高濃度氫氣，使電池管理系統(tǒng) (BMS) 能夠做出反應(yīng)，防止第二次排氣事件或整個(gè)電池系統(tǒng)出現(xiàn)熱擊穿。

這些應(yīng)用中使用的傳感器需要外形緊湊、低功耗，并能夠支持安全啟動(dòng)、安全固件更新。它們通常需要包括多個(gè)傳感器，涵蓋廣泛的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)范圍。將這么多功能集成在緊湊的低功耗裝置中可能是一個(gè)令人生畏的過(guò)程，動(dòng)不動(dòng)就重新啟動(dòng)，這將導(dǎo)致解決方案成本居高不下并延遲上市時(shí)間。

為了加快上市時(shí)間并控制成本，設(shè)計(jì)者可以采用傳感器模塊。這種模塊在出廠(chǎng)前經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，支持安全啟動(dòng)和固件更新并提供連接選擇，具體包括將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端或者使用 CAN 或其他總線(xiàn)進(jìn)行本地連接。

本文首先比較光學(xué)微粒計(jì)數(shù)器、絲網(wǎng)印刷電化學(xué)和多參數(shù)傳感器技術(shù)。本文將介紹 [Sensirion]、[Metis Engineering]和 [Spec Sensors]的空氣質(zhì)量傳感器解決方案和開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以及 [Infineon Technologies]的配套設(shè)備，然后給出加快開(kāi)發(fā)進(jìn)程的建議。

顆粒物 (PM) 傳感器提供特定顆粒尺寸的計(jì)數(shù)，如 PM2.5 和 PM10（分別對(duì)應(yīng)直徑為 2.5 微米和 10 微米的顆粒），以及具體應(yīng)用所需的其他顆粒尺寸。光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器 (OPC) 是一種特定的 PM 技術(shù)，通過(guò)一個(gè)包含激光和光電探測(cè)器的測(cè)量室來(lái)測(cè)量空氣（圖 1）?？諝庵械牧Ｗ訒?huì)使激光發(fā)生散射，然后探測(cè)器則測(cè)量激光的散射光。測(cè)量結(jié)果被轉(zhuǎn)換為質(zhì)量濃度，單位為微克/立方米 (μg/m ^3^ )，并計(jì)算每立方厘米 (cm ^3^ ) 中的顆粒數(shù)量。使用 OPC 對(duì)顆粒進(jìn)行計(jì)數(shù)簡(jiǎn)單明了，但將該信息轉(zhuǎn)換為質(zhì)量濃度數(shù)字則較為復(fù)雜。用于轉(zhuǎn)換的軟件需要考慮如顆粒的形狀和折射率等光學(xué)參數(shù)。因此，相比諸如直接的、基于重量的、重量分析測(cè)量技術(shù)等其他 PM 檢測(cè)方法相比，OPC 可能存在較大不準(zhǔn)確性。

圖 1：OPC 使用激光和光電二極管來(lái)計(jì)算空氣中的微粒（圖片來(lái)源：Sensirion）

并非所有 OPC 都是相同的。高精度和昂貴的實(shí)驗(yàn)室級(jí) OPC 可以計(jì)算測(cè)量池中的每個(gè)顆粒?？梢圆捎贸杀据^低的商業(yè)級(jí) OPC，但這種 OPC 只對(duì)大約 5% 的懸浮顆粒物進(jìn)行采樣，并使用基于軟件的估算技術(shù)來(lái)得出總體“測(cè)量值”。特別來(lái)講，像 PM10 這樣的大顆粒密度通常很低，低成本的 OPC 無(wú)法直接測(cè)量。

隨著顆粒大小的增加，在一定質(zhì)量的顆粒中，顆粒數(shù)量會(huì)急劇下降。與 PM1.0 顆粒的懸浮顆粒物相比，在一定的質(zhì)量下，含 PM8 顆粒的懸浮顆粒物中的顆粒數(shù)是前者的 1/500 左右。為了在測(cè)量小顆粒時(shí)的精度下測(cè)量較大的顆粒，低成本 OPC 必須整合幾個(gè)小時(shí)的數(shù)據(jù)來(lái)得出估計(jì)值。幸運(yùn)的是，懸浮顆粒物在實(shí)際環(huán)境中具有相當(dāng)一致的小顆粒和大顆粒的分布情況。通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)的算法，使得利用 PM0.5、PM1.0 和 PM2.5 顆粒的測(cè)量值準(zhǔn)確估計(jì)諸如 PM4.0 和 PM10 等較大顆粒的數(shù)量成為可能。

