利用微型传感器改善室内空气质量

物联网与传感器   作者:英飞凌科技股份公司 环境传感器产品营销高级经理 Hicham Riffi 时间:2020-09-16来源:电子产品世界

编者按:关于作者:Hicham Riffi是英飞凌科技股份公司环境传感器产品营销高级经理。

二氧化碳浓度是衡量室内空气质量的关键指标。良好的空气可以让人们不易困倦,生产率更高,而室内二氧化碳浓度过高则意味着空气质量差,其原因往往是空调和循环通风不足。这会导致健康问题,包括有大量文件证明的病态建筑综合症(SBS),其帮凶还包括其他室内有害物质,如纤尘、霉菌、花粉、细菌甚或石棉等。

二氧化碳浓度限值可预防疾病

多年来,受人类活动的影响,温室气体浓度已慢慢升高,环境中的二氧化碳浓度值也随之增长;如今,大气二氧化碳浓度值已突破代表健康新鲜空气的400 ppm(0.04 %)限值。通过良好的新鲜空气循环通风,可以实现不超过1000 ppm(0.1%)的室内二氧化碳浓度值,这个限值仍然被视为可接受的。从科学的角度来讲,以这个值为上限,二氧化碳浓度值对于健康至关重要,因为高于这个限值的二氧化碳浓度将会对健康产生不利的长期影响。

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高二氧化碳浓度对健康的影响

图内文字:

二氧化碳浓度对健康的影响

空气质量类似于户外

良好通风

空气质量差引起轻微不适,包括头痛和困倦

高二氧化碳浓度导致头痛、嗜睡和憋闷

可能发生毒性反应或缺氧。日常工作场所暴露限值。

缺氧直接造成伤害

哪怕在1000 ppm(0.1 %)至2000 ppm(0.2 %)浓度范围内,空气质量差的影响也是显而易见的,人们会感到十分疲惫。浓度超出这个水平之后,人们会觉得憋闷,并且出现头痛、困倦、注意力不集中和心率加快等现象。因此,卫生组织建议尽可能使室内二氧化碳浓度值保持在1000 ppm(0.1%)以下。环保署还明确建议向室内输送户外的新鲜空气,以改善室内空气质量,譬如,使用暖通空调系统(供暖、通风、空调)。

许多应用都离不开二氧化碳传感器

应用数量如此之庞大,无怪乎分析师认为,二氧化碳传感器市场的年增长率将达到两位数。二氧化碳传感器可用于监测室内空气,确保住宅、学校、办公室和商业建筑等实现更好的通风,从而有助于人们集中注意力,提高生产率。小型传感器还适用于生活区以及相应的物联网设备,如数字助理、烟感探测器、路由器、空气净化器或空调系统等,甚至还可以安装到笔记本电脑或显示器中。

可以利用模式识别来确定房间内的人数和他们的日常活动水平。根据这些信息,楼宇自控系统可以优化决策,改善空调效果。暖通空调系统有了二氧化碳传感器,可以将能耗降低最多50%,这意味着整栋建筑可以实现节能20%至30%。普通系统采用定时模式保持恒定的空气流通,譬如,在工作时段提供持续通风。另一方面,基于真实的二氧化碳浓度测定值来进行控制,则可以按照房间内的实际人数来调节新鲜空气的供给。这将缩短暖通空调系统的日常工作循环,从而节省大笔开支。

此外还有许多其他应用,包括车内二氧化碳监测,以调节驾驶室或整个车内的空气质量。在农业领域,二氧化碳传感器可用于控制温室中的二氧化碳浓度,以提高产量和节约成本。传感器也用于医疗应用,包括capnometry,这是一种实时测定患者呼出气二氧化碳含量的方法,在麻醉领域特别有用。

工业领域的用例包括在诸如干冰库、储罐或地下气源等二氧化碳气源附近,检测二氧化碳泄漏。智慧城市可以将二氧化碳排放源与道路车辆密度联系起来,从而实现交通管理。

 如今的二氧化碳传感器

如今,非色散红外(NDIR)传感器的应用十分普遍,特别是在楼宇自控领域。然而,这种传感器体积较大、价格昂贵,因而仅可在有限的范围内使用。这种传感器由红外光源、采样腔、滤光片以及基准和吸收红外探测器等组成,可提供真实、准确的二氧化碳测定值。但是,除单纯考虑美观之外,这种传感器并不适用于移动终端、恒温器或起居室内的其他智慧居家装置,主要原因是其成本高昂并且外形较大难以集成。

