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室内空气质量如何?Sensirion传感器帮你一探究竟

作者:时间:2022-11-23来源:Mouser收藏

今天,当我们查询电气预报时,除了阴晴雨雪和温度这些常规的信息之外,还会对“大气污染指数”格外关注,因为大家都知道,空气质量的优劣与人们的身体健康息息相关。不过你是否意识到,当我们普遍对“宏观”的室外空气质量变得越发在意时,对于“微观”的室内空气质量也需要投以同样的,甚至是更多的关注。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202211/440726.htm


室内空气质量(Indoor Air Quality,IAQ)之所以更重要,是因为有研究数据表明,人们约80%到90%的时间都是在封闭的室内度过的——这些“室内”空间不仅限于家庭,还包括办公室、建筑、公共场所,以及交通工具等——因此一旦室内空气质量不佳,对人们健康的负面影响也更为严重。


而且,随着人们对于减少建筑能耗的诉求越来越强烈,现代建筑的密闭性也越来越好,这在减少室内冷气或暖气耗散到室外的同时,也使得室内空气的流通和置换速度减慢,这也会进一步加速室内污染物的聚集,导致空气质量变差。


有数据显示,室内空气污染是室外空气污染的5倍,室内空气质量也已经被列为危害公众健康的五大环境风险之一。因此,关注和改善室内空气质量的工作刻不容缓。


室内空气质量的关键指标


为了改善室内空气质量,一方面人们通过制定相关的法规和标准,划定室内空气质量的“红线”;另一方面,人们也在努力尝试通过更有效的技术手段,去优化空气质量,比如通过空调新风系统加速室内空气的流通,以物理或化学的方法吸附污染物或对其进行无害化的“中和”处理……但所有这些举措的前提,都是要对室内空气质量进行一个准确的测量。


一般来讲,衡量室内空气质量的好坏,需要监测以下几个重要的指标:


CO2(二氧化碳)


人类新陈代谢活动会吸入氧气并呼出二氧化碳,因此在封闭空间中,二氧化碳浓度与人类活动和人员密度相关,因此往往被作为空气质量优劣的标志性指标。空气中的二氧化碳浓度过高,会影响人体二氧化碳的排出和氧气的摄入,可能会导致头痛、困倦、精神萎靡等症状,或者是减弱身体抵御病原体的能力,危害健康。


氮氧化物


氮氧化物主要由化石燃料燃烧产生,会造成颗粒污染。特别是二氧化氮(NO2),会对呼吸系统造成损害。因此空气中氮氧化物浓度升高,会对人们的肺功能产生不利影响。


甲醛


甲醛是一种无色的刺激性气体,通常存在于装修材料、家具、油漆以及织物中,因此在新装修的室内空间中十分常见。较高浓度的甲醛会导致眼睛、呼吸系统的不适,长期暴露在这样的环境中还可能引发癌症等更严重的疾患。


VOC(挥发性有机化合物)


VOC是在室温或更高温度下蒸发的含碳物质。短期接触VOC,会刺激身体、导致头晕或引发哮喘;长期接触VOC,则可能会导致肺癌或损害肝脏、肾脏或神经系统。


颗粒物


主要是指一些微米级别的颗粒物,常见的如灰尘、尘螨、霉菌或花粉等,它们会导致过敏反应和诱发呼吸系统、心血管疾病。有些致病的病毒或病菌也会附着在这些细小的颗粒物上,随它们进入人体,导致疾病的传播和流行。


温湿度


温湿度也是室内空气质量的一个重要风向标。一般认为,40-60%的相对湿度是人类理想的舒适度范围,如果超出这个范围——极度干燥的空气会刺激呼吸道,而过于潮湿的空气会导致冷凝,进而引发霉菌滋生,这都会成为置身室内的处于不健康或亚健康状态的主要诱因。


