基礎(chǔ)知識(shí)之煙霧傳感器和空氣質(zhì)量傳感器

煙霧探測器是一種感應(yīng)煙霧的設(shè)備，將被測氣體的濃度轉(zhuǎn)換為與其成一定關(guān)系的電量輸出的裝置或器件，通常通過監(jiān)測煙霧的濃度來實(shí)現(xiàn)火災(zāi)防范，用于火災(zāi)防范和阻止禁區(qū)吸煙。

1：發(fā)展歷程

20世紀(jì)30年代末，瑞士物理學(xué)家沃爾特·耶格試圖發(fā)明一種毒氣傳感器。他期望進(jìn)入傳感器的氣體與電離的空氣分子結(jié)合，從而改變儀器電路中的電流。然而，他的裝置并沒有達(dá)到 它的目的，因?yàn)樾舛鹊臍怏w沒有影響傳感器的導(dǎo)電性。沮喪的耶格點(diǎn)燃了一支煙，驚訝地發(fā)現(xiàn)儀器上的儀表顯示電流下降了。與毒氣不同，他的香煙中的煙霧顆粒能夠改變電路的 電流。耶格爾的實(shí)驗(yàn)是為現(xiàn)代煙霧探測器鋪平道路的發(fā)展之一。煙霧傳感器維基百科

煙霧傳感器可以使死于火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)降低一半。根據(jù)美國消防協(xié)會(huì)的報(bào)告，2009-2013年間，在每100起火災(zāi)中，裝有煙霧傳感器的房屋有0.53人死亡，而沒有煙霧傳感器的房屋中則有1.18人死亡。經(jīng)過近一個(gè)世紀(jì)發(fā)展，煙霧傳感器變得種類繁多，同時(shí)在現(xiàn)代城市建設(shè)中變得越來越重要。

2：常見煙霧傳感器工作原理介紹

（1）光敏型煙霧傳感器

工作原理：煙霧顆粒進(jìn)入傳感器時(shí)，會(huì)吸收或散射光線，導(dǎo)致光線的強(qiáng)度發(fā)生變化，到達(dá)光敏元件上的光發(fā)生變化。光敏元件會(huì)根據(jù)光線的強(qiáng)度變化產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)，通過電路處理和分析，最終轉(zhuǎn)換為與煙霧濃度相關(guān)的輸出信號(hào)。

（2）離子型煙霧傳感器
工作原理：離子型煙霧傳感器主要由內(nèi)外兩個(gè)電離室構(gòu)成。外電離室（即檢測室）有孔與外界相通，煙霧可以從該孔進(jìn)入傳感器內(nèi)；內(nèi)電離室（即補(bǔ)償室）是密封的，煙霧不好進(jìn)入?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)，煙霧粒子竄進(jìn)外電離室，干擾了帶電粒子的正常運(yùn)行，使電流、電壓有所改變，破壞了內(nèi)外電離室之間的平衡，傳感器就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)而發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

（3）共振頻率型煙霧傳感器
工作原理：共振頻率型煙霧傳感器有發(fā)射器（發(fā)射聲波）和接收器（接收發(fā)送器發(fā)送的聲波并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)），空氣中存在煙霧顆粒會(huì)產(chǎn)生干擾，使得傳感器接收到的聲波信號(hào)發(fā)生變化，當(dāng)傳感器的發(fā)射器和接收器之間的共振頻率與空氣中的煙霧引起的干擾頻率相匹，傳感器會(huì)處于共振狀態(tài)。傳感器會(huì)檢測接收到的聲波信號(hào)的頻率，并將其與預(yù)設(shè)的共振頻率進(jìn)行比較，果接收到的聲波頻率與共振頻率不匹配，傳感器會(huì)判斷為有煙霧存在。

