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[图片] 空气净化器传感器有哪些?市面上空气净化器都用什么样的传感器?

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发表于 2020-7-16 09:14:16 | 显示全部楼层 |阅读模式
家电类产品对传感器的应用
家电类产品随着消费者对检测可视化及便于感知的需求,对于不同类型的传感器的应用也各有不同,此文重点展示现有应用比较广泛的家电类产品所涉及到的传感器,传感器包括PM2.5粉尘传感器,甲醛传感器,VOC传感器,温湿度传感器,CO2传感器等等,对传感器的发展情况、技术原理和技术水平现状、现有主要厂家、主要产品和应用情况等进行汇总总结。
1.PM2.5激光粉尘传感器
1.1 检测技术原理

激光器的定时开关(一般为200ms-500ms之间)形成两个电流信号值,此电流信号值通过信号转换器转化为电压信号,通过电压放大器把电压信号放大,然后通过MCU端计算两个电压信号的差值计算出对应的粉尘个数n与基准PM2.5检测设备输出值的对应关系。最终形成检测2.5值P与粉尘个数n之间的线性关系:
P=K*n+b
其中P为检测设备输出的2.5数值(检测设备一般选用TSI8530作为基准),K值为对应的P与离子个数n之间的线性相关性,即斜率;b为对应的截距。
通过反复拟合输出PM2.5值与离子个数n的关系,最终形成相应的线性关系,烧录到对应的传感器MCU中,形成传感器对应的数字输出值。
PID控制器可以理解为通过计算反馈风扇额定设定转速与实际转速的差值对应的占空比的差值变化进行相应的补偿,使风扇转速尽可能的接近设定额定转速,从而保证传感器对应的进气量恒定,从而保证单位时间内气流的稳定。
1.2 传感器组成
PM2.5激光粉尘传感器主要由激光模组,风扇,MCU等组成;激光膜组行业主流产品为:罗姆,QSI和索尼为主,同时对于民用产品一般激光膜组的温度选择多为50℃的,而对于车规级别的多数为70℃;风扇多选用DC直流风扇,包括风普利,永诚创,台达,建准等,风扇转速一般控制在4000r/min左右,各家产品略有差异;产品的差异性主要体现在测试系统的稳定性及一致性方面。
1.3 传感器的性能技术指标
目前此行业相对技术比较成熟,技术指标基本上都控制在100μg/m³以内为±10μg/m³,100μg/m³以上标称都为±10%的偏差!

但同时不可避免的存在着因为各家传感器标定筛选过程的差异,会导致产品及品牌的认知度存在不小的差异!
传感器验证四步法:demo板10pcs传感器,然后正常使用情况下连续工作1个月左右(过程中可一段时间用香烟刺激一次,看传感器数据的变化!),然后传感器是否有异音等问题,传感器数据一致性是否有变化,传感器震动是否超标或过大;对于正常的传感器来说,只需要保证传感器本身的一致性就可以,无需去强调判断传感器的准确性(准确性是相对的,而且根据传感器所装结构的差异,也会存在测试调试过程);部分传感器存在正常使用很难到0的问题,这个跟传感器厂家本身对传感器的设定有关,验证方法为:用手堵住传感器进气口后观察传感器能否在3-5s内到0。
另:用此类家用级别的激光粉尘传感器测试PM10,此数据的来源大多数厂家通过比例系数换算的方式获取,所以用2.5传感器显示PM10准确性很差,这也跟PM10在空气中的运行方式及不均匀性有关。
1.4 PM2.5传感器推荐
日本figaro 激光颗粒物传感器 PM2.5传感器 - TF-LP01是利用散射原理对空气中粉尘颗粒进行检测的小型模组,具备体积小、检测精度高、重复性好、一致性好、实时响应可连续采集、抗干扰能力强、采用超静音风扇,传感器出厂100%检测和标定等优点。

