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來(lái)源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard 現在，采用智能型空氣質(zhì)量傳感器進(jìn)行環(huán)境監測在各種各樣的應用中迅猛擴展，從智能家居、建筑和城市，到傳統汽車(chē)、電動(dòng)汽車(chē) (EV) 和電池儲能系統 (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)監測導致空氣質(zhì)量差的大氣灰塵和氣體，以及用于早期火災預警的煙霧檢測，來(lái)幫助我們確保健康和安全。在汽車(chē)中，這些傳感器可識別會(huì )引發(fā)健康問(wèn)題的揮發(fā)性有機化合物 (VOC) 和高濃度 CO2。在電動(dòng)汽車(chē)和 BESS 中，傳感器可用來(lái)檢測電池在第一階段排氣后其外殼內的壓力增加和高濃度氫氣，使電池管理系統 (BMS) 能夠做出反應，防止第二次排氣事件或整個(gè)電池系統出現熱擊穿。 這些應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)量監測范圍。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，設計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，支持安全啟動(dòng)和固件更新并提供連接選擇，具體包括將數據發(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)微粒計數器、絲網(wǎng)印刷電化學(xué)和多參數傳感器技術(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，以及 Infineon Technologies 的配套設備，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數，如 PM2.5 和 PM10（分別對應直徑為 2.5 微米和 10 微米的顆粒），以及具體應用所需的其他顆粒尺寸。光學(xué)粒子計數器 (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器的測量室來(lái)測量空氣（圖 1）�？諝庵械牧Ｗ訒�(huì )使激光發(fā)生散射，然后探測器則測量激光的散射光。測量結果被轉換為質(zhì)量濃度，單位為微克/立方米 (μg/m3)，并計算每立方厘米 (cm3) 中的顆粒數量。使用 OPC 對顆粒進(jìn)行計數簡(jiǎn)單明了，但將該信息轉換為質(zhì)量濃度數字則較為復雜。用于轉換的軟件需要考慮如顆粒的形狀和折射率等光學(xué)參數。因此，相比諸如直接的、基于重量的、重量分析測量技術(shù)等其他 PM 檢測方法相比，OPC 可能存在較大不準確性。 
圖 1：OPC 使用激光和光電二極管來(lái)計算空氣中的微粒（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)驗室級 OPC 可以計算測量池中的每個(gè)顆粒�？梢圆捎贸杀据^低的商業(yè)級 OPC，但這種 OPC 只對大約 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)法直接測量。 隨著(zhù)顆粒大小的增加，在一定質(zhì)量的顆粒中，顆粒數量會(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是前者的 1/500 左右。為了在測量小顆粒時(shí)的精度下測量較大的顆粒，低成本 OPC 必須整合幾個(gè)小時(shí)的數據來(lái)得出估計值。幸運的是，懸浮顆粒物在實(shí)際環(huán)境中具有相當一致的小顆粒和大顆粒的分布情況。通過(guò)適當設計的算法，使得利用 PM0.5、PM1.0 和 PM2.5 顆粒的測量值準確估計諸如 PM4.0 和 PM10 等較大顆粒的數量成為可能。 安培型氣體傳感器 安培型傳感器不是測量粒子數，而是測量氣體濃度。這種傳感器是電化學(xué)器件，產(chǎn)生的電流與被測氣體的體積比成線(xiàn)性比例�；镜陌才嘈蛡鞲衅饔蓛蓚�(gè)電極和電解質(zhì)組成。氣體濃度通過(guò)檢測電極測量，這種電極由催化金屬組成，可優(yōu)化待測氣體的反應。氣體通過(guò)毛細管擴散屏障進(jìn)入傳感器后與傳感電極發(fā)生反應。反電極作為半電池，使電路完整（圖 2）。通過(guò)外部電路測量電流并確定氣體濃度。一些設計包括第三個(gè)“參考”電極，以提高穩定性、信噪比，并加快基本安培型傳感器的響應時(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)測量氣體濃度。（圖片來(lái)源：Spec Sensor） 用于電池組的多參數傳感器 對于專(zhuān)門(mén)保護電動(dòng)汽車(chē)和 BESS 裝置中的電池組的傳感器來(lái)說(shuō)，其作用遠不止監測空氣質(zhì)量。這些傳感器將監測壓力、空氣溫度、濕度、露點(diǎn)和絕對含水量，此外還監測揮發(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) 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。此時(shí)應采取措施，防止電池進(jìn)入熱擊穿狀態(tài)。壓力傳感器可以檢測到電池組內部因排氣而引起的微小壓力增加。通過(guò)其他傳感器測量值對任何壓力增加進(jìn)行交叉檢查，來(lái)避免假陽(yáng)性出現。