安培型氣體傳感器

安培型傳感器不是測(cè)量粒子數(shù)，而是測(cè)量氣體濃度。這種傳感器是電化學(xué)器件，產(chǎn)生的電流與被測(cè)氣體的體積比成線(xiàn)性比例。基本的安培型傳感器由兩個(gè)電極和電解質(zhì)組成。氣體濃度通過(guò)檢測(cè)電極測(cè)量，這種電極由催化金屬組成，可優(yōu)化待測(cè)氣體的反應(yīng)。氣體通過(guò)毛細(xì)管擴(kuò)散屏障進(jìn)入傳感器后與傳感電極發(fā)生反應(yīng)。反電極作為半電池，使電路完整（圖 2）。通過(guò)外部電路測(cè)量電流并確定氣體濃度。一些設(shè)計(jì)包括第三個(gè)“參考”電極，以提高穩(wěn)定性、信噪比，并加快基本安培型傳感器的響應(yīng)時(shí)間。

圖 2：安培型傳感器使用由電解質(zhì)隔開(kāi)的兩個(gè)電極來(lái)測(cè)量氣體濃度。（圖片來(lái)源：Spec Sensor）

用于電池組的多參數(shù)傳感器

對(duì)于專(zhuān)門(mén)保護(hù)電動(dòng)汽車(chē)和 BESS 裝置中的電池組的傳感器來(lái)說(shuō)，其作用遠(yuǎn)不止監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量。這些傳感器將監(jiān)測(cè)壓力、空氣溫度、濕度、露點(diǎn)和絕對(duì)含水量，此外還監(jiān)測(cè)揮發(fā)性有機(jī)化合物 (VOC)，如甲烷 (CH 4 )、乙烯 (C2H 4 )、氫氣 (H 2 )、一氧化碳 (CO) 和二氧化碳 (CO 2 ) 等。在電池排氣的第一階段，采用鎳錳和鈷陰極的普通鋰離子電池的氣體產(chǎn)物中含有已知的化學(xué)成分（圖 3）。氫氣濃度至關(guān)重要；如果接近 4%，即氫氣的爆炸下限，就有可能發(fā)生爆炸或火災(zāi)。此時(shí)應(yīng)采取措施，防止電池進(jìn)入熱擊穿狀態(tài)。壓力傳感器可以檢測(cè)到電池組內(nèi)部因排氣而引起的微小壓力增加。通過(guò)其他傳感器測(cè)量值對(duì)任何壓力增加進(jìn)行交叉檢查，來(lái)避免假陽(yáng)性出現(xiàn)。

圖 3：特定的混合氣體是電池第一階段排氣的特征（圖片來(lái)源：Metis Engineering）。

這種多參數(shù)傳感器還能監(jiān)測(cè)電池的過(guò)冷工作狀態(tài)。電動(dòng)汽車(chē)和 BESS 中的大型電池組通常采用主動(dòng)式冷卻，以保持電池組在充放電時(shí)不會(huì)過(guò)熱。如果電池組過(guò)度冷卻，內(nèi)部溫度會(huì)降至露點(diǎn)以下，導(dǎo)致電池組內(nèi)部凝結(jié)。這種現(xiàn)象有可能使電池短路并導(dǎo)致熱擊穿。在電池端子上出現(xiàn)冷凝水之前，露點(diǎn)傳感器向 BMS 發(fā)出警報(bào)信號(hào)。

激光 AQ 傳感器

進(jìn)行供熱、通風(fēng)和空調(diào) (HVAC) 系統(tǒng)、空氣凈化器和類(lèi)似應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)，可使用 Sensirion 的 [SPS30]PM 傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)室內(nèi)外的空氣質(zhì)量。[SPS 傳感器]可測(cè)量 PM1.0、PM2.5、PM4 和 PM10 的質(zhì)量濃度，以及 PM0.5、PM1.0、PM2.5、PM4 和 PM10 的顆粒數(shù)量。該傳感器的質(zhì)量濃度精度為 ±10%，質(zhì)量濃度范圍為 0 至 1000μg/m ^3^ ，使用壽命超過(guò) 10 年。SPS30 包括一個(gè)用于短距離連接的 I^2^C 接口和一個(gè)用于長(zhǎng)于 20 cm 電纜的 UART7 接口。

為保證測(cè)量一致性，可以在預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔內(nèi)觸發(fā)自動(dòng)風(fēng)扇清潔模式。風(fēng)扇清潔功能將風(fēng)扇加速到最大速度并持續(xù) 10 秒，吹盡聚集的灰塵。風(fēng)扇清潔期間，PM 測(cè)量功能處于離線(xiàn)狀態(tài)。默認(rèn)清潔時(shí)間間隔為每周一次，但也可以設(shè)置成其他時(shí)間間隔以滿(mǎn)足具體的應(yīng)用要求。

開(kāi)發(fā)工具包和安全啟動(dòng)

用戶(hù)可通過(guò) [SEK-SPS30]空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)傳感器評(píng)估板將 SPS30 與 PC 連接，開(kāi)始了解這款 PM 傳感器的功能。此外，DigiKey 提供了一個(gè)[平臺(tái)]，將 Sensirion 的空氣質(zhì)量傳感器與 Infineon 的 PSoC 6 MCU 組合在一起，開(kāi)發(fā)下一代智能型空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。對(duì)于注重隱私的智能建筑系統(tǒng)，PSoC 6 支持安全啟動(dòng)和安全固件更新（圖 4）。

