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室內(nèi)空氣質(zhì)量如何?Sensirion傳感器幫你一探究竟

發(fā)布時間:2022-12-12 來源:Mouser 責任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】今天,當我們查詢電氣預(yù)報時,除了陰晴雨雪和溫度這些常規(guī)的信息之外,還會對“大氣污染指數(shù)”格外關(guān)注,因為大家都知道,空氣質(zhì)量的優(yōu)劣與人們的身體健康息息相關(guān)。不過你是否意識到,當我們普遍對“宏觀”的室外空氣質(zhì)量變得越發(fā)在意時,對于“微觀”的室內(nèi)空氣質(zhì)量也需要投以同樣的,甚至是更多的關(guān)注。


室內(nèi)空氣質(zhì)量(Indoor Air Quality,IAQ)之所以更重要,是因為有研究數(shù)據(jù)表明,人們約80%到90%的時間都是在封閉的室內(nèi)度過的——這些“室內(nèi)”空間不僅限于家庭,還包括辦公室、建筑、公共場所,以及交通工具等——因此一旦室內(nèi)空氣質(zhì)量不佳,對人們健康的負面影響也更為嚴重。


而且,隨著人們對于減少建筑能耗的訴求越來越強烈,現(xiàn)代建筑的密閉性也越來越好,這在減少室內(nèi)冷氣或暖氣耗散到室外的同時,也使得室內(nèi)空氣的流通和置換速度減慢,這也會進一步加速室內(nèi)污染物的聚集,導(dǎo)致空氣質(zhì)量變差。


有數(shù)據(jù)顯示,室內(nèi)空氣污染是室外空氣污染的5倍,室內(nèi)空氣質(zhì)量也已經(jīng)被列為危害公眾健康的五大環(huán)境風險之一。因此,關(guān)注和改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的工作刻不容緩。


室內(nèi)空氣質(zhì)量的關(guān)鍵指標


為了改善室內(nèi)空氣質(zhì)量,一方面人們通過制定相關(guān)的法規(guī)和標準,劃定室內(nèi)空氣質(zhì)量的“紅線”;另一方面,人們也在努力嘗試通過更有效的技術(shù)手段,去優(yōu)化空氣質(zhì)量,比如通過空調(diào)新風系統(tǒng)加速室內(nèi)空氣的流通,以物理或化學(xué)的方法吸附污染物或?qū)ζ溥M行無害化的“中和”處理……但所有這些舉措的前提,都是要對室內(nèi)空氣質(zhì)量進行一個準確的測量。


一般來講,衡量室內(nèi)空氣質(zhì)量的好壞,需要監(jiān)測以下幾個重要的指標:


CO2(二氧化碳)


人類新陳代謝活動會吸入氧氣并呼出二氧化碳,因此在封閉空間中,二氧化碳濃度與人類活動和人員密度相關(guān),因此往往被作為空氣質(zhì)量優(yōu)劣的標志性指標??諝庵械亩趸紳舛冗^高,會影響人體二氧化碳的排出和氧氣的攝入,可能會導(dǎo)致頭痛、困倦、精神萎靡等癥狀,或者是減弱身體抵御病原體的能力,危害健康。


氮氧化物


氮氧化物主要由化石燃料燃燒產(chǎn)生,會造成顆粒污染。特別是二氧化氮(NO2),會對呼吸系統(tǒng)造成損害。因此空氣中氮氧化物濃度升高,會對人們的肺功能產(chǎn)生不利影響。


甲醛


甲醛是一種無色的刺激性氣體,通常存在于裝修材料、家具、油漆以及織物中,因此在新裝修的室內(nèi)空間中十分常見。較高濃度的甲醛會導(dǎo)致眼睛、呼吸系統(tǒng)的不適,長期暴露在這樣的環(huán)境中還可能引發(fā)癌癥等更嚴重的疾患。


VOC(揮發(fā)性有機化合物)


