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、電動汽車 (EV) 和電池儲能系統(tǒng) (BESS)。在智能家居、建筑和城市中，空氣質(zhì)量傳感器可以通過監(jiān)測導(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，來幫助我們確保健康和安全。在汽車中，這些傳感器可識別會引發(fā)健康問題的揮發(fā)性有機(jī)化合物 (VOC) 和高濃度 CO 2 。在電動汽車和 BESS 中，傳感器可用來檢測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、安全固件更新。它們通常需要包括多個傳感器，涵蓋廣泛的空氣質(zhì)量監(jiān)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令人生畏的過程，動不動就重新啟動，這將導(dǎo)致解決方案成本居高不下并延遲上市時間。

為了加快上市時間并控制成本，設(shè)計者可以采用傳感器模塊。這種模塊在出廠前經(jīng)過校準(zhǔn)，支持安全啟動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 或其他總線進(jìn)行本地連接。

本文首先比較光學(xué)微粒計數(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發(fā)平臺，以及 [Infineon Technologies]的配套設(shè)備，然后給出加快開發(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(shù)，如 PM2.5 和 PM10（分別對應(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)粒子計數(shù)器 (OPC) 是一種特定的 PM 技術(shù)，通過一個包含激光和光電探測器的測量室來測量空氣（圖 1）。空氣中的粒子會使激光發(fā)生散射，然后探測器則測量激光的散射光。測量結(jié)果被轉(zhuǎn)換為質(zhì)量濃度，單位為微克/立方米 (μg/m ^3^ )，并計算每立方厘米 (cm ^3^ ) 中的顆粒數(shù)量。使用 OPC 對顆粒進(jìn)行計數(shù)簡單明了，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、重量分析測量技術(shù)等其他 PM 檢測方法相比，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計算空氣中的微粒（圖片來源：Sensirion）

并非所有 OPC 都是相同的。高精度和昂貴的實驗室級 OPC 可以計算測量池中的每個顆粒?？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)來得出總體“測量值”。特別來講，像 PM10 這樣的大顆粒密度通常很低，低成本的 OPC 無法直接測量。

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。為了在測量小顆粒時的精度下測量較大的顆粒，低成本 OPC 必須整合幾個小時的數(shù)據(jù)來得出估計值。幸運的是，懸浮顆粒物在實際環(huán)境中具有相當(dāng)一致的小顆粒和大顆粒的分布情況。通過適當(dāng)設(shè)計的算法，使得利用 PM0.5、PM1.0 和 PM2.5 顆粒的測量值準(zhǔn)確估計諸如 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量粒子數(shù)，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性比例?；镜陌才嘈蛡鞲衅饔蓛蓚€電極和電解質(zhì)組成。氣體濃度通過檢測電極測量，這種電極由催化金屬組成，可優(yōu)化待測氣體的反應(yīng)。氣體通過毛細(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）。通過外部電路測量電流并確定氣體濃度。一些設(shè)計包括第三個“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)時間。

圖 2：安培型傳感器使用由電解質(zhì)隔開的兩個電極來測量氣體濃度。（圖片來源：Spec Sensor）

用于電池組的多參數(shù)傳感器

對于專門保護(hù)電動汽車和 BESS 裝置中的電池組的傳感器來說，其作用遠(yuǎn)不止監(jiān)測空氣質(zhì)量。這些傳感器將監(jiān)測壓力、空氣溫度、濕度、露點和絕對含水量，此外還監(jiān)測揮發(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到電池組內(nèi)部因排氣而引起的微小壓力增加。通過其他傳感器測量值對任何壓力增加進(jìn)行交叉檢查，來避免假陽性出現(xiàn)。

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

這種多參數(shù)傳感器還能監(jiān)測電池的過冷工作狀態(tài)。電動汽車和 BESS 中的大型電池組通常采用主動式冷卻，以保持電池組在充放電時不會過熱。如果電池組過度冷卻，內(nèi)部溫度會降至露點以下，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(diào) (HVAC) 系統(tǒng)、空氣凈化器和類似應(yīng)用設(shè)計時，可使用 Sensirion 的 [SPS30]PM 傳感器來監(jiān)測室內(nèi)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(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 10 年。SPS30 包括一個用于短距離連接的 I^2^C 接口和一個用于長于 20 cm 電纜的 UART7 接口。

為保證測量一致性，可以在預(yù)設(shè)的時間間隔內(nèi)觸發(fā)自動風(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 測量功能處于離線狀態(tài)。默認(rèn)清潔時間間隔為每周一次，但也可以設(shè)置成其他時間間隔以滿足具體的應(yīng)用要求。

開發(fā)工具包和安全啟動

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

圖 4：Sensirion 和 Infineon 的這款開發(fā)套件可以實現(xiàn)安全啟動和安全固件更新。（圖片來源：DigiKey）

電池組傳感器

電動汽車和 BESS 電池組設(shè)計者可以使用 Metis Engineering 的 [CANBSSGEN1]器件進(jìn)行電池安全監(jiān)測。這種傳感器用來檢測由于電池排氣而導(dǎo)致的早期故障。這種基于 CAN 總線的傳感器包括一個可更換空氣過濾器，且在電動汽車中特別有用（圖 5）。用戶可為這種傳感器選配加速度計，來監(jiān)測高達(dá) 24G 的沖擊和沖擊持續(xù)時間，從而使系統(tǒng)能夠識別電池組何時遭受到超過安全水平的沖擊。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 (eCO 2 ) 和 H 2 ，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/m ^3^ )。
• 露點溫度

圖 5 ：這個電池安全監(jiān)測傳感器配備了可更換的空氣過濾器（中間的白色圓圈部分）。（圖片來源：Metis Engineering）

CAN 傳感器開發(fā)套件

[DEVKGEN1V1]開發(fā)套件有助于在使用 Metis CAN 傳感器時縮短系統(tǒng)集成時間。這些傳感器包括一個可配置 CAN 總線速度和地址，以及一個 DBC CAN 數(shù)據(jù)庫，可支持集成到幾乎所有帶有 CAN 總線的車輛中。基本開發(fā)套件可以擴(kuò)展，使開發(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)計室內(nèi)和車內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)時，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(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)能力與待測氣體的體積比成線性比例，這會簡化系統(tǒng)集成（圖 6）。這種 20 x 20 x 3 mm 傳感器的其他特點包括：

• 百萬分之一 (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量各種氣體。（圖片來源：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算放大器 U2 的第 6 腳設(shè)定。運算放大器 U2 也將傳感器的電流輸出轉(zhuǎn)換為電壓信號。同時，運算放大器 U1 向?qū)﹄姌O提供與工作電極電流相等的電流。

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

總結(jié)

如圖所示，在設(shè)計環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)時，設(shè)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(jiān)測室內(nèi)外的潛在危險顆粒濃度。基于 CAN 的多傳感器系統(tǒng)可以監(jiān)測電動汽車和 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各種導(dǎo)致空氣質(zhì)量不佳的氣體。