如何使用智慧型空氣品質感測器達到環境監測

使用智慧型空氣品質感測器的環境監測逐漸拓展到諸多應用，從智慧家庭、大樓與城市，以致於傳統汽車和電動汽車 (EV)，以及電池儲能系統 (BESS)。在智慧家庭、大樓和城市中，空氣品質感測器可監測空氣中有損空氣品質的粒子與氣體，藉此確保健康與安全，也可用於煙霧偵測，提供火災預警。在乘客車廂中，這些感測器可偵測有健康疑慮的揮發性有機化合物 (VOC) 和高濃度 CO₂。在電動車和 BESS 應用中，則可在電池外殼中偵測壓力增加以及氫氣含量升高的情況，接著讓電池進入第一段排氣，如此即可讓電池管理系統 (BMS) 有所因應並且避免發生第二段排氣，或整個電池系統熱失控。

這些應用中的感測器必須小巧、低功耗，更要支援安全啟動和安全韌體更新。通常還要含有多個感測器，以便涵蓋多種空氣品質監測項目。將這些功能集結到一個小巧的低功耗單元中，這個過程可能令人膽怯、容易重新來過，因此會讓解決方案的成本升高，並且延誤上市時間。

為了加快上市時間並控制成本，設計人員可以轉用經過工廠校準的感測器模組，並且支援安全啟動和韌體更新，更有提供連線選項，包括將數據傳送到雲端，或使用 CAN 或其他匯流排進行本地連接。

本文首先會比較光學微粒計數器、網印電化學和多重參數的感測器技術。也會介紹來自 Sensirion、Metis Engineering 與 Spec Sensors 的空氣品質感測器解決方案以及開發平台，還有 Infineon Technologies 的輔助裝置，並且提供相關建議，以便加快開發流程。

懸浮微粒 (PM) 感測器可計算特定尺寸粒子的數量，如PM2.5 和 PM10，其分別對應直徑 2.5 微米和 10 微米的粒子，也可依據應用需求提供其他尺寸粒子的數量。光學粒子計數器 (OPC) 是一種特定的 PM 技術，會將受測空氣移動，通過一個含有雷射與光偵測器的測量槽 (圖 1)。空氣中的粒子會將來自雷射的光線打散，偵測器則可測量散射光。測量值會轉換成以每立方米微克 (μg/m³) 為單位的質量濃度，並計算每立方公分 (cm³) 的粒子數量。使用 OPC 計算粒子數量很簡單，但要將該資訊轉換成質量濃度值則較為複雜。用於轉換的軟體需要考慮微粒的光學參數，如形狀和折射率。因此，與其他 PM 感測方法 (如直接、重量式、重力式技術) 相比，OPC 可能有更高的不準確率。

圖 1：OPC 使用雷射和光電二極體來計算空氣中的粒子數。(圖片來源：Sensirion)

並非所有 OPC 都相同。高準確度且昂貴的實驗室等級 OPC 就可計算測量槽中的每個粒子。市售的較低成本商業級 OPC 僅可對 5% 的氣溶膠粒子進行採樣，並使用軟體式估算技術來達到整體「測量」。尤其是像 PM10 這樣的大粒子，其密度通常非常低，無法用低成本的 OPC 直接測量。

隨著粒子尺寸增大，指定粒子質量中的粒子數量會急劇下降。與 PM1.0 粒子的氣溶膠相比，具有 PM8 粒子的氣溶膠，在指定質量下的粒子數量減少了約 500 倍。為了用與小粒子相同的準確度測量較大的粒子，低成本的 OPC 必須將幾個小時內的數據整合才能得出估計值。幸好，在現實環境中，氣溶膠中的大小粒子分布相當均勻。只要用正確設計的演算法，就可利用 PM0.5、PM1.0 和 PM2.5 粒子的測量值，準確估計較大粒子 (如 PM4.0 和 PM10) 的數量。

電流式氣體感測器

電流式感測器不會測量粒子數量，而是測量氣體濃度。這些電化學裝置可產生與受測氣體體積分率呈線性比例的電流。基本的電流式感測器由兩個電極和一個電解質組成。感測電極會測量氣體濃度，此電極由催化金屬組成，可將受測氣體的反應最佳化。氣體在進入感測器後，會通過毛細管擴散障壁，與感測電極發生反應。反電極可當作半電池，讓電路更完備 (圖 2)。外部電路會測量電流，並且判定氣體濃度。在某些設計中，甚至會納入第三個「參考」電極，以提高基本電電流式感測器的穩定性、信噪比並加快反應時間。

圖 2：電流式感測器可測量氣體濃度，其中使用的兩個電極由電解質隔開。(圖片來源： Spec Sensor)

電池組用的多重參數感測器

監測空氣品質只是感測器在電動車和 BESS 設備中用來保護電池組的初步任務。這些感測器會監測壓力、空氣溫度、濕度、露點和絕對含水量，也會監測揮發性有機化合物 (VOC)，如甲烷 (CH₄)、乙烯 (C₂H₄)、氫氣 (H₂)、一氧化碳 (CO) 和二氧化碳 (CO₂)。在電池排氣的第一階段，常見鋰離子電池中的鎳錳和鈷陰極會產生氣態產物，其中有已知的化學成分 (圖 3)。氫氣濃度相當關鍵；如果接近氫的爆炸下限 4%，則有可能爆炸或起火。應採取措施避免電池進入熱失控狀態。壓力感測器可以在電池組中偵測因排氣所引起的小幅度壓力上升現象。用其他感測器的測量值來交叉檢查壓力上升情況，就可避免誤警。