VOC是在室溫或更高溫度下蒸發(fā)的含碳物質(zhì)。短期接觸VOC,會刺激身體、導(dǎo)致頭暈或引發(fā)哮喘;長期接觸VOC,則可能會導(dǎo)致肺癌或損害肝臟、腎臟或神經(jīng)系統(tǒng)。


顆粒物


主要是指一些微米級別的顆粒物,常見的如灰塵、塵螨、霉菌或花粉等,它們會導(dǎo)致過敏反應(yīng)和誘發(fā)呼吸系統(tǒng)、心血管疾病。有些致病的病毒或病菌也會附著在這些細小的顆粒物上,隨它們進入人體,導(dǎo)致疾病的傳播和流行。


溫濕度


溫濕度也是室內(nèi)空氣質(zhì)量的一個重要風向標。一般認為,40-60%的相對濕度是人類理想的舒適度范圍,如果超出這個范圍——極度干燥的空氣會刺激呼吸道,而過于潮濕的空氣會導(dǎo)致冷凝,進而引發(fā)霉菌滋生,這都會成為置身室內(nèi)的處于不健康或亞健康狀態(tài)的主要誘因。


掌握了上述這些關(guān)鍵的指標數(shù)據(jù),你就可以對室內(nèi)空氣質(zhì)量心知肚明,進而及時觸發(fā)優(yōu)化空氣質(zhì)量的設(shè)備,提供一個健康、舒適的室內(nèi)環(huán)境。


感測室內(nèi)空氣質(zhì)量的傳感器


當然,對于這些室內(nèi)空氣質(zhì)量的感知和洞察,離不開能夠精準測量這些關(guān)鍵指標參數(shù)的傳感器。人們對室內(nèi)空氣質(zhì)量的關(guān)注,也為相關(guān)的傳感器提供了用武之地。


如果說人們對室內(nèi)空氣質(zhì)量傳感器有什么要求,那么排在第一位的肯定是“測得準”,畢竟能夠提供及時、精準地測量,是一款優(yōu)秀傳感器產(chǎn)品的基本功。不過針對室內(nèi)空氣測量這個應(yīng)用場景,“測得準”并不是唯一的設(shè)計要求,除此之外其他的一些特性也同樣十分關(guān)鍵。


小型化:外形緊湊的傳感器,可非常方便地部署在室內(nèi)空間中,或被整合進越來越多的智能設(shè)備內(nèi),實現(xiàn)無處不在的室內(nèi)空氣監(jiān)測和感知。


高集成:在實現(xiàn)小型化的同時,越來越多的傳感器被設(shè)計成一個包含完整系統(tǒng)的模組形態(tài),更加方便集成和應(yīng)用。同時,在單一傳感器模組內(nèi)集成多種傳感器,實現(xiàn)多指標參數(shù)的測量,也是室內(nèi)空氣質(zhì)量傳感器發(fā)展的一個重要趨勢。


低成本:考慮到這些傳感器會被應(yīng)用在很多消費級的產(chǎn)品中,因此在性能和成本上達到一個合理的平衡,也十分重要。


耐用性:這其中有兩個含義:一是傳感器需要具有出色的可靠性和魯棒性,在長期工作中提供穩(wěn)定的測量;二是需要具有低功耗的特性,以支持更長的續(xù)航能力和低維護性的需要。


易開發(fā):為了便于與室內(nèi)空氣質(zhì)量相關(guān)的整個自動化系統(tǒng)的開發(fā),很多傳感器都提供數(shù)字化的數(shù)據(jù)接口。此外,除了提供硬件,傳感器廠商通常也會提供配套的軟件算法,最大限度地簡化開發(fā)過程。


如果你看到一款傳感器能夠達到上述這些要求,恭喜你,它也許就是室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測應(yīng)用所需的理想之選!