圖 4：Sensirion 和 Infineon 的這款開(kāi)發(fā)套件可以實(shí)現(xiàn)安全啟動(dòng)和安全固件更新。（圖片來(lái)源：DigiKey）

電池組傳感器

電動(dòng)汽車(chē)和 BESS 電池組設(shè)計(jì)者可以使用 Metis Engineering 的 [CANBSSGEN1]器件進(jìn)行電池安全監(jiān)測(cè)。這種傳感器用來(lái)檢測(cè)由于電池排氣而導(dǎo)致的早期故障。這種基于 CAN 總線(xiàn)的傳感器包括一個(gè)可更換空氣過(guò)濾器，且在電動(dòng)汽車(chē)中特別有用（圖 5）。用戶(hù)可為這種傳感器選配加速度計(jì)，來(lái)監(jiān)測(cè)高達(dá) 24G 的沖擊和沖擊持續(xù)時(shí)間，從而使系統(tǒng)能夠識(shí)別電池組何時(shí)遭受到超過(guò)安全水平的沖擊。這種傳感器可以測(cè)量：

• 0.2 至 5.5 巴的絕對(duì)壓力
• -30℃ 至 +120℃ 的空氣溫度
• VOC、等效 CO2 (eCO 2 ) 和 H 2 ，單位為十億分之一 (ppb)
• 絕對(duì)濕度，單位為毫克水蒸氣每立方米 (mg/m ^3^ )。
• 露點(diǎn)溫度

圖 5 ：這個(gè)電池安全監(jiān)測(cè)傳感器配備了可更換的空氣過(guò)濾器（中間的白色圓圈部分）。（圖片來(lái)源：Metis Engineering）

CAN 傳感器開(kāi)發(fā)套件

[DEVKGEN1V1]開(kāi)發(fā)套件有助于在使用 Metis CAN 傳感器時(shí)縮短系統(tǒng)集成時(shí)間。這些傳感器包括一個(gè)可配置 CAN 總線(xiàn)速度和地址，以及一個(gè) DBC CAN 數(shù)據(jù)庫(kù)，可支持集成到幾乎所有帶有 CAN 總線(xiàn)的車(chē)輛中?；鹃_(kāi)發(fā)套件可以擴(kuò)展，使開(kāi)發(fā)者能夠?qū)⒏嗟膫鞲衅魈砑拥?CAN 網(wǎng)絡(luò)中。

室內(nèi)空氣質(zhì)量傳感器

設(shè)計(jì)室內(nèi)和車(chē)內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，可以使用 SPEC Sensors 的 [110-801]器件。110-801 是一款絲網(wǎng)印刷安培型氣體傳感器，可以檢測(cè)各種導(dǎo)致不良空氣質(zhì)量的氣體，包括酒精、氨氣、一氧化碳和各種有氣味的氣體和硫化物。這些傳感器的響應(yīng)能力與待測(cè)氣體的體積比成線(xiàn)性比例，這會(huì)簡(jiǎn)化系統(tǒng)集成（圖 6）。這種 20 x 20 x 3 mm 傳感器的其他特點(diǎn)包括：

• 百萬(wàn)分之一 (ppm) 的靈敏度
• 傳感器功耗小于 10 μW
• -10°C 至 +40°C 的工作溫度范圍（0°C 至 +40°C 的連續(xù)工作溫度）
• 在多種污染物存在的情況下運(yùn)行可靠、穩(wěn)定

圖 6：這種絲網(wǎng)印刷安培型氣體傳感器可以測(cè)量各種氣體。（圖片來(lái)源：Spec Sensor）

安培型氣體傳感器的集成

恒電位儀電路控制安培型氣體傳感器中的工作電極電位，并將電極電流轉(zhuǎn)換為輸出電壓（圖 7）。運(yùn)算放大器 U1 的第 2 引腳電壓設(shè)定參考電極電壓，工作電極的電位由運(yùn)算放大器 U2 的第 6 腳設(shè)定。運(yùn)算放大器 U2 也將傳感器的電流輸出轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。同時(shí)，運(yùn)算放大器 U1 向?qū)﹄姌O提供與工作電極電流相等的電流。

圖 7：恒電位儀的簡(jiǎn)化電路，用于使用安培型傳感器檢測(cè)氣體。（圖片來(lái)源：Spec Sensor）

總結(jié)

如圖所示，在設(shè)計(jì)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)者可以在一系列空氣質(zhì)量傳感器技術(shù)中進(jìn)行選擇。OPC 可用于監(jiān)測(cè)室內(nèi)外的潛在危險(xiǎn)顆粒濃度?；?CAN 的多傳感器系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)電動(dòng)汽車(chē)和 BESS 電池組的第一階段排氣，并有助于防止熱擊穿和可能發(fā)生的火災(zāi)或爆炸。低功率、絲網(wǎng)印刷安培型氣體傳感器可用于檢測(cè)各種導(dǎo)致空氣質(zhì)量不佳的氣體。