3：煙霧傳感器的應(yīng)用

煙霧傳感器有多個(gè)常見應(yīng)用場景，同時(shí)也是安全的重要保障

• 家庭安全：煙霧傳感器通常被安裝在住宅或公寓中，用于檢測火災(zāi)或煙霧。當(dāng)傳感器檢測到煙霧時(shí)，會(huì)觸發(fā)警報(bào)系統(tǒng)并發(fā)送信號(hào)給相關(guān)部門或家庭成員，以便及時(shí)采取適當(dāng)?shù)拇胧?/span>
• 商業(yè)建筑和辦公室：煙霧傳感器在商業(yè)建筑和辦公室中也被廣泛應(yīng)用。發(fā)生火災(zāi)或煙霧，煙霧傳感器會(huì)立即觸發(fā)火警報(bào)警器，向員工發(fā)出警報(bào)，從而提醒人們撤離，并迅速通知相關(guān)機(jī)構(gòu)以采取適當(dāng)?shù)拇胧?/span>
• 工業(yè)和制造業(yè)：在工業(yè)和制造業(yè)領(lǐng)域，煙霧傳感器被廣泛用于監(jiān)測生產(chǎn)過程中可能產(chǎn)生的煙塵或煙。這有助于保護(hù)工人的健康和安全，防止?jié)撛诘幕馂?zāi)和爆 車輛安全：煙霧傳感器也可應(yīng)用于車輛安全系統(tǒng)中。當(dāng)傳感器檢測到車輛內(nèi)部出現(xiàn)煙霧時(shí)，會(huì)立即觸發(fā)警報(bào)系統(tǒng)，提醒駕駛員及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，以預(yù)防火災(zāi)或其他安全事故的發(fā)生。
• 智能家居系統(tǒng)：煙霧傳感器可作為智能家居系統(tǒng)的一部分，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化功能。例如，在智能家居系統(tǒng)中，如果煙霧傳感器檢測到煙霧，可以自動(dòng)關(guān)閉家中的電器設(shè)備，打開門窗以增加通風(fēng)，通過手機(jī)App遠(yuǎn)程通知用戶。

市面上常見的煙霧傳感器產(chǎn)品：

4：主要的煙霧傳感器供應(yīng)商

• KIDDEKIDDE：早期煙霧探測和滅火的先驅(qū)Walter Kidde創(chuàng)立，是世界上最大的消防安全產(chǎn)品制造商之一
• 美國環(huán)球技術(shù)公司（UTC）UTC: UTC旗下?lián)碛卸嗉抑麩熿F傳感器品牌，如Kidde、Edwards等，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于消防系統(tǒng)、航空航天等行業(yè)。
• 漢威科技漢威科技：國內(nèi)知名的氣體傳感器及儀表制造商、物聯(lián)網(wǎng)解決方案提供商。

5:DigiKey器件參考

• 離子型煙霧傳感器:RE46C122E16F
• 光敏型煙霧傳感器:RE46C140S16TF

6：參考案例

MQ-2:

MQ-2型煙霧傳感器基于化學(xué)反應(yīng)的煙霧傳感器，屬于二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料，屬于表面離子式N型半導(dǎo)體。處于200~300攝氏度時(shí)，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負(fù)離子吸附，使半導(dǎo)體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當(dāng)與煙霧接觸時(shí)，如果晶粒間界處的勢壘收到煙霧的調(diào)至而變化，就會(huì)引起表面導(dǎo)電率的變化。利用這一點(diǎn)就可以獲得這種煙霧存在的信息，煙霧的濃度越大，導(dǎo)電率越大，輸出電阻越低，則輸出的模擬信號(hào)就越大。

MQ-2應(yīng)用電路：MQ-2常用的電路有兩種，一種使用采用比較器電路監(jiān)控，另一種為ADC電路檢測。

（1）：比較器電路

MQ-2的4腳輸出隨煙霧濃度變化的直流信號(hào)，被加到比較器U1A的2腳，Rp構(gòu)成比較器的門檻電壓。當(dāng)煙霧濃度較高輸出電壓高于門檻電壓時(shí)，比較器輸出低電平（0v），此時(shí)LED亮報(bào)警；當(dāng)濃度降低傳感器的輸出電壓低于門檻電壓時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)輸出高電平（Vcc），LED熄滅。調(diào)節(jié)Rp，可以調(diào)節(jié)比較器的門檻電壓，從而調(diào)節(jié)報(bào)警輸出的靈敏度。R1串入傳感器的加熱回路，可以保護(hù)加熱絲免受冷上電時(shí)的沖擊。

（2）：ADC轉(zhuǎn)換電路

將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為精確的煙霧濃度值。MQ-2傳感器的4腳、6腳的電壓為輸出信號(hào)，Rs為傳感器的本體電阻。其中若氣體濃度上升，必導(dǎo)致Rs下降。而Rs的下降則會(huì)導(dǎo)致MQ-2的4腳、6腳對(duì)地輸出的電壓增大。所以氣體濃度增大，其輸出的電壓也會(huì)增大，最終通過ADC0832轉(zhuǎn)換后數(shù)值增大。