Sensirion室內(nèi)空氣質(zhì)量傳感方案


對于在室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測域深耕多年的Sensirion來說,在其豐富的傳感器產(chǎn)品組合中,這樣的“理想之選”還真不少。今天我們就帶大家來認識其中幾款產(chǎn)品。


SGP41 CMOSens?/MOXSens?數(shù)字空氣質(zhì)量傳感器


Sensirion的SGP41 CMOSens?/MOXSens? 數(shù)字空氣質(zhì)量傳感器是一款完整、易用的單芯片傳感器系統(tǒng),內(nèi)置數(shù)字I2C接口和溫度控制微熱板,可以提供VOC和NOx室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測。


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圖1:SGP41 CMOSens/MOXSens 數(shù)字空氣質(zhì)量傳感器

(圖源:Sensirion)


SGP41為MOX(金屬氧化物)傳感器。MOX材料是可變電阻器,可對所接觸氣體中特定的化學(xué)物質(zhì)做出響應(yīng)——在“干凈”的空氣環(huán)境中,MOX的電阻可能為數(shù)兆歐姆;而在加熱條件下,如果存在特定氣體,MOX材料的電阻將顯著下降至數(shù)十千歐姆;當不加熱和/或不接觸被測氣體時,MOX電阻則恢復(fù)為高阻狀態(tài)。


SGP41及其氣體指數(shù)算法具有較高的穩(wěn)健性,可實現(xiàn)獨特的長期穩(wěn)定性和低漂移,使用壽命可超過10年;其采用2.44 mm2x 0.85mm的DFN封裝,可在空間有限的應(yīng)用中使用;在3.3V時功耗僅為3.2mA。


總體來講,這是一款可靠耐用、小型化、低功耗的集成化解決方案,可以幫助客戶輕松搞定室內(nèi)VOC和NOx的監(jiān)測。


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圖2:SGP41框圖

(圖源:Sensirion)


SHT4x數(shù)字溫濕度傳感器


SHT4x數(shù)字溫濕度傳感器是Sensirion的第四代溫濕度傳感器,全系列的產(chǎn)品可以滿足不同精度的測量要求,可在寬測量范圍內(nèi)提供恒定溫度精度——其工作相對濕度范圍為0%至100%,工作溫度范圍為-40°C至+125°C,可在冷凝下工作。


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圖3:SHT4x數(shù)字溫濕度傳感器

(圖源:Sensirion)


該溫濕度傳感器具有很寬的電壓范圍(1.08V至3.6V),超低的功耗(空閑電流為80nA),以及緊湊的外形(1.5mm x 1.5mm x 0.5mm小型QFN封裝)。


此外,SHT4x已完全校準,具有線性化數(shù)字輸出、NIST可追溯性和I2C快速模式+接口。由于采用卷帶封裝,很適合標準SMD組裝工藝,因此無論是在開發(fā)還是在生產(chǎn)上,都能為用戶提供很大的便利性。


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圖4:SHT4x數(shù)字溫濕度傳感器功能框圖

(圖源:Sensirion)


SCD4x微型CO2傳感器


SCD4x是一個“微型”的CO2和溫濕度傳感器,從名稱中可以看出,其顯著的特點就是“小”,體積僅為1cm3。之所以可以實現(xiàn)微型化,是因為SCD4x采用了獨特的光聲感測法(Photoacoustic)。


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圖5:傳感器SCD4x微型CO2傳感器

(圖源:Sensirion)


以往常見的CO2傳感器采用的是非分散紅外(NDIR)測量方案,其工作原理是氣體被抽入或擴散到光學(xué)腔中,由于CO2對特定波長(4.26μm)的紅外光有較強的吸收作用,因此通過測量光學(xué)腔中紅外光線被吸收程度,就能夠計算出空間中氣體CO2的濃度。這種方法的特點是精度高,但是為了確保精度,對光學(xué)腔的體積有下限要求,因此注定整個方案的尺寸難于壓縮。


SCD4x所采?的光聲NDIR感測法不同:該系統(tǒng)的紅外光源會向氣室中發(fā)射一個特定頻率的窄帶紅外光,它會激發(fā)氣室中的CO2使其發(fā)生振動,這種振動會導(dǎo)致氣體溫度升高,進而導(dǎo)致氣壓升高。通過控制紅外光源的開關(guān),氣室內(nèi)的氣壓會產(chǎn)生周期性的變化,這種壓力變化會被氣室中內(nèi)置的麥克風記錄并轉(zhuǎn)換為聲波,就可以通過監(jiān)測聲波的參數(shù)得到氣室中CO2的濃度。


