使用智能型空氣質(zhì)量傳感器達到環(huán)境監(jiān)測

使用智能型空氣質(zhì)量傳感器的環(huán)境監(jiān)測逐漸拓展到諸多應用，從智能家庭、大樓與城市，以致于傳統(tǒng)汽車和電動汽車（EV），以及電池儲能系統(tǒng)（BESS）。在智能家庭、大樓和城市中，空氣質(zhì)量傳感器可監(jiān)測空氣中有損空氣質(zhì)量的粒子與氣體，藉此確保健康與安全，也可用于煙霧偵測，提供火災預警。在乘客車廂中，這些傳感器可偵測有健康疑慮的揮發(fā)性有機化合物（VOC）和高濃度CO2。
在電動車和BESS應用中，則可在電池外殼中偵測壓力增加以及氫氣含量升高的情況，接著讓電池進入第一段排氣，如此即可讓電池管理系統(tǒng)（BMS）有所因應，并且避免發(fā)生第二段排氣，或整個電池系統(tǒng)熱失控。
這些應用中的傳感器必須小巧、低功耗，更要支持安全啟動和安全韌體更新。通常還要含有多個傳感器，以便涵蓋多種空氣質(zhì)量監(jiān)測項目。將這些功能集結到一個小巧的低功耗單元中，這個過程可能令人膽怯、容易重新來過，因此會讓解決方案的成本升高，并且延誤上市時間。
為了加快上市時間并控制成本，設計人員可以轉(zhuǎn)用經(jīng)過工廠校準的傳感器模塊，并且支持安全啟動和韌體更新，更有提供聯(lián)機選項，包括將數(shù)據(jù)傳送到云端，或使用CAN或其他總線進行本地連接。
本文首先會比較光學微粒計數(shù)器、網(wǎng)印電化學和多重參數(shù)的傳感器技術，并且介紹來自 Sensirion、Metis Engineering 與 Spec Sensors 的空氣質(zhì)量傳感器解決方案以及開發(fā)平臺，還有英飛凌（ Infineon） 的輔助裝置，并且提供相關建議，以便加快開發(fā)流程。
懸浮微粒（PM）傳感器可計算特定尺寸粒子的數(shù)量，如PM2.5和PM10，其分別對應直徑2.5微米和10微米的粒子，也可依據(jù)應用需求提供其他尺寸粒子的數(shù)量。光學粒子計數(shù)器（OPC）是一種特定的PM技術，會將受測空氣移動，通過一個含有雷射與光偵測器的測量槽（圖一）。
空氣中的粒子會將來自鐳射的光線打散，偵測器則可測量散射光。測量值會轉(zhuǎn)換成以每立方米微克（ug/m3）為單位的質(zhì)量濃度，并計算每立方公分（cm3）的粒子數(shù)量。使用OPC計算粒子數(shù)量很簡單，但要將該信息轉(zhuǎn)換成質(zhì)量濃度值則較為復雜。用于轉(zhuǎn)換的軟件需要考慮微粒的光學參數(shù)，如形狀和折射率。因此，與其他PM感測方法 （如直接、重量式、重力式技術）相比，OPC可能有更高的不準確率。


 
圖一 : OPC使用鐳射和光電二極管來計算空氣中的粒子數(shù)。（source：Sensirion）

并非所有OPC都相同。高準確度且昂貴的實驗室等級OPC就可計算測量槽中的每個粒子。市售的較低成本商業(yè)級OPC僅可對5%的氣溶膠粒子進行采樣，并使用軟件式估算技術來達到整體「測量」。尤其是像PM10這樣的大粒子，其密度通常非常低，無法用低成本的OPC直接測量。
隨著粒子尺寸增大，指定粒子質(zhì)量中的粒子數(shù)量會急劇下降。與PM1.0粒子的氣溶膠相比，具有PM8粒子的氣溶膠，在指定質(zhì)量下的粒子數(shù)量減少了約500倍。為了用與小粒子相同的準確度測量較大的粒子，低成本的OPC必須將幾個小時內(nèi)的數(shù)據(jù)整合才能得出估計值。幸好，在現(xiàn)實環(huán)境中，氣溶膠中的大小粒子分布相當均勻。只要用正確設計的算法，就可利用PM0.5、PM1.0和PM2.5粒子的測量值，準確估計較大粒子 （如PM4.0和PM10）的數(shù)量。

電流式氣體傳感器
電流式傳感器不會測量粒子數(shù)量，而是測量氣體濃度。這些電化學裝置可產(chǎn)生與受測氣體體積分率呈線性比例的電流?；镜碾娏魇絺鞲衅饔蓛蓚€電極和一個電解質(zhì)組成。感測電極會測量氣體濃度，此電極由催化金屬組成，可將受測氣體的反應優(yōu)化。
氣體在進入傳感器后，會通過毛細管擴散障壁，與感測電極發(fā)生反應。反電極可當作半電池，讓電路更完備（圖二）。外部電路會測量電流，并且判定氣體濃度。在某些設計中，甚至會納入第三個「參考」電極，以提高基本電電流式傳感器的穩(wěn)定性、信噪比并加快反應時間。

