使用智能型空气质量传感器达到环境监测

使用智能型空气质量传感器的环境监测逐渐拓展到诸多应用，从智能家庭、大楼与城市，以致于传统汽车和电动汽车（EV），以及电池储能系统（BESS）。在智能家庭、大楼和城市中，空气质量传感器可监测空气中有损空气质量的粒子与气体，藉此确保健康与安全，也可用于烟雾侦测，提供火灾预警。在乘客车厢中，这些传感器可侦测有健康疑虑的挥发性有机化合物（VOC）和高浓度CO2。
在电动车和BESS应用中，则可在电池外壳中侦测压力增加以及氢气含量升高的情况，接着让电池进入第一段排气，如此即可让电池管理系统（BMS）有所因应，并且避免发生第二段排气，或整个电池系统热失控。
这些应用中的传感器必须小巧、低功耗，更要支持安全启动和安全韧体更新。通常还要含有多个传感器，以便涵盖多种空气质量监测项目。将这些功能集结到一个小巧的低功耗单元中，这个过程可能令人胆怯、容易重新来过，因此会让解决方案的成本升高，并且延误上市时间。
为了加快上市时间并控制成本，设计人员可以转用经过工厂校准的传感器模块，并且支持安全启动和韧体更新，更有提供联机选项，包括将数据传送到云端，或使用CAN或其他总线进行本地连接。
本文首先会比较光学微粒计数器、网印电化学和多重参数的传感器技术，并且介绍来自 Sensirion、Metis Engineering 与 Spec Sensors 的空气质量传感器解决方案以及开发平台，还有英飞凌（ Infineon） 的辅助装置，并且提供相关建议，以便加快开发流程。
悬浮微粒（PM）传感器可计算特定尺寸粒子的数量，如PM2.5和PM10，其分别对应直径2.5微米和10微米的粒子，也可依据应用需求提供其他尺寸粒子的数量。光学粒子计数器（OPC）是一种特定的PM技术，会将受测空气移动，通过一个含有雷射与光侦测器的测量槽（图一）。
空气中的粒子会将来自镭射的光线打散，侦测器则可测量散射光。测量值会转换成以每立方米微克（ug/m3）为单位的质量浓度，并计算每立方公分（cm3）的粒子数量。使用OPC计算粒子数量很简单，但要将该信息转换成质量浓度值则较为复杂。用于转换的软件需要考虑微粒的光学参数，如形状和折射率。因此，与其他PM感测方法 （如直接、重量式、重力式技术）相比，OPC可能有更高的不准确率。


 
图一 : OPC使用镭射和光电二极管来计算空气中的粒子数。（source：Sensirion）

并非所有OPC都相同。高准确度且昂贵的实验室等级OPC就可计算测量槽中的每个粒子。市售的较低成本商业级OPC仅可对5%的气溶胶粒子进行采样，并使用软件式估算技术来达到整体「测量」。尤其是像PM10这样的大粒子，其密度通常非常低，无法用低成本的OPC直接测量。
随着粒子尺寸增大，指定粒子质量中的粒子数量会急剧下降。与PM1.0粒子的气溶胶相比，具有PM8粒子的气溶胶，在指定质量下的粒子数量减少了约500倍。为了用与小粒子相同的准确度测量较大的粒子，低成本的OPC必须将几个小时内的数据整合才能得出估计值。幸好，在现实环境中，气溶胶中的大小粒子分布相当均匀。只要用正确设计的算法，就可利用PM0.5、PM1.0和PM2.5粒子的测量值，准确估计较大粒子 （如PM4.0和PM10）的数量。

电流式气体传感器
电流式传感器不会测量粒子数量，而是测量气体浓度。这些电化学装置可产生与受测气体体积分率呈线性比例的电流。基本的电流式传感器由两个电极和一个电解质组成。感测电极会测量气体浓度，此电极由催化金属组成，可将受测气体的反应优化。
气体在进入传感器后，会通过毛细管扩散障壁，与感测电极发生反应。反电极可当作半电池，让电路更完备（图二）。外部电路会测量电流，并且判定气体浓度。在某些设计中，甚至会纳入第三个「参考」电极，以提高基本电电流式传感器的稳定性、信噪比并加快反应时间。

