作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

現在，采用智能型空氣質量傳感器進行環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、電動汽車 (EV) 和電池儲能系統 (BESS)。在智能家居、建筑和城市中，空氣質量傳感器可以通過監測導致空氣質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健康問題的揮發性有機化合物 (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、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令人生畏的過程，動不動就重新啟動，這將導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，設計者可以采用傳感器模塊。這種模塊在出廠前經過校準，支持安全啟動和固件更新并提供連接選擇，具體包括將數據發送到云端或者使用 CAN 或其他總線進行本地連接。

本文首先比較光學微粒計數器、絲網印刷電化學和多參數傳感器技術。本文將介紹 [Sensirion]、[Metis Engineering]和 [Spec Sensors]的空氣質量傳感器解決方案和開發平臺，以及 [Infineon Technologies]的配套設備，然后給出加快開發進程的建議。

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。光學粒子計數器 (OPC) 是一種特定的 PM 技術，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^ ) 中的顆粒數量。使用 OPC 對顆粒進行計數簡單明了，但將該信息轉換為質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參數。因此，相比諸如直接的、基于重量的、重量分析測量技術等其他 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。可以采用成本較低的商業級 OPC，但這種 OPC 只對大約 5% 的懸浮顆粒物進行采樣，并使用基于軟件的估算技術來得出總體“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，在一定質量的顆粒中，顆粒數量會急劇下降。與 PM1.0 顆粒的懸浮顆粒物相比，在一定的質量下，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據來得出估計值。幸運的是，懸浮顆粒物在實際環境中具有相當一致的小顆粒和大顆粒的分布情況。通過適當設計的算法，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器件，產生的電流與被測氣體的體積比成線性比例。基本的安培型傳感器由兩個電極和電解質組成。氣體濃度通過檢測電極測量，這種電極由催化金屬組成，可優化待測氣體的反應。氣體通過毛細管擴散屏障進入傳感器后與傳感電極發生反應。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。一些設計包括第三個“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間。

圖 2：安培型傳感器使用由電解質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傳感器

對于專門保護電動汽車和 BESS 裝置中的電池組的傳感器來說，其作用遠不止監測空氣質量。這些傳感器將監測壓力、空氣溫度、濕度、露點和絕對含水量，此外還監測揮發性有機化合物 (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物中含有已知的化學成分（圖 3）。氫氣濃度至關重要；如果接近 4%，即氫氣的爆炸下限，就有可能發生爆炸或火災。此時應采取措施，防止電池進入熱擊穿狀態。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。通過其他傳感器測量值對任何壓力增加進行交叉檢查，來避免假陽性出現。

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

這種多參數傳感器還能監測電池的過冷工作狀態。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，內部溫度會降至露點以下，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，露點傳感器向 BMS 發出警報信號。

激光 AQ 傳感器

進行供熱、通風和空調 (HVAC) 系統、空氣凈化器和類似應用設計時，可使用 Sensirion 的 [SPS30]PM 傳感器來監測室內外的空氣質量。[SPS 傳感器]可測量 PM1.0、PM2.5、PM4 和 PM10 的質量濃度，以及 PM0.5、PM1.0、PM2.5、PM4 和 PM10 的顆粒數量。該傳感器的質量濃度精度為 ±10%，質量濃度范圍為 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，可以在預設的時間間隔內觸發自動風扇清潔模式。風扇清潔功能將風扇加速到最大速度并持續 10 秒，吹盡聚集的灰塵。風扇清潔期間，PM 測量功能處于離線狀態。默認清潔時間間隔為每周一次，但也可以設置成其他時間間隔以滿足具體的應用要求。

開發工具包和安全啟動

用戶可通過 [SEK-SPS30]空氣質量監測傳感器評估板將 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 的空氣質量傳感器與 Infineon 的 PSoC 6 MCU 組合在一起，開發下一代智能型空氣質量監測系統。對于注重隱私的智能建筑系統，PSoC 6 支持安全啟動和安全固件更新（圖 4）。

圖 4：Sensirion 和 Infineon 的這款開發套件可以實現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 電池組設計者可以使用 Metis Engineering 的 [CANBSSGEN1]器件進行電池安全監測。這種傳感器用來檢測由于電池排氣而導致的早期故障。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，來監測高達 24G 的沖擊和沖擊持續時間，從而使系統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 傳感器開發套件

[DEVKGEN1V1]開發套件有助于在使用 Metis CAN 傳感器時縮短系統集成時間。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 數據庫，可支持集成到幾乎所有帶有 CAN 總線的車輛中。基本開發套件可以擴展，使開發者能夠將更多的傳感器添加到 CAN 網絡中。

室內空氣質量傳感器

設計室內和車內空氣質量監測系統時，可以使用 SPEC Sensors 的 [110-801]器件。110-801 是一款絲網印刷安培型氣體傳感器，可以檢測各種導致不良空氣質量的氣體，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性比例，這會簡化系統集成（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，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

如圖所示，在設計環境監測系統時，設計者可以在一系列空氣質量傳感器技術中進行選擇。OPC 可用于監測室內外的潛在危險顆粒濃度。基于 CAN 的多傳感器系統可以監測電動汽車和 BESS 電池組的第一階段排氣，并有助于防止熱擊穿和可能發生的火災或爆炸。低功率、絲網印刷安培型氣體傳感器可用于檢測各種導致空氣質量不佳的氣體。