原标题：如何使用智能空气质量传感器进行环境监测

　　使用智能空气质量传感器的环境监测正在扩展到从智能家居、建筑和城市到传统和电动汽车 (EV) 和电池储能系统 (BESS) 的各种应用。在智能家居、建筑物和城市中，空气质量传感器可以通过监测与空气质量差相关的空气颗粒和气体，以及用于早期火灾预警的烟雾探测来帮助确保健康和安全。在车辆乘客舱中，这些传感器可以识别挥发性有机化合物 (VOC) 和高浓度 CO 2这可能会引起健康问题。在 EV 和 BESS 中，它们可用于检测电池第一个排气阶段后电池外壳中的压力升高和高水平氢气，从而使电池管理系统 (BMS) 能够做出反应并防止第二次排气事件或整个电池系统的热失控。

　　这些应用中使用的传感器需要紧凑、低功耗，并且能够支持安全启动和安全固件更新。它们通常需要包括多个传感器，涵盖广泛的空气质量监测。将这一系列功能集成到一个紧凑的低功耗单元中可能是一个令人生畏的过程，容易重启，导致解决方案成本高，并延迟上市时间。

　　为了加快上市时间和控制成本，设计人员可以求助于经过工厂校准的传感器模块，支持安全启动和固件更新，并提供连接选项，包括将数据发送到云端或使用 CAN 或其他总线进行本地连接。

　　本文首先比较光学颗粒计数器、丝网印刷电化学和多参数传感器技术。它展示了来自Sensirion、Metis Engineering和Spec Sensors的空气质量传感器解决方案和开发平台，以及来自英飞凌科技的配套设备，并包括加快开发过程的建议。

　　颗粒物 (PM) 传感器提供特定颗粒大小的计数，例如 PM2.5 和 PM10，它们分别对应于直径为 2.5 微米和 10 微米的颗粒，以及特定应用所需的其他颗粒大小。光学粒子计数器 (OPC) 是一种特殊的 PM 技术，它使要测量的空气通过包含激光和光电探测器的测量单元(图 1)。空气中的粒子散射来自激光的光，检测器测量散射光。测量值转换为以微克每立方米 (μg/m 3 ) 为单位的质量浓度，并计算每立方厘米 (cm 3 ) 的颗粒数)。使用 OPC 对粒子进行计数很简单，但将该信息转换为质量浓度数则更为复杂。用于转换的软件需要考虑粒子的光学参数，如形状和折射率。因此，与其他 PM 传感方法(例如直接、基于重量的重量技术)相比，OPC 可能会遭受更大的不准确性。

　　图 1：OPC 使用激光和光电二极管对空气中的颗粒进行计数。(图片来源：Sensirion)

　　并非所有 OPC 都是相同的。高度准确且昂贵的实验室级 OPC 可以对测量单元中的每个粒子进行计数。成本较低的商业级 OPC 仅对约 5% 的气溶胶颗粒进行采样，并使用基于软件的估计技术来进行整体“测量”。特别是像 PM10 这样的大颗粒的密度通常非常低，而且它们不能通过低成本的 OPC 直接测量。

　　随着颗粒尺寸的增加，给定颗粒质量中的颗粒数量急剧下降。与 PM1.0 颗粒的气溶胶相比，具有 PM8 颗粒的气溶胶对于给定质量的颗粒少了约 500 倍。为了以与小颗粒相同的精度测量较大的颗粒，低成本的 OPC 必须在几个小时内整合数据才能得出估计值。幸运的是，气溶胶在现实环境中具有相当一致的大小颗粒分布。通过适当设计的算法，可以使用 PM0.5、PM1.0 和 PM2.5 颗粒的测量值准确估计较大颗粒的数量，例如 PM4.0 和 PM10。

　　电流型气体传感器

　　安培传感器不是测量粒子数，而是测量气体浓度。它们是电化学装置，可产生与被测气体的体积分数成线性比例的电流。一个基本的电流传感器由两个电极和一个电解质组成。气体浓度在传感电极处测量，传感电极由优化待测气体反应的催化金属组成。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。对电极充当半电池并完成电路(图 2)。外部电路测量电流并确定气体浓度。在某些设计中，包含第三个“参考”电极以提高稳定性、信噪比、

　　图 2：电流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：规格传感器)

　　用于电池组的多参数传感器

　　监测空气质量只是旨在保护电动汽车和 BESS 装置中的电池组的传感器的开始。除了甲烷 (CH 4 )、乙烯 (C 2 H 4 )、氢气 (H 2 )、碳等挥发性有机化合物 (VOC) 外，这些传感器还可监测压力、气温、湿度、露点和绝对水含量一氧化碳 (CO) 和二氧化碳 (CO 2)。在电池排气的第一阶段，具有镍锰和钴阴极的普通锂离子电池的气态产物具有已知的化学成分(图 3)。氢气浓度很关键;如果它接近 4%，即氢气的爆炸下限，则有可能发生爆炸或火灾。应采取措施防止电池发生热失控。压力传感器可以检测到由排气引起的电池组内部压力的小幅增加。通过与其他传感器测量值交叉检查压力的任何增加，可以避免误报。

