如何使用智能型空气质量传感器监测环境
作者：Jeff Shepard
现在，采用智能型空气质量传感器进行环境监测在各种各样的应用中迅猛扩展，从智能家居、建筑和城市，到传统汽车、电动汽车 (EV) 和电池储能系统 (BESS)。在智能家居、建筑和城市中，空气质量传感器可以通过监测导致空气质量差的大气灰尘和气体，以及用于早期火灾预警的烟雾检测，来帮助我们确保健康和安全。在汽车中，这些传感器可识别会引发健康问题的挥发性有机化合物 (VOC) 和高浓度 CO2。在电动汽车和 BESS 中，传感器可用来检测电池在第一阶段排气后其外壳内的压力增加和高浓度氢气，使电池管理系统 (BMS) 能够做出反应，防止第二次排气事件或整个电池系统出现热击穿。
这些应用中使用的传感器需要外形紧凑、低功耗，并能够支持安全启动、安全固件更新。它们通常需要包括多个传感器，涵盖广泛的空气质量监测范围。将这么多功能集成在紧凑的低功耗装置中可能是一个令人生畏的过程，动不动就重新启动，这将导致解决方案成本居高不下并延迟上市时间。
为了加快上市时间并控制成本，设计者可以采用传感器模块。这种模块在出厂前经过校准，支持安全启动和固件更新并提供连接选择，具体包括将数据发送到云端或者使用 CAN 或其他总线进行本地连接。
本文首先比较光学微粒计数器、丝网印刷电化学和多参数传感器技术。本文将介绍 Sensirion、Metis Engineering 和 Spec Sensors 的空气质量传感器解决方案和开发平台，以及 Infineon Technologies 的配套设备，然后给出加快开发进程的建议。
颗粒物 (PM) 传感器提供特定颗粒尺寸的计数，如 PM2.5 和 PM10（分别对应直径为 2.5 微米和 10 微米的颗粒），以及具体应用所需的其他颗粒尺寸。光学粒子计数器 (OPC) 是一种特定的 PM 技术，通过一个包含激光和光电探测器的测量室来测量空气（图 1）。空气中的粒子会使激光发生散射，然后探测器则测量激光的散射光。测量结果被转换为质量浓度，单位为微克/立方米 (μg/m3)，并计算每立方厘米 (cm3) 中的颗粒数量。使用 OPC 对颗粒进行计数简单明了，但将该信息转换为质量浓度数字则较为复杂。用于转换的软件需要考虑如颗粒的形状和折射率等光学参数。因此，相比诸如直接的、基于重量的、重量分析测量技术等其他 PM 检测方法相比，OPC 可能存在较大不准确性。
图 1：OPC 使用激光和光电二极管来计算空气中的微粒（图片来源：Sensirion）
并非所有 OPC 都是相同的。高精度和昂贵的实验室级 OPC 可以计算测量池中的每个颗粒。可以采用成本较低的商业级 OPC，但这种 OPC 只对大约 5% 的悬浮颗粒物进行采样，并使用基于软件的估算技术来得出总体“测量值”。特别来讲，像 PM10 这样的大颗粒密度通常很低，低成本的 OPC 无法直接测量。
随着颗粒大小的增加，在一定质量的颗粒中，颗粒数量会急剧下降。与 PM1.0 颗粒的悬浮颗粒物相比，在一定的质量下，含 PM8 颗粒的悬浮颗粒物中的颗粒数是前者的 1/500 左右。为了在测量小颗粒时的精度下测量较大的颗粒，低成本 OPC 必须整合几个小时的数据来得出估计值。幸运的是，悬浮颗粒物在实际环境中具有相当一致的小颗粒和大颗粒的分布情况。通过适当设计的算法，使得利用 PM0.5、PM1.0 和 PM2.5 颗粒的测量值准确估计诸如 PM4.0 和 PM10 等较大颗粒的数量成为可能。
安培型气体传感器
安培型传感器不是测量粒子数，而是测量气体浓度。这种传感器是电化学器件，产生的电流与被测气体的体积比成线性比例。基本的安培型传感器由两个电极和电解质组成。气体浓度通过检测电极测量，这种电极由催化金属组成，可优化待测气体的反应。气体通过毛细管扩散屏障进入传感器后与传感电极发生反应。反电极作为半电池，使电路完整（图 2）。通过外部电路测量电流并确定气体浓度。一些设计包括第三个“参考”电极，以提高稳定性、信噪比，并加快基本安培型传感器的响应时间。
图 2：安培型传感器使用由电解质隔开的两个电极来测量气体浓度。（图片来源：Spec Sensor）
用于电池组的多参数传感器
对于专门保护电动汽车和 BESS 装置中的电池组的传感器来说，其作用远不止监测空气质量。这些传感器将监测压力、空气温度、湿度、露点和绝对含水量，此外还监测挥发性有机化合物 (VOC)，如甲烷 (CH4)、乙烯 (C2H4)、氢气 (H2)、一氧化碳 (CO) 和二氧化碳 (CO2) 等。在电池排气的第一阶段，采用镍锰和钴阴极的普通锂离子电池的气体产物中含有已知的化学成分（图 3）。氢气浓度至关重要；如果接近 4%，即氢气的爆炸下限，就有可能发生爆炸或火灾。此时应采取措施，防止电池进入热击穿状态。压力传感器可以检测到电池组内部因排气而引起的微小压力增加。通过其他传感器测量值对任何压力增加进行交叉检查，来避免假阳性出现。
