空氣凈化器中粉塵傳感器的選型及運(yùn)用

李蔭瓏 丘珊珊

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

目前，人們對室內(nèi)空氣質(zhì)量倍受關(guān)注，室內(nèi)空氣質(zhì)量對人體生活健康影響的問題日趨嚴(yán)重[1]。影響空氣質(zhì)量的因素有很多，例如一氧化碳、二氧化碳、甲醛、可吸入顆粒等等，其中粉塵是大部分危害物的載體，如果需要清除大部分有害物，則需要有效清除空氣中的粉塵。對于粉塵，其顆粒大小對于人體的傷害程度有所不同，顆粒越大，危害越小，相反，顆粒越小，危害越大。目前城市霧霾頻發(fā)，導(dǎo)致室內(nèi)粉塵濃度超標(biāo)，人體長時(shí)間處于該環(huán)境中，容易導(dǎo)致各類疾病。為此，迫切需要空氣凈化器進(jìn)行對室內(nèi)空氣進(jìn)行凈化，空氣凈化器也逐步成為室內(nèi)必須常用的家用設(shè)備[2,3]。

為了檢驗(yàn)空氣凈化器對顆粒物的凈化效果，并實(shí)現(xiàn)空氣凈化器凈化效果可視化，對于檢測室內(nèi)環(huán)境中空氣可吸入顆粒的濃度指標(biāo)的傳感器，并實(shí)現(xiàn)空氣凈化器凈化空氣效果可視化，空氣凈化器內(nèi)常常會(huì)采用粉塵傳感器進(jìn)行檢測空氣質(zhì)量狀況[4]。準(zhǔn)確檢測空氣中的粉塵濃度，對采取有效的措施進(jìn)行空氣凈化，降低空氣中粉塵濃度，有著非常重要的作用，市場上，粉塵傳感器多樣化，有激光粉塵傳感器、紅外粉塵傳感器、靜電式粉塵傳感器等。運(yùn)用最多的為紅外粉塵傳感器，具有安裝簡便、低成本、體積小等特點(diǎn)。通過內(nèi)部的紅外發(fā)光二極管和光電晶體管檢測環(huán)境粉塵濃度，通過光電轉(zhuǎn)換后變成電信號，因此主控只需檢測電信號大小便可轉(zhuǎn)換成空氣環(huán)境中粉塵濃度的大小[5]。其測量范圍廣，可區(qū)分測量環(huán)境中的煙和粉塵，且穩(wěn)定可靠，為反饋空氣質(zhì)量具有重要意義，粉塵傳感器的運(yùn)用，可全面提高空氣凈化器的功能、穩(wěn)定性、性能等，提高用戶舒適性、安全性。

1 背景及現(xiàn)狀

相對于激光粉塵傳感器，紅外粉塵傳感器成本上有明顯的優(yōu)勢，但紅外粉塵傳感器的檢測精度上誤差大，如有顯示粉塵濃度的家用凈化器，多臺(tái)在同一環(huán)境中，濃度相差大，最大可達(dá)30 % 的誤差，一致性差，影響檢測精度，影響用戶體驗(yàn)。故需要在不同品牌的粉塵傳感器中，通過對比各型號粉塵傳感器的基本參數(shù)、檢測精度、檢測范圍、積灰清潔及補(bǔ)償效果、一致性等，選擇適合該凈化器的粉塵傳感器。

不同國家及地區(qū)，對空氣粉塵濃度的質(zhì)量指標(biāo)要求時(shí)不一致，以中國與美國的空氣質(zhì)量檢測要求對比，根據(jù)要求匯總?cè)绫?所示。