PLC控制MQ-2

• 概述：使用PLC16F877A的一個(gè)ADC測量煙霧傳感器的輸出電壓，LCD與PLC16F877A的PORTC連接。
• 電路參考圖：

• 實(shí)物圖：

使用ARDUINO的一個(gè)煙霧探測器

• 概述：使用Arduino，基于GSM的帶有SMS警報(bào)的煙霧探測器的項(xiàng)目
• 結(jié)構(gòu)框圖：

• 實(shí)物圖：

空氣質(zhì)量傳感器是一種測量空氣的組成和質(zhì)量的設(shè)備，主要用于檢測和監(jiān)測空氣中的各種有害氣體和顆粒物。空氣質(zhì)量傳感器可以廣泛應(yīng)用于室內(nèi)和室外的空氣質(zhì)量監(jiān)測、工業(yè)環(huán)保、車載空氣凈化等領(lǐng)域?？諝赓|(zhì)量傳感器的工作原理一般基于傳感器和目標(biāo)氣體之間的物理或化學(xué)交互。

1：發(fā)展歷程

19世紀(jì)到20世紀(jì)，煤礦里的金絲雀為有毒氣體提供了提前預(yù)警。這些活生生的、移動(dòng)的、手持的傳感器通過檢測高濃度的二氧化碳、一氧化碳和甲烷拯救了無數(shù)礦工的生命。這些小鳥在采礦安全中發(fā)揮了重要作用，并于20世紀(jì)80年代中期退出采礦業(yè)。1937 年 - 空氣傳感便攜式設(shè)備發(fā)布，德拉格開發(fā)了第一根用于檢測采礦業(yè)一氧化碳的便攜式管。今天，Drager 管可檢測 100 多種不同的氣體。管子是裝滿化學(xué)試劑的玻璃小瓶，可對(duì)特定化學(xué)品或化學(xué)品家族發(fā)生反應(yīng)。當(dāng)檢測到目標(biāo)化學(xué)物質(zhì)時(shí)，吸入管中的空氣樣本會(huì)改變管子的顏色。顏色變化的長度通常表示測量的濃度。1974 年 - 第一個(gè)用于連續(xù)傳感的 PID，光電離檢測器（PID）作為手持式儀器引入，用于檢測揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）的泄漏。早期的便攜式PID于1974年首次推出，體積龐大，重量重（9磅），并具有單獨(dú)的手持式探頭和由肩帶攜帶的控制器。如今，隨著電子產(chǎn)品、電池和探測器的進(jìn)步，這些設(shè)備現(xiàn)在體積小、便攜，廣泛用于工業(yè)衛(wèi)生應(yīng)用。隨著人們對(duì)環(huán)境污染的關(guān)注增加，對(duì)空氣質(zhì)量監(jiān)測的需求也逐漸增加?？諝赓|(zhì)量傳感器簡史

2：常見空氣質(zhì)量傳感器工作原理介紹

（1）金屬氧化物半導(dǎo)體式傳感器

工作原理：金屬氧化物半導(dǎo)體式傳感器利用被測氣體的吸附作用，改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率，通過電流變化的比較，激發(fā)報(bào)警電路。由于半導(dǎo)體式傳感器測量時(shí)受環(huán)境影響較大，輸出線形不穩(wěn)定。金屬氧化物半導(dǎo)體式傳感器，因其反應(yīng)十分靈敏，故目前廣泛使用的領(lǐng)域?yàn)闇y量氣體的微漏現(xiàn)象。

（2）化燃燒式傳感器

工作原理：催化燃燒式傳感器原理是目前最廣泛使用的檢測可燃?xì)怏w的原理之一，具有輸出信號(hào)線形好、指數(shù)可靠、價(jià)格便宜、無與其他非可燃?xì)怏w的交叉干擾等特點(diǎn)。催化燃燒式傳感器采用惠斯通電橋原理，感應(yīng)電阻與環(huán)境中的可燃?xì)怏w發(fā)生無焰燃燒，是溫度使感應(yīng)電阻的阻值發(fā)生變化，打破電橋平衡，使之輸出穩(wěn)定的電流信號(hào)，再經(jīng)過后期電路的放大、穩(wěn)定和處理最終顯示可靠的數(shù)值。