這種方法無需體積較大且復(fù)雜的光學(xué)腔,因此可以將整個傳感器的體積大大減小。比如,SCD4x的占位?積僅為基于傳統(tǒng)NDIR技術(shù)傳感器SCD30的1/5。


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圖6:SCD4x與采?傳統(tǒng)NDIR技術(shù)的SCD30的外形比較(圖源:Sensirion)


同時,在性價比、機械穩(wěn)定性、傳感器輸出方面,基于光聲NDIR感測的?案都有明顯的優(yōu)勢。


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圖7:與傳統(tǒng)透射式NDIR?案相比,基于光聲NDIR感測的SCD4x具有顯著的優(yōu)勢(圖源:Sensirion)


除了上述的優(yōu)勢特性,SCD4x系列傳感器還集成了優(yōu)質(zhì)的濕度和溫度傳感器,可提供兩個額外傳感器輸出,可滿足智慧城市、物聯(lián)網(wǎng)、汽車、暖通空調(diào)、家電和消費品等不同應(yīng)用領(lǐng)域的要求。


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圖8:SCD4x 光聲NDIR CO2傳感器功能框圖

(圖源:Sensirion)


SEN5x環(huán)境傳感器節(jié)點


細心地小伙伴們可能已經(jīng)注意到,在上面這幾款Sensirion空氣質(zhì)量傳感器中,在單一器件中已經(jīng)可以實現(xiàn)多個指標的測量,比如SCD4x就同時可以監(jiān)測CO2和溫濕度。不過要論“多合一”測量的高手,還得是SEN5x一體化空氣質(zhì)量傳感器。


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圖9:SEN5x環(huán)境傳感器節(jié)點

(圖源:Sensirion)


SEN5x環(huán)境傳感器節(jié)點集顆粒物質(zhì)(PM1.0/PM2.5/PM4.0/PM10)、VOC、相對濕度和溫度傳感于?體,構(gòu)成了?個完整的環(huán)境傳感器模組。Sensirion提供的專有算法,可以實現(xiàn)溫度和濕度補償、VOC指數(shù)計算等功能,使得SEN5x可以很方便地集成到暖通空調(diào)和空氣質(zhì)量應(yīng)用中。


SEN5x具有4.5V至5.5V的電壓范圍,5V時的平均電流消耗為63mA;優(yōu)化的鞘流技術(shù)令其具有很高的防塵性,使用壽命長;它還具有一個I2C接口,可與主控MCU進行通信。


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圖10:SEN5x框圖

(圖源:Sensirion)


SEN5x系列傳感器包括完整的產(chǎn)品組合,提供不同的配置,用戶可以根據(jù)自己的目標應(yīng)用選擇合適的物料。


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圖11:SEN5x系列產(chǎn)品特性比較

(圖源:Sensirion)


本文小結(jié)


當我們邁入智能化時代,身邊的傳感器也越來越多越來越多,也越來越智能??諝赓|(zhì)量傳感器是我們?nèi)粘I钪懈哳l使用,能夠滿足人們健康“剛需”的關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品,隨著人們提升室內(nèi)空氣質(zhì)量訴求的強化,相關(guān)傳感器也將迎來一波持續(xù)的增長。


不過,隨著市場的發(fā)展,對于空氣質(zhì)量傳感器的要求也在升級,除了精準的測量,這些傳感器在小型化、集成度、性價比、耐用性、低功耗,以及易用性等諸多方面也都要不斷精進。


在這些方面,Sensirion提供了一系列標桿性的產(chǎn)品,可以幫你快速上手、一探空氣質(zhì)量的究竟。想在室內(nèi)空氣監(jiān)測領(lǐng)域有所作為的小伙伴,快來了解一下吧!


來源:Mouser



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