空氣凈化器中粉塵傳感器的選型及運用

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行對室內(nèi)空氣進行凈化，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]。

為了檢驗空氣凈化器對顆粒物的凈化效果，并實現(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)常常會采用粉塵傳感器進行檢測空氣質(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。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，多臺在同一環(huán)境中，濃度相差大，最大可達30 % 的誤差，一致性差，影響檢測精度，影響用戶體驗。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，精度為±15 ug/m3（部分傳感器精度誤差達±30 ug/m3），在空氣質(zhì)量不變的情況下，因檢測精度，多臺凈化器在同一環(huán)境中指示燈顯示顏色不一致，也可能存在同一臺凈化器空氣質(zhì)量指示燈不斷跳邊的問題。可使用高精度激光粉塵傳感器進行檢測粉塵濃度，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，提高用戶體驗。

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空氣流動，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)生一束細小光線，當(dāng)檢測區(qū)域的流動氣流有灰塵通過時，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度越強，通過光強度轉(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更精確，且B類粉塵傳感器無需內(nèi)部電阻加熱帶動上身氣流，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)實際運用做相應(yīng)的一致性實驗及跟隨性實驗。具體實驗方式為：在標(biāo)準(zhǔn)的試驗環(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或是相鄰近的位置，確保所有實驗品與測試儀保持采集空間范圍接近。開啟攪拌風(fēng)扇，自動點煙機安裝在遠離采集點位置，記錄各實驗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。點煙后與測試儀器的測試范圍對比，根據(jù)實際測試數(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行相應(yīng)的補償校準(zhǔn)。通過實際實驗測試，無校準(zhǔn)需要擦拭鏡頭的傳感器，清洗后，有一定改善，但無法達到原來的效果；具有校準(zhǔn)的傳感器，積灰后，連續(xù)運行24 h自動補償后進行測試，測試值仍較為貼近初始值，補償校準(zhǔn)效果明顯。

3 軟件設(shè)計

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PWM脈波的周期為1 s，每個脈波的低電平時長反應(yīng)粉塵濃度大小，例如計算低電平平均時長為50 ms，則對應(yīng)粉塵濃度為50 ug/m3。軟件開啟兩個中斷，一個計時中斷（0.1 ms計時），一個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，開始計數(shù)（定時中斷計數(shù)），外部中斷為高電平時，讀取計數(shù)值，便得到1 s內(nèi)的濃度值，采集10個脈波的低電平總和，即10 s周期，然后計算單個脈波低電平的平均值（低電平總時長/10）作為首個10 s的原始粉塵濃度數(shù)據(jù)。此后每間隔5 s時間計算一次平均濃度，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，作為實時采樣的粉塵濃度值。根據(jù)此值進行空氣質(zhì)量等級顯示劃分以及相關(guān)邏輯功能處理。

軟件設(shè)計中，需要注意計時中斷的優(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，使用通用寄存器進行計算，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。

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格較低、易安裝、使用簡便等特點，但也具有精度較差、一致性較差等缺點，故需要對不同廠家不同型號的傳感器進行選型，通過原理對比、一致性及檢測范圍對比以及積灰以及補償功能對比，進行相應(yīng)的實驗，通過實驗數(shù)據(jù)確定粉塵傳感器的選型，選擇性價比高的傳感器運用于凈化器中，以提高產(chǎn)品競爭力及用戶體驗性。此外，在軟件設(shè)計中，需要針對不同傳感器選擇不同的檢測及運用方案，以及需要注意不同方案下，軟件設(shè)計問題注意事項，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)計方案及注意事項，為后續(xù)相關(guān)產(chǎn)品提供設(shè)計經(jīng)驗，可為后續(xù)產(chǎn)品開發(fā)提供開發(fā)方案。