目前,市场上还没有哪种与之相当的解决方案能够既提供这样真实且准确的二氧化碳测定值,同时又经济划算。尽管有所谓的eCO2传感器可以检测多种不同的室内污染物,但其性能不足以取代NDIR传感器。eCO2传感器并不执行实际测量;它是利用算法来计算出等效二氧化碳浓度值。这种方法假定二氧化碳浓度主要由房间内的人员造成。因此,它是根据很多假设来进行估算。所以,利用这个eCO2 值,只能根据可能不太准确的信息来调节室内空气质量。

这将导致空调系统能耗过高或者恰恰在需要的时候却不能正常通风。这样一来,空气质量得不到有效改善,用户对使用这种eCO2传感器的产品失去信心。

基于MEMS的光声光谱

得益于其在MEMS麦克风方面的丰富经验,通过实验,英飞凌成功地研发出一种基于光声光谱(PAS)的全新二氧化碳传感器。光声光谱(PAS)是一种物理方法,适用于检测混合物中的气体成分,譬如,测定室内空气中的二氧化碳浓度。

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基于光声光谱(PAS)的二氧化碳传感器示意图

红外光源

滤光片

带扩散口的吸收腔

麦克风及输出端

光声光谱技术的作用原理是气体分子仅吸收特定波长的光;二氧化碳气体分子可吸收的光波长为4.2µm。配备光学滤光片的红外光源快速连续发射波长4.2µm的光脉冲,向气体输送能量。这使得气体样本迅速加热和冷却,进而产生热胀冷缩。可以利用麦克风录下由此产生的声音,然后进行评估,并就气体的二氧化碳含量得出结论。二氧化碳浓度越高,信号越强。相比于NDIR-CO2 传感器,使用高灵敏度MEMS麦克风作为检测器可以大幅缩小体积。

传感器研发挑战

英飞凌推出的这款二氧化碳传感器将光声换能器、检测器、红外光源和光学滤光片等集成到一块印刷电路板上。这种传感器配备了用于板载信号处理的小型单片机、复杂的算法以及用于操作红外光源的MOSFET。经调制的红外光照射到采样腔内的混合气体上。其中的二氧化碳气体吸收了红外光后变热,采样腔内的气压随之升高,MEMS麦克风可以测量这样的出气压变化。

研发光声光谱二氧化碳传感器遇到的主要挑战之一,是让麦克风的性能发挥到极致,并最大限度地降低系统噪声,也就是说,使MEMS检测器隔绝于外部噪声,从而仅检测到采样腔内二氧化碳分子产生的气压变化。英飞凌先进行了MEMS麦克风响应建模,然后再制作部分组件的原型来验证建模结果。

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英飞凌推出的紧凑式XENSIV™光声光谱二氧化碳传感器

特性和优点

英飞凌推出的全新XENSIV™光声光谱二氧化碳传感器搭载了信噪比为69 dB的IM69D130 XENSIV™ MEMS麦克风。它经专门设计,适用于要求自噪声低、动态范围宽、失真度低、声学过载点高的应用。归功于XENSIV™ IM69D130,这种气体传感器可以测量出最轻微的气压波动,因此哪怕很少量的气体亦足以准确测定气体浓度。所以,还可以将采样腔设计得很小巧。这款全新传感器不仅可以进行真正的二氧化碳测量,而且比具备同等性能参数的常规二氧化碳传感器的体积缩小了75%以上。其集成式单片机可将MEMS麦克风输出信号转换为ppm值,并通过串行I²C、UART或PWM等三种接口输出。直接输出ppm读数、支持表面贴装技术和简单的设计,有利于轻松快速地集成到柔性生产系统中。所有组件均为英飞凌内部设计和生产,达到了英飞凌的高质量标准。

这款传感器极为坚固耐用,测量范围为0 ppm至10,000 ppm,在5000 ppm(± 3 %)以下范围内,测量精度高达± 30 ppm。工作温度范围为0°C到50°C,相对湿度0 %到85 %(非冷凝)。年漂移率小于1%(执行主动自校准)。在脉冲模式下,这种二氧化碳传感器的设计使用寿命为10年。得益于此,XENSIV™光声光谱二氧化碳传感器是用于楼宇自控系统中以需求为导向的通风控制,以及用于智慧居家应用中的室内空气质量控制等的理想之选。

XENSIV™ PAS CO2传感器的典型应用

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英飞凌正计划推出多种传感器型号,以满足各类应用的特定要求,譬如,电池供电设备要求低功耗型号,便携式设备要求更小巧、更廉价的型号,以及条件极为恶劣的工业设备则要求更可靠的型号。适用于其他气体的传感器型号也列入了英飞凌的研发计划。

关键词: 微型传感器 空气质量

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