 
圖二 : 電流式傳感器可測量氣體濃度，其中使用的兩個電極由電解質(zhì)隔開。（source：Spec Sensor）

電池組用的多重參數(shù)傳感器
監(jiān)測空氣質(zhì)量只是傳感器在電動車和BESS設備中用來保護電池組的初步任務。這些傳感器會監(jiān)測壓力、空氣溫度、濕度、露點和絕對含水量，也會監(jiān)測揮發(fā)性有機化合物（VOC），如甲烷（CH4）、乙烯（C2H4）、氫氣（H2）、一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）。
在電池排氣的第一階段，常見鋰離子電池中的鎳錳和鈷陰極會產(chǎn)生氣態(tài)產(chǎn)物，其中有已知的化學成分（圖三）。氫氣濃度相當關鍵；如果接近氫的爆炸下限4%，則有可能爆炸或起火。應采取措施避免電池進入熱失控狀態(tài)。壓力傳感器可以在電池組中偵測因排氣所引起的小幅度壓力上升現(xiàn)象。用其他傳感器的測量值來交叉檢查壓力上升情況，就可避免誤警。


 
圖三 : 電池排氣的第一階段有個特征就是出現(xiàn)特定的氣體混合物（source： Metis Engineering）

這種多重參數(shù)傳感器還可以監(jiān)測工作溫度過低的情況。電動車和BESS中的大型電池組通常含有主動散熱功能，可防止電池組在充電或放電時過熱。如果降溫太多，內(nèi)部溫度會降至露點以下，導致電池組內(nèi)部冷凝，有可能會引發(fā)電池短路而造成熱失控。露點傳感器會在電池端子上累積冷凝前發(fā)出警報。

鐳射AQ傳感器
暖通空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)、空氣清凈機和類似應用的設計人員可以使用Sensirion 的 SPS30 PM傳感器來監(jiān)測室內(nèi)或戶外的空氣質(zhì)量。SPS傳感器可測量PM1.0、PM2.5、PM4和PM10的質(zhì)量濃度，以及PM0.5、PM1.0、PM2.5、PM4和PM10的粒子數(shù)量。質(zhì)量濃度的精度為±10%，質(zhì)量濃度范圍介于0至1000 ug/m3，使用壽命超過十年。SPS30含有一個用于短距連接的I2C接口，以及一個用于長度超過20 cm纜線的UART7接口。
自動風扇清潔模式可依據(jù)默認間隔時間觸發(fā)，以確保測量的一致性。風扇清潔時會將風扇加速到最高速并持續(xù)10秒，以清除積聚的灰塵。PM測量功能會在風扇清潔期間脫機。預設的清潔間隔時間為每周，但可以設定其他間隔時間，以滿足特定的應用要求。

開發(fā)工具包和安全啟動
SEK-SPS30 空氣質(zhì)量監(jiān)測傳感器評估板可用于將SPS30連接至PC，即可開始探索此PM傳感器的功能。此外，Digi-Key提供了一個平臺，可將Sensirion的空氣質(zhì)量傳感器與英飛凌的PSoC 6 MCU互相結合，開發(fā)新一代的智能型空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。對于注重隱私的智能大樓系統(tǒng)，PSoC 6可支持安全啟動和安全韌體更新（圖四）。


 
圖四 : 結合Sensirion和英飛凌技術的這款開發(fā)工具包可以實作安全啟動和安全韌體更新。（source：Digi-Key）

電池組傳感器
電動車和BESS電池組的設計人員可以使用Metis Engineering的 CANBSSGEN1 進行電池安全監(jiān)測，此設計可偵測電池排氣引起的早期故障。這種采用CAN總線的傳感器含有一個可更換的空氣過濾器，在電動車中特別有用?？蛇x配加速計，即可監(jiān)測最高24G的沖擊和沖擊持續(xù)時間，以便系統(tǒng)判別電池組何時暴露于超出安全程度的沖擊。

CAN傳感器開發(fā)工具包
DEVKGEN1V1 開發(fā)工具包有助于縮短與Metis CAN傳感器搭配的系統(tǒng)整合時間。此傳感器含有可設定的CAN總線速度和地址，并具有DBC CAN數(shù)據(jù)庫，可支持整合到幾乎各種具有CAN總線的車輛?；鹃_發(fā)工具包可以擴充，以便開發(fā)人員在CAN網(wǎng)絡中添加更多傳感器。

室內(nèi)空氣質(zhì)量傳感器
室內(nèi)和車內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設計人員可以使用SPEC Sensors的 110-801。110-801是一款網(wǎng)印電流式氣體傳感器，可以偵測與不良空氣質(zhì)量相關的多種氣體，包括醇類、氨、一氧化碳、多種臭氣和硫化物。這些傳感器的反應與受測氣體的體積分率呈線性比例，這可簡化系統(tǒng)整合作業(yè)。

電流式氣體傳感器的整合
恒電位器電路會在電流式氣體傳感器中控制工作電極的電位，并將電極電流轉(zhuǎn)換成輸出電壓（圖五）。運算放大器U1的第2引腳上的電壓會設定成參考電極電壓，工作電極的電位則由運算放大器U2的第6引腳設定。運算放大器U2還會將傳感器的電流輸出轉(zhuǎn)換成電壓訊號。同時，運算放大器U1會將電流供應給反電極（等于工作電極電流）。


圖五 : 簡化的恒電位器電路可利用電流式傳感器來實作氣體偵測。（source：Spec Sensors）

總結
如本文所述，設計人員在設計環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)時，有多種空氣質(zhì)量傳感器技術可供挑選。OPC可用于監(jiān)測室內(nèi)和戶外的潛在危險粒子濃度。基于CAN的多重傳感器系統(tǒng)則可監(jiān)測電動車和BESS電池組中的第一階段排氣，有助于避免熱失控以及火災或爆炸的可能性。低功耗的網(wǎng)印電流式氣體傳感器可用于偵測導致空氣質(zhì)量不良的多種氣體。

（本文作者Barley Li為Digi-Key Electronics亞太區(qū)技術內(nèi)容部門應用工程經(jīng)理）