圖 3：電池排氣的第一階段有個特徵就是出現特定的氣體混合物 (圖片來源： Metis Engineering)

這種多重參數感測器還可以監測工作溫度過低的情況。電動車和 BESS 中的大型電池組通常含有主動散熱功能，可防止電池組在充電或放電時過熱。如果降溫太多，內部溫度會降至露點以下，導致電池組內部冷凝，有可能會引發電池短路而造成熱失控。露點感測器會在電池端子上累積冷凝前發出警報。

雷射 AQ 感測器

暖通空調 (HVAC) 系統、空氣清淨機和類似應用的設計人員可以使用 Sensirion 的 SPS30 PM 感測器來監測室內或戶外的空氣品質。SPS 感測器可測量 PM1.0、PM2.5、PM4 和 PM10 的質量濃度，以及 PM0.5、PM1.0、PM2.5、PM4 和 PM10 的粒子數量。質量濃度的精度為 ±10%，質量濃度範圍介於 0 至 1000μg/m³，使用壽命超過十年。SPS30 含有一個用於短距連接的 I²C 介面，以及一個用於長度超過 20 cm 纜線的 UART7 介面。

自動風扇清潔模式可依據預設間隔時間觸發，以確保測量的一致性。風扇清潔時會將風扇加速到最高速並持續 10 秒，以清除積聚的灰塵。PM 測量功能會在風扇清潔期間離線。預設的清潔間隔時間為每周，但可以設定其他間隔時間，以滿足特定的應用要求。

開發套件和安全啟動

SEK-SPS30 空氣品質監測感測器評估板可用於將 SPS30 連接至 PC，即可開始探索此 PM 感測器的功能。此外，DigiKey 還提供了一個平台，可將 Sensirion 的空氣品質感測器與 Infineon 的 PSoC 6 MCU 互相結合，開發新一代的智慧型空氣品質監測系統。對於注重隱私的智慧大樓系統，PSoC 6 可支援安全啟動和安全韌體更新 (圖 4)。

圖 4：Sensirion 和 Infineon 的這款開發套件可以實作安全啟動和安全韌體更新。(圖片來源：DigiKey)

電池組感測器

電動車和 BESS 電池組的設計人員可以使用 Metis Engineering 的 CANBSSGEN1 進行電池安全監測。此設計可偵測電池排氣引起的早期故障。這種採用 CAN 匯流排的感測器含有一個可更換的空氣過濾器，在電動車中特別有用 (圖 5)。可選配加速計，即可監測最高 24G 的衝擊和衝擊持續時間，以便系統判別電池組何時暴露於超出安全程度的衝擊。測量項目：

• 0.2 至 5.5 Bar 絕對壓力
• -30°C 至 +120°C 空氣溫度
• VOC、當量 CO₂ (eCO₂) 和H₂，單位為 ppb
• 絕對濕度，單位為 mg/m³
• 露點溫度

圖 5：此電池安全監測感測器含有一個可更換的空氣過濾器 (中心白色圓圈)。(圖片來源：Metis Engineering)

CAN 感測器開發套件

DEVKGEN1V1 開發套件有助於縮短與 Metis CAN 感測器搭配的系統整合時間。此感測器含有可設定的 CAN 匯流排速度和位址，並具有 DBC CAN 資料庫，可支援整合到幾乎各種具有 CAN 匯流排的車輛。基本開發套件可以擴充，以便開發人員在 CAN 網路中添加更多感測器。

室內空氣品質感測器

室內和車內空氣品質監測系統的設計人員可以使用 SPEC Sensors 的 110-801。110-801 是一款網印電流式氣體感測器，可以偵測與不良空氣品質相關的多種氣體，包括醇類、氨、一氧化碳、多種臭氣和硫化物。這些感測器的反應與受測氣體的體積分率呈線性比例，這可簡化系統整合作業 (圖 6)。此 20 x 20 x 3 mm 感測器的其他特點包括：

• 靈敏度達 ppm 等級
• 感測器功耗低於 10 μW
• 工作溫度介於 -10°C 至 +40°C (0°C 至 +40°C 連續工作)
• 可在多種污染物環境中完整穩定運作

圖 6：此網印電流式氣體感測器可以測量多種氣體的存在。(圖片來源： Spec Sensors)

電流式氣體感測器的整合

恆電位器電路會在電流式氣體感測器中控制工作電極的電位，並將電極電流轉換成輸出電壓 (圖 7)。運算放大器 U1 的第 2 引腳上的電壓會設定成參考電極電壓，工作電極的電位則由運算放大器 U2 的第 6 引腳設定。運算放大器 U2 還會將感測器的電流輸出轉換成電壓訊號。同時，運算放大器 U1 會將電流供應給反電極 (等於工作電極電流)。

圖 7：簡化的恆電位器電路可利用電流式感測器來實作氣體偵測。(圖片來源：Spec Sensors)

總結

如本文所述，設計人員在設計環境監測系統時，有多種空氣品質感測器技術可供挑選。OPC 可用於監測室內和戶外的潛在危險粒子濃度。基於 CAN 的多重感測器系統則可監測電動車和 BESS 電池組中的第一階段排氣，有助於避免熱失控以及火災或爆炸的可能性。低功耗的網印電流式氣體感測器可用於偵測導致空氣品質不良的多種氣體。