日本figaro 激光颗粒物传感器 PM2.5传感器TF-LP01特点:
检测精度高
响应时间短
产品小型化
日本figaro 激光颗粒物传感器 PM2.5传感器TF-LP01应用:
空气净化器、便携式空气质量检测设备、智能家居等场所。
2 甲醛传感器
2.1 甲醛传感器的种类划分
①甲醛氧化物气体传感器,灵敏度和恢复-响应特性也都达到了一定的高度,但选择性不高,主要是甲醇、乙醇、苯、甲苯、硫化氢、氨气、酒精、液化气、汽油等的干扰,但不同的气敏元件的干扰气体不同,可采用复合掺杂的方法提高其选择性。另外,适当利用传感器的电阻-温度特性可提高甲醛气体氧化物传感器的选择性,减小材料颗粒、增大比表面积和改善气敏材料的制备工艺从而提高气敏材料的质量可以使气敏元件的灵敏度和响应-恢复特性进一步提高。
可视化荧光甲醛传感器的选择性较好,线性响应也较好,它不需要借助任何光谱仪器就能进行可视化测定,但其恢复-响应特性和灵敏度都有待进一步提高。可用于定性和半定量的可视化的检测甲醛。 ③声表面波甲醛气体传感器受温度、湿度影响,要进行温度、湿度补偿,选择性和灵敏度都不高。寻找对甲醛选择性更好,吸附力更强,敏感度更高的敏感薄膜和提高薄膜涂覆的质量是提高其气敏性能的两个方向。
④甲醛气体分子筛传感器的选择性和灵敏度都有待进一步研究,恢复-响应特性也还有待进一步提高。如果能找到新的、对甲醛吸附能力更强的吸附剂,则能提高传感器的性能。
⑤甲醛气体电子鼻(组合传感器)的抗干扰能力强,响应专一,灵敏度高,测量结果精确,检测下限低,恢复-响应特性佳,是多种传感器和计算机技术的综合应用。甲醛气体电子鼻是多种甲醛传感器复合,综合性能较好,是将来甲醛气体传感器研究的重点方向。
甲醛传感器的检测方式包括两种方式,一种为半导体方式,一种为电化学方式,两种检测机理各有优缺点,根据不同的使用场景,具有不同的应用方式;
半导体类型甲醛传感器:主要以MOX等金属氧化物为甲醛敏感材料,主要金属氧化物包括:有半导体氧化铟、氧化锡和氧化锌等。半导体甲醛传感器在一定温度下对甲醛高度敏感,其电阻率随甲醛浓度的升高而降低。通过测量传感器的电阻变化就能检测出室内甲醛含量,但半导体传感器普遍存在灵敏度低和选择性差的不足;但同时存在寿命长的优势,因为半导体金属氧化物几乎无损耗情况,行业内统称为半永久型传感器。
电化学类型甲醛传感器:目前甲醛传感器行业的主流类型,具有一致性好,灵敏度高,响应时间和恢复时间短等特点,但也存在寿命短的问题。
对于电化学甲醛传感器,又包含两种类型,一种为选用固态电解质方案的如EC-Sence的,可以有效的解决温湿度对传感器的零点漂移影响,但同样存在因固态电解质导致的反应不均匀而出现的信号灵敏度差的问题,正常对于低浓度的检测精度不高,但对高浓度环境检测性能较好,所以也决定了此类型的传感器不太适合应用于民用环境。

2.2 检测技术原理
考虑到目前的实际应用效果,重点以电化学甲醛传感器的检测机理进行描述:
目前的甲醛传感器检测甲醛时发生如下的电化学反应:
阳极(工作电极):HCHO+H2O→CO2+4H++4e
阴极(对电极):O2+4H++4e-→2H2O
整个反应方程式为:HCHO+O2→CO2+H2O
电化学传感器结构比较简单,测量范围和分辨率基本能达到室内环境检测的要求,但缺点是所受干扰物质多。由于电解质与被测甲醛气体发生不可逆化学反应而被消耗,故其工作寿命短。
对于甲醛传感器的组合模块,也有相似的甲醛检测过程,但是因为增加上了VOC进行干扰气体的判断(程序逻辑算法优化),可以一定程度上降低其他气体的干扰导致的甲醛突变,同时通过温湿度传感器检测周边温度的变化,调整甲醛传感器零点漂移和温度补偿问题。
2.3 电化学甲醛传感器的组成
电化学甲醛组成一般如下图所示