表1 國標(biāo)與美標(biāo)空氣狀況對比

根據(jù)表1所示，對于空氣質(zhì)量要求更嚴(yán)格的美國標(biāo)準(zhǔn)中，如果凈化器使用指示燈顏色顯示空氣質(zhì)量狀況，如使用粉塵傳感器在PM2.5〈75 ug/m3時(shí)，精度為±15 ug/m3（部分傳感器精度誤差達(dá)±30 ug/m3），在空氣質(zhì)量不變的情況下，因檢測精度，多臺(tái)凈化器在同一環(huán)境中指示燈顯示顏色不一致，也可能存在同一臺(tái)凈化器空氣質(zhì)量指示燈不斷跳邊的問題?？墒褂酶呔燃す夥蹓m傳感器進(jìn)行檢測粉塵濃度，但成本過高，沒有優(yōu)勢，因此，需要在紅外粉塵傳感器中選擇高精度、一致性好、跟隨性優(yōu)的粉塵傳感器用于空氣凈化器中，以提高產(chǎn)品競爭力的同時(shí)，提高用戶體驗(yàn)。

2 紅外粉塵傳感器選型

2.1 原理對比

目前用于家用的紅外粉塵傳感器主要是紅外光散式粉塵傳感器，主要分為如圖1所示的A、B兩類。

如圖1中，A類主要原理為通過粉塵傳感器中的發(fā)熱電阻產(chǎn)生熱氣，通過上升的氣流帶動(dòng)空氣流動(dòng)，傳感器內(nèi)部對角安裝有紅外線發(fā)光LED以及光電晶體管,紅外線發(fā)光LED產(chǎn)生一束細(xì)小光線，當(dāng)檢測區(qū)域的流動(dòng)氣流有灰塵通過時(shí)，光電晶體管接收紅外線發(fā)光LED產(chǎn)生的散射光，有散射光則產(chǎn)生脈沖信號，根據(jù)脈沖信號的時(shí)間判定粉塵濃度大小。B類主要原理為通過氣流循環(huán)使得環(huán)境空氣從傳感器穿流，此方式可運(yùn)用凈化器的風(fēng)扇吸力，將凈化器外部環(huán)境空氣吸入并通過粉塵傳感器，需要注意的是，粉塵傳感器需要增加相關(guān)的海綿措施，避免頭發(fā)等大顆粒吸入，影響檢測精度，傳感器內(nèi)部對角安裝有紅外線發(fā)光LED以及光電晶體管,紅外線發(fā)光LED上電產(chǎn)生一束光照射中間灰塵流通孔，由于光線在灰塵作用下具有散射作用，粉塵濃度越大光電晶體管接受光強(qiáng)度越強(qiáng)，通過光強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為電壓值判定粉塵濃度大小。

A類粉塵傳感器主要檢測的是粉塵的個(gè)數(shù)，而B類粉塵傳感器直接檢測粉塵的濃度，從原理上，直接輸出粉塵濃度，B類粉塵傳感器精度會(huì)更精確，且B類粉塵傳感器無需內(nèi)部電阻加熱帶動(dòng)上身氣流，響應(yīng)更快。

2.2 一致性及檢測范圍對比

不同廠家或不同型號粉塵傳感器，誤差不一致，在凈化器中使用，一致性不一致。需要根據(jù)實(shí)際運(yùn)用做相應(yīng)的一致性實(shí)驗(yàn)及跟隨性實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)方式為：在標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)環(huán)境為30 m3的凈化艙，使用標(biāo)準(zhǔn)高精度粉塵濃度測試儀（例如TSI儀器），將使用不同傳感器的凈化器分別放置在測試儀同一采集點(diǎn)或是相鄰近的位置，確保所有實(shí)驗(yàn)品與測試儀保持采集空間范圍接近。開啟攪拌風(fēng)扇，自動(dòng)點(diǎn)煙機(jī)安裝在遠(yuǎn)離采集點(diǎn)位置，記錄各實(shí)驗(yàn)凈化器粉塵濃度及測試儀的粉塵濃度值。傳感器A、B分別抽測三組，測試數(shù)據(jù)如圖2所示。

根據(jù)圖2所示的測試結(jié)果，傳感器B的一致性，跟隨性要好，使用0.7 倍測試數(shù)據(jù)，測試結(jié)果基本接近于高精度的測試儀。傳感器A的精度及一致性明顯較差。點(diǎn)煙后與測試儀器的測試范圍對比，根據(jù)實(shí)際測試數(shù)據(jù)顯示，傳感器B的測試范圍要廣。

