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传感器知识

近年来,雾霾天气在我国频繁多发,空气质量问题引起了全社会的高度关注。随着人们生活水平日益提高以及全民健康意识的不断提升,空气质量监测和空气净化类产品得到了广泛关注,随着需求的增大,空气净化器的厂家也日益增多。 

空气净化器产品类型不同于空调,就普通广大的消费者而言,对其购买的空气净化器产品是否有效,很难建立直观的感受与判断,需要有相关的监测数据来给予公正的评价。因此,粉尘传感器逐步引起行业关注,评价室内空气质量好坏只有粉尘传感器才能实现,它能够感知空气中危害成分的浓度,是空气净化器产品与用户间建立直接感受的一个重要桥梁。

在国内外中高端空气净化器市场,粉尘传感器的应用已经十分普遍,是智能空气净化器必备的传感器之一。随着国内空气净化器市场的高速增长,粉尘传感器技术也是发展迅猛,尤其是激光粉尘传感器得到了快速发展,国内厂家也纷纷推出自家的激光粉尘传感器。2014-2015年是国内激光粉尘传感器发展最快的一个时期,产品也是逐步走向成熟、稳定、量产。在当前空气净化粉尘颗粒PM2.5检测领域中,主要采用两种粉尘传感器:红外粉尘传感器和激光粉尘传感器,首先为大家介绍一下什么是激光粉尘传感器、红外粉尘传感器。

 

激光粉尘传感器VS红外粉尘传感器 

 

 

1激光粉尘传感器

一看到激光二字,首先会想到的是科幻影片中炫酷,威力强大的激光武器。其实,激光不仅在军事领域被大量应用,也被大量应用于医疗、照明、测距、切割、IT等领域。

激光的英文单词是“LASER”,源于英文词组“受激辐射的光放大”的首字母缩写。起初,LASER在我国被简单地音译为“雷射”。1964年在著名科学家钱学森的建议下改为“激光”。到底什么是激光?激光是指利用“受激辐射产生光放大”这一特殊的物理现象所产生的光。与普通的可见光相比,激光具有:抗干扰性高、方向性强、单色性好、功率密度高的特点。抛开专业的物理学术语,通俗来讲,激光光源产生的光像一群人在大合唱,所有人的声音都是一个音调而且节奏整齐;而普通可见光源产生的光就好像是KTV房间里的喧闹声,叽叽渣渣,杂乱无序。激光能够被汇聚成非常集中的平行光束,并且能在很长距离内保持较小的扩散角度和较高的功率密度。常见的激光器一般分为三大类:固体激光器,气体激光器以及半导体激光器(俗称激光LED),在粉尘传感器领域,一般采用的是激光LED作为光源。

 

2红外粉尘传感器

红外LED是发射波长在红外段的发光二极管,常见波长一般在850nm~940nm左右,广泛应用于      医疗、安防、通信、遥控和传感等领域。由于红外LED发光波长在可见光谱以外,配合特定光谱的接收器,可以大幅削弱环境光对接收信号的影响。得益于近年来红外LED技术的不断成熟,红外LED具有:寿命长、发射效率高、单色性较好以及方向性较好的特点。这使得红外LED在传感器领域,尤其是粉尘传感器行业被大量应用。

许多厂家在激光型与红外型粉尘传感器二者选择中很苦恼,下面将从以下四个方面介绍两者之间的区别:

 

一、结构和原理

红外粉尘传感器的结构和电路比较简单,光源为红外LED光源,根据光的散射原理,LED发射出光线遇到粉尘产生反射光,光敏探测器检测到反射光的光强,根据脉冲信号的大小判断粉尘的浓度。即当没有检测到灰尘时,光敏探测器输出低脉冲。反之,当检测到灰尘时,输出高脉冲。且脉冲信号与检测到的光强成比例,脉冲信号经放大器放大和处理器运算,最终输出检测结果,输出信号一般只有PWM信号。

 

 

 

激光粉尘传感器的结构和电路相对复杂,光源为激光二极管。激光传感器的光源为激光二极管,通过风扇产生内部负压进行空气采样,当采样气体中的粒子通过光源(激光)等收束的光束时,产生光散射现象。散射光通过光电变换器变为电信号(脉冲),粒子越大得出该脉冲信号就越大(波峰值),通过此时的波峰值和脉冲数就可得出每个粒径的个数浓度。即通过测试散射光的数量和强度,得出实时测试数据。

 

二、精度测量

今年4月份,央视每周质量报告主题为《看不清的霾表》的一期内容中,国家质检总局组织了对霾表的风险监测,对30批次样品进行测试,其中没有一件在测试条件下符合参考标准要求。当“雾霾”成了这个时代的一个关键词,有一块能测量空气质量的霾表在手,成了很多人新的生活时尚。手持便携式空气质量检测仪(俗称霾表)也因此变的畅销。据专家介绍,这次风险监测统一设定霾表样品的试验数据如果误差超过了正负20%,就视为不符合参考标准的要求。根据测试的结果统计:本次检测的30批次样品,在100微克每立方米的测试浓度时,示值误差不符合参考标准要求批次达到93%,测量重复性不符合参考标准要求也有46%。在500微克每立方米的测试浓度时,所有样品示值误差都不符合参考标准;测量重复性方面样品不符合参考标准比例为46%。专家介绍,数据显示,这种试验条件下,30个样品没有一台示值误差和测量重复性同时达到正负20%的精度,抽检的30批次样品,无一例符合标准。

专家表示这些霾表的设计简单,测试结果表明内置的传感器就是一个摆设,没有辅助的风扇或其他辅助气流进入装置,因此进入霾表的空气较少,准确程度可想而知。

图4

激光粉尘传感器可以检测到0.3um以上的颗粒,自带高性能CPU,采用风扇或鼓风机采集大量数据,经由专业颗粒计数算法分析。

因为红外LED光散射的颗粒信号较弱,只对大于1um的大颗粒有响应,而且又仅用加热电阻来推动采样气流,采样数较少,数据计算完全交由上位机进行,红外粉尘传感器只可检测到1um以上的颗粒,测量精度相对不足。

综上,在采样数、数据源、算法三方面都比红外粉尘传感器更有优势。

三、价格成本

红外型粉尘传感器市场价格约在30元左右,从成本角度出发激光型粉尘传感器增加了激光发生器和风机等零部件,且电路相对复杂,所以成本有所增加。然而随着近两年激光型粉尘传感器的应用普遍以及技术的成熟,以及激光型粉尘传感器可以支持数值显示的功能来讲,价格相对于红外粉尘传感器已经不存在劣势,反而是高性价比的选择。

四、行业应用

由于精度不足,红外原理传感器主要用于工矿扬尘,检测对象为大粒径、高浓度粉尘,检测级别是mg/m3,无法准确测量PM2.5的浓度。

激光原理传感器主要应用在PM2.5检测领域,以精度量化PM2.5质量。可嵌入到家用(车载、手持)空气检测仪、空气净化器中。此外,激光原理传感器在物联网数据采集、环境质量检测等领域亦有应用。

 

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