掌握了上述这些关键的指标数据,你就可以对室内空气质量心知肚明,进而及时触发优化空气质量的设备,提供一个健康、舒适的室内环境。


感测室内空气质量的


当然,对于这些室内空气质量的感知和洞察,离不开能够精准测量这些关键指标参数的。人们对室内空气质量的关注,也为相关的提供了用武之地。


如果说人们对室内空气质量有什么要求,那么排在第一位的肯定是“测得准”,毕竟能够提供及时、精准地测量,是一款优秀产品的基本功。不过针对室内空气测量这个应用场景,“测得准”并不是唯一的设计要求,除此之外其他的一些特性也同样十分关键。


小型化:外形紧凑的传感器,可非常方便地部署在室内空间中,或被整合进越来越多的智能设备内,实现无处不在的室内空气监测和感知。


高集成:在实现小型化的同时,越来越多的传感器被设计成一个包含完整系统的模组形态,更加方便集成和应用。同时,在单一传感器模组内集成多种传感器,实现多指标参数的测量,也是室内空气质量传感器发展的一个重要趋势。


低成本:考虑到这些传感器会被应用在很多消费级的产品中,因此在性能和成本上达到一个合理的平衡,也十分重要。


耐用性:这其中有两个含义:一是传感器需要具有出色的可靠性和鲁棒性,在长期工作中提供稳定的测量;二是需要具有低功耗的特性,以支持更长的续航能力和低维护性的需要。


易开发:为了便于与室内空气质量相关的整个自动化系统的开发,很多传感器都提供数字化的数据接口。此外,除了提供硬件,传感器厂商通常也会提供配套的软件算法,最大限度地简化开发过程。


如果你看到一款传感器能够达到上述这些要求,恭喜你,它也许就是室内空气质量监测应用所需的理想之选!


室内空气质量传感方案


对于在室内空气质量监测域深耕多年的来说,在其丰富的传感器产品组合中,这样的“理想之选”还真不少。今天我们就带大家来认识其中几款产品。


SGP41 CMOSens®/MOXSens®数字空气质量传感器


的SGP41 CMOSens®/MOXSens® 数字空气质量传感器是一款完整、易用的单芯片传感器系统,内置数字I2C接口和温度控制微热板,可以提供VOC和NOx室内空气质量监测。


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图1:SGP41 CMOSens/MOXSens 数字空气质量传感器

(图源:Sensirion)


SGP41为MOX(金属氧化物)传感器。MOX材料是可变电阻器,可对所接触气体中特定的化学物质做出响应——在“干净”的空气环境中,MOX的电阻可能为数兆欧姆;而在加热条件下,如果存在特定气体,MOX材料的电阻将显著下降至数十千欧姆;当不加热和/或不接触被测气体时,MOX电阻则恢复为高阻状态。


SGP41及其气体指数算法具有较高的稳健性,可实现独特的长期稳定性和低漂移,使用寿命可超过10年;其采用2.44 mm2x 0.85mm的DFN封装,可在空间有限的应用中使用;在3.3V时功耗仅为3.2mA。


总体来讲,这是一款可靠耐用、小型化、低功耗的集成化解决方案,可以帮助客户轻松搞定室内VOC和NOx的监测。


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图2:SGP41框图

(图源:Sensirion)


SHT4x数字温湿度传感器


SHT4x数字温湿度传感器是Sensirion的第四代温湿度传感器,全系列的产品可以满足不同精度的测量要求,可在宽测量范围内提供恒定温度精度——其工作相对湿度范围为0%至100%,工作温度范围为-40°C至+125°C,可在冷凝下工作。


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图3:SHT4x数字温湿度传感器

(图源:Sensirion)


该温湿度传感器具有很宽的电压范围(1.08V至3.6V),超低的功耗(空闲电流为80nA),以及紧凑的外形(1.5mm x 1.5mm x 0.5mm小型QFN封装)。


此外,SHT4x已完全校准,具有线性化数字输出、NIST可追溯性和I2C快速模式+接口。由于采用卷带封装,很适合标准SMD组装工艺,因此无论是在开发还是在生产上,都能为用户提供很大的便利性。


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图4:SHT4x数字温湿度传感器功能框图

(图源:Sensirion)