（3）定電位電解式傳感器

工作原理：定電位電解式傳感器是目前測毒類現(xiàn)場最廣泛使用的一種技術(shù)，在此方面國外技術(shù)領(lǐng)先，因此此類傳感器大都依賴進(jìn)口。定電位電解式氣體傳感器的結(jié)構(gòu)：在一個(gè)塑料制成的筒狀池體內(nèi)，安裝工作電極、對(duì)電極和參比電極，在電極之間充滿電解液，由多孔四氟乙烯做成的隔膜，在頂部封裝。前置放大器與傳感器電極的連接，在電極之間施加了一定的電位，使傳感器處于工作狀態(tài)。氣體與的電解質(zhì)內(nèi)的工作電極發(fā)生氧化或還原反應(yīng)，在對(duì)電極發(fā)生還原或氧化反應(yīng)，電極的平衡電位發(fā)生變化，變化值與氣體濃度成正比。

（4）迦伐尼電池式氧氣傳感器

工作原理：迦伐尼電池式氧氣傳感器的結(jié)構(gòu)：在塑料容器的一面裝有對(duì)氧氣透過性良好的、厚10-30μm的聚四氟乙烯透氣膜，在其容器內(nèi)側(cè)緊粘著貴金屬（鉑、黃金、銀等）陰電極，在容器的另一面內(nèi)側(cè)或容器的空余部分形成陽極（用鉛、鎘等離子化傾向大的金屬）。用氫氧化鉀。氧氣在通過電解質(zhì)時(shí)在陰陽極發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使陽極金屬離子化，釋放出電子，電流的大小與氧氣的多少成正比，由于整個(gè)反應(yīng)中陽極金屬有消耗，所以傳感器需要定期更換。

（5）紅外式傳感器

工作原理：紅外式傳感器利用各種元素對(duì)某個(gè)特定波長的吸收原理，具有抗中毒性好，反應(yīng)靈敏，對(duì)大多數(shù)碳?xì)浠衔锒加蟹磻?yīng)。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。

（6）PID光離子化氣體傳感器

工作原理：PID由紫外燈光源和離子室等主要部分構(gòu)成，在離子室有正負(fù)電極，形成電場，待測氣體在紫外燈的照射下，離子化，生成正負(fù)離子，在電極間形成電流，經(jīng)放大輸出信號(hào)。PID具有靈敏度高，無中毒問題，安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。

3：空氣質(zhì)量傳感器的應(yīng)用

• 城市網(wǎng)格化環(huán)境監(jiān)測控：對(duì)空氣質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警，提前發(fā)現(xiàn)環(huán)境污染的問題，采取相應(yīng)措施防止環(huán)境污染。
• 智慧路燈：空氣質(zhì)量傳感器可以在智慧路燈中發(fā)揮重要的作用，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測周圍的空氣質(zhì)量情況，根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)控制路燈的亮度和顏色，保障城市居民的健康和生活質(zhì)量。
• 景區(qū)環(huán)境監(jiān)測：可以實(shí)時(shí)監(jiān)測景區(qū)內(nèi)的空氣質(zhì)量情況，提前預(yù)警環(huán)境污染的問題，采取相應(yīng)的措施保障游客的健康和安全。
• 工廠或礦場：監(jiān)測有害氣體、煙塵等污染物的濃度，以便及時(shí)采取措施進(jìn)行治理，保障員工的健康和安全。

市面上常見的空氣質(zhì)量傳感器產(chǎn)品：

4：主要的空氣質(zhì)量傳感器供應(yīng)商

• 慧聞科技慧聞科技：一家從事智能傳感器研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，同時(shí)提供人工嗅覺與壓感解決方案的國家級(jí)高新技術(shù)企業(yè)。
• 奧迪威奧迪威：從事智能傳感器和執(zhí)行器及相關(guān)應(yīng)用的研究、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和銷售的高新技術(shù)企業(yè)。
• 大連風(fēng)華大連風(fēng)華：專業(yè)從事傳感器與自動(dòng)化儀表產(chǎn)品的高科技企業(yè)。

5：DigiKey器件參考

• SGP40-D-R4
• SCD41-D-R2
• MICS-VZ-89TE

6：參考案例

MQ-135:

MQ-135型空氣質(zhì)量傳感器是一種金屬氧化物半導(dǎo)體式，使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率比較低的二氧化錫（SnO2）。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在污染氣體時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中污染氣體濃度的增加而最大。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。

ESP-WROOM-32從空氣質(zhì)量傳感器獲取數(shù)據(jù)并顯示

• 概述：使用esp-room-32從空氣質(zhì)量傳感器獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將其顯示在ThingsBoard儀表板上，使用Thingsboard Arduino SDK。
• 結(jié)構(gòu)框圖：

• 實(shí)物圖：