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）。 這種多參數傳感器還能監測電池的過(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，內部溫度會(huì )降至露點(diǎn)以下，導致電池組內部凝結。這種現象有可能使電池短路并導致熱擊穿。在電池端子上出現冷凝水之前，露點(diǎn)傳感器向 BMS 發(fā)出警報信號。 激光 AQ 傳感器 進(jìn)行供熱、通風(fēng)和空調 (HVAC) 系統、空氣凈化器和類(lèi)似應用設計時(shí)，可使用 Sensirion 的 SPS30 PM 傳感器來(lái)監測室內外的空氣質(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 的顆粒數量。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/m3，使用壽命超過(guò) 10 年。SPS30 包括一個(gè)用于短距離連接的 I2C 接口和一個(gè)用于長(cháng)于 20 cm 電纜的 UART7 接口。 為保證測量一致性，可以在預設的時(shí)間間隔內觸發(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 10 秒，吹盡聚集的灰塵。風(fēng)扇清潔期間，PM 測量功能處于離線(xiàn)狀態(tài)。默認清潔時(shí)間間隔為每周一次，但也可以設置成其他時(shí)間間隔以滿(mǎn)足具體的應用要求。 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)量監測傳感器評估板將 SPS30 與 PC 連接，開(kāi)始了解這款 PM 傳感器的功能。此外，Digi-Key 提供了一個(gè)平臺，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)量監測系統。對于注重隱私的智能建筑系統，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)現安全啟動(dòng)和安全固件更新。（圖片來(lái)源：Digi-Key） 電池組傳感器 電動(dòng)汽車(chē)和 BESS 電池組設計者可以使用 Metis Engineering 的 CANBSSGEN1 器件進(jìn)行電池安全監測。這種傳感器用來(lái)檢測由于電池排氣而導致的早期故障。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，來(lái)監測高達 24G 的沖擊和沖擊持續時(shí)間，從而使系統能夠識別電池組何時(shí)遭受到超過(guò)安全水平的沖擊。這種傳感器可以測量： · 0.2 至 5.5 巴的絕對壓力 · -30℃ 至 +120℃ 的空氣溫度 · VOC、等效 CO2 (eCO2) 和 H2，單位為十億分之一 (ppb) · 絕對濕度，單位為毫克水蒸氣每立方米 (mg/m3)。 · 露點(diǎn)溫度
圖 5 ：這個(gè)電池安全監測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 數據庫，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)套件可以擴展，使開(kāi)發(fā)者能夠將更多的傳感器添加到 CAN 網(wǎng)絡(luò )中。 室內空氣質(zhì)量傳感器 設計室內和車(chē)內空氣質(zhì)量監測系統時(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，可以檢測各種導致不良空氣質(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。這些傳感器的響應能力與待測氣體的體積比成線(xiàn)性比例，這會(huì )簡(jiǎn)化系統集成（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 的連續工作溫度） · 在多種污染物存在的情況下運行可靠、穩定
圖 6：這種絲網(wǎng)印刷安培型氣體傳感器可以測量各種氣體。（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，并將電極電流轉換為輸出電壓（圖 7）。運算放大器 U1 的第 2 引腳電壓設定參考電極電壓，工作電極的電位由運算放大器 U2 的第 6 腳設定。運算放大器 U2 也將傳感器的電流輸出轉換為電壓信號。同時(shí)，運算放大器 U1 向對電極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氣體。（圖片來(lái)源：Spec Sensor） 總結 如圖所示，在設計環(huán)境監測系統時(shí)，設計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 可用于監測室內外的潛在危險顆粒濃度�；� CAN 的多傳感器系統可以監測電動(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)生的火災或爆炸。低功率、絲網(wǎng)印刷安培型氣體傳感器可用于檢測各種導致空氣質(zhì)量不佳的氣體。 |