1.上塑胶外壳
2.下塑胶外壳
3.透气防水过滤膜(一般有聚四氟乙烯等共聚物等制成,具有优异的防水透气性)
4.透气孔
5.电解质液(一般为硫酸磷酸等酸性电解质的一种或几种混合,也有的是以氢氧化钠、氢氧化钾等碱性电解质的一种或几种混合,也有的是用氯化钠、醋酸钾等中性电解质的一种或几种混合而成。)
6.电极(包括正负电极,目前批量化成熟产品多为两电极类产品)
7.电解基片(目前国内的一些甲醛传感器厂家通过购买达特基片进行封装而成)
8.PCBA
当气体通过扩散方式进入到传感器中时,测其化学性质(如电流,电位,电量等)的变化则可实现物质及含量的测定,传感器的正电极和负电极由一个电解质液隔开,电化学传感器通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作,气体通过微小的透气孔与传感器产生反应,然后再经过透气防水过滤膜,到达电极表面,气体与传感器电极发生反应,以产生充分的电信号,同时防止电解质液出传感器,通过透气防水过滤膜扩散的气体与传感器电极发生反应,传感的电极可以采用氧化反应和还原反应的机理,这些反应由针对备测气体而设计的电极材料进行催化,通过电极间连接的电阻器,与被测气浓度成正比的电流会在正电极与负电极之间流动,通过测量该电流的大小即可确定气体浓度。
2.3 传感器的性能技术指标
电化学甲醛传感器的技术指标,各厂家标称的参数差别不大,如下图炜盛的为例:

MEMS 微结构气体传感器发展速度迅猛,目前主流设计结构有三种,即封闭膜式结构(Closed membrane)、桥式结构(Bridge type)和悬臂梁式结构(Suspended type),其核心部件为信号电极、加热电极和气敏材料。对于甲醛传感器的选择,主要关注如下几个指标,从下述指标的优劣确认最合适的传感器。
1. 分辨率 在相同的检测条件下,通入与甲醛浓度相同的干扰气体,传感器电阻在甲醛和干扰气体中,相对稳态时阻值的变化量之比,即:
α = ΔR1/ ΔR2
式中ΔR1为检测甲醛气体元件电阻值的变化量,ΔR2为检测其他气体的电阻值变化量。
传感器的分辨阈值一般在0.05mg/m³。
2. 响应时间 处于稳态下的 N 型半导体气体传感器接触到被测气体后,输出的电压值为其稳定值的90%时,所花费的时间为气体传感器的响应时间。T90 :传感器暴露在稳定甲醛浓度下 4T90(4 倍响应时间)时间后,可以认为传感器示数达到稳定。一般为30s左右
3. 恢复时间 当被测气体被迅速排空后,N型半导体气体传感器输出的电压值回复到初态时的10%时,所花费的时间为气体传感器的恢复时间。 T10一般比响应时间长一半左右,大概为45s左右
4. 一致性 同种材料、同种工艺制作的多个气体传感器在检测同浓度的被测气体时,所输出的信号曲线的相似性。
5. 重复性 同一个传感器对被测气体进行反复多次检测后,检测同浓度的被测气体时,每次检测结果的一致性。
6.甲醛传感器的温湿度影响:电化学甲醛受温度和湿度影响较大,温度越高,输出的A/D值信号越小,对应的输出值越低;湿度越高,信号越强,对应的输出值越高。但相对来说在使用温度范围内0-40℃内,整体数据的影响大概在50%左右,而在一定的湿度范围内,相对应该比例在10%左右,所以温度对甲醛传感器的影响干扰问题必须重点考虑。
7.灵敏度:灵敏度一般是指单位气体浓度对应的被检测量(如:电阻)的变化。它的单位一般是A/ppm,Ω/ppm,1/ppm等。灵敏度和响应度(Response)既有区别又有联系。响应度通常是指一定浓度气氛下,被测量的变化值,它对应的单位是A、Q等。一般来说,相同的气体浓度下,响应度越大,灵敏度越高。
通过对电化学甲醛传感器响应与恢复时间灵敏度检出限分辨力有效量程使用寿命不确定度全面的测试调研,分析其离散程度,求得各指标客观权重及各层级分项指标的隶属度。
其中传感器的不确定度是通过分析具体实验结果,采用相应的不确定度分量评定方法进行估算的。
2.4 甲醛传感器推荐
TB600B 系列甲醛检测模组汇集了诸多来自德国的高精度检测技术,以及德国团 队的设计理念,核心传感器采用全球电化学领域体积最小的德国 EC yense 固态聚合物甲醛传感器。可以替代我们的鼻子去精准嗅出甲醛浓度, 实现精准甲醛气体的监测。 UART 数字式信号输出,省去了客户对传感器应用的了解,以及校准的繁琐工作。

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