　　图 3：一种特定的气体混合物是电池排气第一阶段的特征(图片来源：Metis Engineering)

　　这种多参数传感器还可以监控操作条件是否过冷。电动汽车和 BESS 中的大型电池组通常包括主动冷却，以防止电池组在充电或放电时过热。如果它们被过度冷却，内部温度可能会降至露点以下，从而导致电池组内部出现冷凝，可能会使电池短路并导致热失控。露点传感器会在冷凝水聚集在电池端子上之前向 BMS 发出警报。

　　激光 AQ 传感器

　　供暖、通风和空调 (HVAC) 系统、空气净化器和类似应用的设计人员可以使用 Sensirion 的SPS30 PM 传感器监测室内或室外的空气质量。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 颗粒数。质量浓度精度为±10%，质量浓度范围为0～1000 μg/m 3，使用寿命超过十年。SPS30 包括一个用于短连接的 I 2 C 接口和一个用于长度超过 20 厘米 (cm) 的电缆的 UART7。

　　可以按预设时间间隔触发自动风扇清洁模式，以确保测量的一致性。风扇清洁可将风扇加速至最大速度 10 秒，并吹掉积聚的灰尘。PM 测量功能在风扇清洁期间处于脱机状态。默认清洁间隔为每周一次，但可以设置其他间隔以满足特定的应用要求。

　　开发套件和安全启动

　　SEK-SPS30空气质量监测传感器评估板可用于将 SPS30 连接到 PC 以开始探索这种 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 相结合，以开发下一代智能空气质量监测系统。对于需要关注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

　　EV 和 BESS 电池组设计人员可以使用 Metis Engineering 的CANBSSGEN1进行电池安全监控。它旨在检测由于电池排气引起的早期故障。这种基于 CAN 总线的传感器包括一个可更换的空气过滤器，在 EV 中特别有用(图 5)。可选的加速度计可以监测高达 24G 的冲击和冲击持续时间，使系统能够识别电池组何时受到超过安全水平的冲击。它可以测量：

　　0.2 至 5.5 Bar 绝对压力

　　-30°C 至 +120°C 气温

　　VOC、等效 CO 2 (eCO 2 ) 和 H 2 (十亿分之一) (ppb)

　　以每立方米水蒸气毫克数表示的绝对湿度 (mg/m 3 )

　　露点温度

　　图 5：此电池安全监控传感器包括一个可更换的空气过滤器(中心白色圆圈)。(图片来源：Metis Engineering)

　　CAN 传感器开发套件

　　DEVKGEN1V1开发套件有助于缩短使用 Metis CAN 传感器时的系统集成时间。这些传感器包括一个可配置的 CAN 总线速度和地址以及一个 DBC CAN 数据库，该数据库支持集成到几乎任何具有 CAN 总线的车辆中。可以扩展基本开发套件，使开发人员能够向 CAN 网络添加更多传感器。

　　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 是一款丝网印刷电流型气体传感器，可以检测与空气质量差相关的多种气体，包括酒精、氨、一氧化碳、各种恶臭气体和硫化物。这些传感器的响应与被测气体的体积分数成线性比例，从而简化了系统集成(图 6)。这款 20 x 20 x 3 mm 传感器的其他特性包括：

　　百万分率 (ppm) 灵敏度

　　小于十微瓦 (μW) 的传感器功率

　　-10°C 至 +40°C 工作温度范围(0°C 至 +40°C 连续工作)

　　在存在多种污染物的情况下稳健而稳定地运行

　　图 6：这种丝网印刷的电流型气体传感器可以测量各种气体的存在。(图片来源：规格传感器)

　　电流型气体传感器集成

　　恒电位仪电路控制电流型气体传感器中工作电极的电位，并将电极电流转换为输出电压(图 7)。运算放大器(op amp)U1的2脚电压设置参考电极电压，工作电极的电位由运放U2的6脚设置。运算放大器 U2 还将传感器输出的电流转换为电压信号。同时，运放 U1 向对电极提供与工作电极电流相等的电流。

　　图 7：用于使用电流传感器实现气体检测的简化恒电位仪电路。(图片来源：Spec Sensors)

　　概括

　　如图所示，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选择。OPC 可用于监测室内和室外潜在危险的颗粒物水平。基于 CAN 的多传感器系统可以监控 EV 和 BESS 电池组的第一级排气，并有助于防止热失控和可能的火灾或爆炸。低功率、丝网印刷电流型气体传感器可用于检测导致空气质量差的多种气体。