图 3：特定的混合气体是电池第一阶段排气的特征（图片来源：Metis Engineering）。
这种多参数传感器还能监测电池的过冷工作状态。电动汽车和 BESS 中的大型电池组通常采用主动式冷却，以保持电池组在充放电时不会过热。如果电池组过度冷却，内部温度会降至露点以下，导致电池组内部凝结。这种现象有可能使电池短路并导致热击穿。在电池端子上出现冷凝水之前，露点传感器向 BMS 发出警报信号。
激光 AQ 传感器
进行供热、通风和空调 (HVAC) 系统、空气净化器和类似应用设计时，可使用 Sensirion 的 SPS30 PM 传感器来监测室内外的空气质量。SPS 传感器可测量 PM1.0、PM2.5、PM4 和 PM10 的质量浓度，以及 PM0.5、PM1.0、PM2.5、PM4 和 PM10 的颗粒数量。该传感器的质量浓度精度为 ±10%，质量浓度范围为 0 至 1000μg/m3，使用寿命超过 10 年。SPS30 包括一个用于短距离连接的 I2C 接口和一个用于长于 20 cm 电缆的 UART7 接口。
为保证测量一致性，可以在预设的时间间隔内触发自动风扇清洁模式。风扇清洁功能将风扇加速到最大速度并持续 10 秒，吹尽聚集的灰尘。风扇清洁期间，PM 测量功能处于离线状态。默认清洁时间间隔为每周一次，但也可以设置成其他时间间隔以满足具体的应用要求。
开发工具包和安全启动
用户可通过 SEK-SPS30 空气质量监测传感器评估板将 SPS30 与 PC 连接，开始了解这款 PM 传感器的功能。此外，Digi-Key 提供了一个平台，将 Sensirion 的空气质量传感器与 Infineon 的 PSoC 6 MCU 组合在一起，开发下一代智能型空气质量监测系统。对于注重隐私的智能建筑系统，PSoC 6 支持安全启动和安全固件更新（图 4）。
图 4：Sensirion 和 Infineon 的这款开发套件可以实现安全启动和安全固件更新。（图片来源：Digi-Key）
电池组传感器
电动汽车和 BESS 电池组设计者可以使用 Metis Engineering 的 CANBSSGEN1 器件进行电池安全监测。这种传感器用来检测由于电池排气而导致的早期故障。这种基于 CAN 总线的传感器包括一个可更换空气过滤器，且在电动汽车中特别有用（图 5）。用户可为这种传感器选配加速度计，来监测高达 24G 的冲击和冲击持续时间，从而使系统能够识别电池组何时遭受到超过安全水平的冲击。这种传感器可以测量：
0.2 至 5.5 巴的绝对压力
-30℃ 至 +120℃ 的空气温度
VOC、等效 CO2 (eCO2) 和 H2，单位为十亿分之一 (ppb)
绝对湿度，单位为毫克水蒸气每立方米 (mg/m3)。
露点温度
图 5 ：这个电池安全监测传感器配备了可更换的空气过滤器（中间的白色圆圈部分）。（图片来源：Metis Engineering）
CAN 传感器开发套件
DEVKGEN1V1 开发套件有助于在使用 Metis CAN 传感器时缩短系统集成时间。这些传感器包括一个可配置 CAN 总线速度和地址，以及一个 DBC CAN 数据库，可支持集成到几乎所有带有 CAN 总线的车辆中。基本开发套件可以扩展，使开发者能够将更多的传感器添加到 CAN 网络中。
室内空气质量传感器
设计室内和车内空气质量监测系统时，可以使用 SPEC Sensors 的 110-801 器件。110-801 是一款丝网印刷安培型气体传感器，可以检测各种导致不良空气质量的气体，包括酒精、氨气、一氧化碳和各种有气味的气体和硫化物。这些传感器的响应能力与待测气体的体积比成线性比例，这会简化系统集成（图 6）。这种 20 x 20 x 3 mm 传感器的其他特点包括：
百万分之一 (ppm) 的灵敏度
传感器功耗小于 10 μW
-10°C 至 +40°C 的工作温度范围（0°C 至 +40°C 的连续工作温度）
在多种污染物存在的情况下运行可靠、稳定
图 6：这种丝网印刷安培型气体传感器可以测量各种气体。（图片来源：Spec Sensor）
安培型气体传感器的集成
恒电位仪电路控制安培型气体传感器中的工作电极电位，并将电极电流转换为输出电压（图 7）。运算放大器 U1 的第 2 引脚电压设定参考电极电压，工作电极的电位由运算放大器 U2 的第 6 脚设定。运算放大器 U2 也将传感器的电流输出转换为电压信号。同时，运算放大器 U1 向对电极提供与工作电极电流相等的电流。
图 7：恒电位仪的简化电路，用于使用安培型传感器检测气体。（图片来源：Spec Sensor）
总结
如图所示，在设计环境监测系统时，设计者可以在一系列空气质量传感器技术中进行选择。OPC 可用于监测室内外的潜在危险颗粒浓度。基于 CAN 的多传感器系统可以监测电动汽车和 BESS 电池组的第一阶段排气，并有助于防止热击穿和可能发生的火灾或爆炸。低功率、丝网印刷安培型气体传感器可用于检测各种导致空气质量不佳的气体。