SCD4x微型CO2传感器


SCD4x是一个“微型”的CO2和温湿度传感器,从名称中可以看出,其显著的特点就是“小”,体积仅为1cm3。之所以可以实现微型化,是因为SCD4x采用了独特的光声感测法(Photoacoustic)。


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图5:传感器SCD4x微型CO2传感器

(图源:Sensirion)


以往常见的CO2传感器采用的是非分散红外(NDIR)测量方案,其工作原理是气体被抽入或扩散到光学腔中,由于CO2对特定波长(4.26μm)的红外光有较强的吸收作用,因此通过测量光学腔中红外光线被吸收程度,就能够计算出空间中气体CO2的浓度。这种方法的特点是精度高,但是为了确保精度,对光学腔的体积有下限要求,因此注定整个方案的尺寸难于压缩。


SCD4x所采⽤的光声NDIR感测法不同:该系统的红外光源会向气室中发射一个特定频率的窄带红外光,它会激发气室中的CO2使其发生振动,这种振动会导致气体温度升高,进而导致气压升高。通过控制红外光源的开关,气室内的气压会产生周期性的变化,这种压力变化会被气室中内置的麦克风记录并转换为声波,就可以通过监测声波的参数得到气室中CO2的浓度。


这种方法无需体积较大且复杂的光学腔,因此可以将整个传感器的体积大大减小。比如,SCD4x的占位⾯积仅为基于传统NDIR技术传感器SCD30的1/5。


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图6:SCD4x与采⽤传统NDIR技术的SCD30的外形比较(图源:Sensirion)


同时,在性价比、机械稳定性、传感器输出方面,基于光声NDIR感测的⽅案都有明显的优势。


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图7:与传统透射式NDIR⽅案相比,基于光声NDIR感测的SCD4x具有显著的优势(图源:Sensirion)


除了上述的优势特性,SCD4x系列传感器还集成了优质的湿度和温度传感器,可提供两个额外传感器输出,可满足智慧城市、物联网、汽车、暖通空调、家电和消费品等不同应用领域的要求。


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图8:SCD4x 光声NDIR CO2传感器功能框图

(图源:Sensirion)


SEN5x环境传感器节点


细心地小伙伴们可能已经注意到,在上面这几款Sensirion空气质量传感器中,在单一器件中已经可以实现多个指标的测量,比如SCD4x就同时可以监测CO2和温湿度。不过要论“多合一”测量的高手,还得是SEN5x一体化空气质量传感器。


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图9:SEN5x环境传感器节点

(图源:Sensirion)


SEN5x环境传感器节点集颗粒物质(PM1.0/PM2.5/PM4.0/PM10)、VOC、相对湿度和温度传感于⼀体,构成了⼀个完整的环境传感器模组。Sensirion提供的专有算法,可以实现温度和湿度补偿、VOC指数计算等功能,使得SEN5x可以很方便地集成到暖通空调和空气质量应用中。


SEN5x具有4.5V至5.5V的电压范围,5V时的平均电流消耗为63mA;优化的鞘流技术令其具有很高的防尘性,使用寿命长;它还具有一个I2C接口,可与主控MCU进行通信。


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图10:SEN5x框图

(图源:Sensirion)


SEN5x系列传感器包括完整的产品组合,提供不同的配置,用户可以根据自己的目标应用选择合适的物料。


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图11:SEN5x系列产品特性比较

(图源:Sensirion)


本文小结


当我们迈入智能化时代,身边的传感器也越来越多越来越多,也越来越智能。空气质量传感器是我们日常生活中高频使用,能够满足人们健康“刚需”的关键技术和产品,随着人们提升室内空气质量诉求的强化,相关传感器也将迎来一波持续的增长。


不过,随着市场的发展,对于空气质量传感器的要求也在升级,除了精准的测量,这些传感器在小型化、集成度、性价比、耐用性、低功耗,以及易用性等诸多方面也都要不断精进。


在这些方面,Sensirion提供了一系列标杆性的产品,可以帮你快速上手、一探空气质量的究竟。想在室内空气监测领域有所作为的小伙伴,快来了解一下吧!



关键词: Mouser Sensirion 传感器

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