 
图二 : 电流式传感器可测量气体浓度，其中使用的两个电极由电解质隔开。（source：Spec Sensor）

电池组用的多重参数传感器
监测空气质量只是传感器在电动车和BESS设备中用来保护电池组的初步任务。这些传感器会监测压力、空气温度、湿度、露点和绝对含水量，也会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）。
在电池排气的第一阶段，常见锂离子电池中的镍锰和钴阴极会产生气态产物，其中有已知的化学成分（图三）。氢气浓度相当关键；如果接近氢的爆炸下限4%，则有可能爆炸或起火。应采取措施避免电池进入热失控状态。压力传感器可以在电池组中侦测因排气所引起的小幅度压力上升现象。用其他传感器的测量值来交叉检查压力上升情况，就可避免误警。


 
图三 : 电池排气的第一阶段有个特征就是出现特定的气体混合物（source： Metis Engineering）

这种多重参数传感器还可以监测工作温度过低的情况。电动车和BESS中的大型电池组通常含有主动散热功能，可防止电池组在充电或放电时过热。如果降温太多，内部温度会降至露点以下，导致电池组内部冷凝，有可能会引发电池短路而造成热失控。露点传感器会在电池端子上累积冷凝前发出警报。

镭射AQ传感器
暖通空调（HVAC）系统、空气清净机和类似应用的设计人员可以使用Sensirion 的 SPS30 PM传感器来监测室内或户外的空气质量。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的粒子数量。质量浓度的精度为±10%，质量浓度范围介于0至1000 ug/m3，使用寿命超过十年。SPS30含有一个用于短距连接的I2C接口，以及一个用于长度超过20 cm缆线的UART7接口。
自动风扇清洁模式可依据默认间隔时间触发，以确保测量的一致性。风扇清洁时会将风扇加速到最高速并持续10秒，以清除积聚的灰尘。PM测量功能会在风扇清洁期间脱机。预设的清洁间隔时间为每周，但可以设定其他间隔时间，以满足特定的应用要求。

开发工具包和安全启动
SEK-SPS30 空气质量监测传感器评估板可用于将SPS30连接至PC，即可开始探索此PM传感器的功能。此外，Digi-Key提供了一个平台，可将Sensirion的空气质量传感器与英飞凌的PSoC 6 MCU互相结合，开发新一代的智能型空气质量监测系统。对于注重隐私的智能大楼系统，PSoC 6可支持安全启动和安全韧体更新（图四）。


 
图四 : 结合Sensirion和英飞凌技术的这款开发工具包可以实作安全启动和安全韧体更新。（source：Digi-Key）

电池组传感器
电动车和BESS电池组的设计人员可以使用Metis Engineering的 CANBSSGEN1 进行电池安全监测，此设计可侦测电池排气引起的早期故障。这种采用CAN总线的传感器含有一个可更换的空气过滤器，在电动车中特别有用。可选配加速计，即可监测最高24G的冲击和冲击持续时间，以便系统判别电池组何时暴露于超出安全程度的冲击。

CAN传感器开发工具包
DEVKGEN1V1 开发工具包有助于缩短与Metis CAN传感器搭配的系统整合时间。此传感器含有可设定的CAN总线速度和地址，并具有DBC CAN数据库，可支持整合到几乎各种具有CAN总线的车辆。基本开发工具包可以扩充，以便开发人员在CAN网络中添加更多传感器。

室内空气质量传感器
室内和车内空气质量监测系统的设计人员可以使用SPEC Sensors的 110-801。110-801是一款网印电流式气体传感器，可以侦测与不良空气质量相关的多种气体，包括醇类、氨、一氧化碳、多种臭气和硫化物。这些传感器的反应与受测气体的体积分率呈线性比例，这可简化系统整合作业。

电流式气体传感器的整合
恒电位器电路会在电流式气体传感器中控制工作电极的电位，并将电极电流转换成输出电压（图五）。运算放大器U1的第2引脚上的电压会设定成参考电极电压，工作电极的电位则由运算放大器U2的第6引脚设定。运算放大器U2还会将传感器的电流输出转换成电压讯号。同时，运算放大器U1会将电流供应给反电极（等于工作电极电流）。


图五 : 简化的恒电位器电路可利用电流式传感器来实作气体侦测。（source：Spec Sensors）

总结
如本文所述，设计人员在设计环境监测系统时，有多种空气质量传感器技术可供挑选。OPC可用于监测室内和户外的潜在危险粒子浓度。基于CAN的多重传感器系统则可监测电动车和BESS电池组中的第一阶段排气，有助于避免热失控以及火灾或爆炸的可能性。低功耗的网印电流式气体传感器可用于侦测导致空气质量不良的多种气体。

（本文作者Barley Li为Digi-Key Electronics亚太区技术内容部门应用工程经理）