2.3 積灰以及補(bǔ)償功能對比

部分傳感器有清潔窗口，提供清洗鏡頭，保持粉塵傳感器檢測準(zhǔn)確，但此種方式操作不便，鏡頭內(nèi)部也不易擦拭干凈，也易因擦拭導(dǎo)致粉塵傳感器鏡頭損壞的情況。在選型上，可選擇具有積灰校準(zhǔn)的傳感器，此類傳感器通過軟件算法判別灰塵積累情況繼而進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償校準(zhǔn)。通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)測試，無校準(zhǔn)需要擦拭鏡頭的傳感器，清洗后，有一定改善，但無法達(dá)到原來的效果；具有校準(zhǔn)的傳感器，積灰后，連續(xù)運(yùn)行24 h自動(dòng)補(bǔ)償后進(jìn)行測試，測試值仍較為貼近初始值，補(bǔ)償校準(zhǔn)效果明顯。

3 軟件設(shè)計(jì)

不同傳感器，其輸出濃度的方式不一致。以其中一款傳感器為例，傳感器輸出每個(gè)PWM脈波的周期為1 s，每個(gè)脈波的低電平時(shí)長反應(yīng)粉塵濃度大小，例如計(jì)算低電平平均時(shí)長為50 ms，則對應(yīng)粉塵濃度為50 ug/m3。軟件開啟兩個(gè)中斷，一個(gè)計(jì)時(shí)中斷（0.1 ms計(jì)時(shí)），一個(gè)IO口外部中斷（采用雙邊沿觸發(fā)模式），外部中斷為低電平時(shí)，開始計(jì)數(shù)（定時(shí)中斷計(jì)數(shù)），外部中斷為高電平時(shí)，讀取計(jì)數(shù)值，便得到1 s內(nèi)的濃度值，采集10個(gè)脈波的低電平總和，即10 s周期，然后計(jì)算單個(gè)脈波低電平的平均值（低電平總時(shí)長/10）作為首個(gè)10 s的原始粉塵濃度數(shù)據(jù)。此后每間隔5 s時(shí)間計(jì)算一次平均濃度，使用當(dāng)前5 s數(shù)據(jù)加上上一組5 s數(shù)據(jù)除以2，即得出10 s時(shí)間內(nèi)的濃度平均值。此后，每5 s為周期周而復(fù)始更新，并輸出10 s濃度平均值，作為實(shí)時(shí)采樣的粉塵濃度值。根據(jù)此值進(jìn)行空氣質(zhì)量等級顯示劃分以及相關(guān)邏輯功能處理。

軟件設(shè)計(jì)中，需要注意計(jì)時(shí)中斷的優(yōu)先級必須高于外部中斷的優(yōu)先級，避免在處理過程中，變量賦值無效：匯編先將變量值存于芯片通用寄存器，使用通用寄存器進(jìn)行計(jì)算，再存回原變量，在此步驟之間，如被外部中斷切入，則外部中斷清零等相關(guān)操作后，又被通用寄存器賦回原值，導(dǎo)致無法清零。導(dǎo)致檢測出錯(cuò)。

4 總結(jié)

粉塵傳感器的選型尤為重要，即需要考慮成本，又需要考慮傳感器性能、一致性。紅外粉塵傳感器具有價(jià)格較低、易安裝、使用簡便等特點(diǎn)，但也具有精度較差、一致性較差等缺點(diǎn)，故需要對不同廠家不同型號的傳感器進(jìn)行選型，通過原理對比、一致性及檢測范圍對比以及積灰以及補(bǔ)償功能對比，進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定粉塵傳感器的選型，選擇性價(jià)比高的傳感器運(yùn)用于凈化器中，以提高產(chǎn)品競爭力及用戶體驗(yàn)性。此外，在軟件設(shè)計(jì)中，需要針對不同傳感器選擇不同的檢測及運(yùn)用方案，以及需要注意不同方案下，軟件設(shè)計(jì)問題注意事項(xiàng)，避免產(chǎn)品有質(zhì)量問題。此粉塵傳感器的選型方式以及軟件設(shè)計(jì)方案及注意事項(xiàng)，為后續(xù)相關(guān)產(chǎn)品提供設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可為后續(xù)產(chǎn)品開發(fā)提供開發(fā)方案。