基礎(chǔ)知識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30年代末，瑞士物理學家沃爾特·耶格試圖發(fā)明一種毒氣傳感器。他期望進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，他的裝置并沒有達到 它的目的，因為小濃度的氣體沒有影響傳感器的導(dǎo)電性。沮喪的耶格點燃了一支煙，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。耶格爾的實驗是為現(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)的風險降低一半。根據(jù)美國消防協(xié)會的報告，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)過近一個世紀發(fā)展，煙霧傳感器變得種類繁多，同時在現(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：煙霧顆粒進入傳感器時，會吸收或散射光線，導(dǎo)致光線的強度發(fā)生變化，到達光敏元件上的光發(fā)生變化。光敏元件會根據(jù)光線的強度變化產(chǎn)生相應(yīng)的電信號，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。

（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，煙霧可以從該孔進入傳感器內(nèi)；內(nèi)電離室（即補償室）是密封的，煙霧不好進入。火災(zāi)發(fā)生時，煙霧粒子竄進外電離室，干擾了帶電粒子的正常運行，使電流、電壓有所改變，破壞了內(nèi)外電離室之間的平衡，傳感器就會產(chǎn)生感應(yīng)而發(fā)出報警信號。

（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），空氣中存在煙霧顆粒會產(chǎn)生干擾，使得傳感器接收到的聲波信號發(fā)生變化，當傳感器的發(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，傳感器會處于共振狀態(tài)。傳感器會檢測接收到的聲波信號的頻率，并將其與預(yù)設(shè)的共振頻率進行比較，果接收到的聲波頻率與共振頻率不匹配，傳感器會判斷為有煙霧存在。

3：煙霧傳感器的應(yīng)用

煙霧傳感器有多個常見應(yīng)用場景，同時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。當傳感器檢測到煙霧時，會觸發(fā)警報系統(tǒng)并發(fā)送信號給相關(guān)部門或家庭成員，以便及時采取適當?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，煙霧傳感器會立即觸發(fā)火警報警器，向員工發(fā)出警報，從而提醒人們撤離，并迅速通知相關(guān)機構(gòu)以采取適當?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。當傳感器檢測到車輛內(nèi)部出現(xiàn)煙霧時，會立即觸發(fā)警報系統(tǒng)，提醒駕駛員及時采取應(yīng)對措施，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，實現(xiàn)自動化功能。例如，在智能家居系統(tǒng)中，如果煙霧傳感器檢測到煙霧，可以自動關(guān)閉家中的電器設(shè)備，打開門窗以增加通風，通過手機App遠程通知用戶。

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，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負離子吸附，使半導(dǎo)體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當與煙霧接觸時，如果晶粒間界處的勢壘收到煙霧的調(diào)至而變化，就會引起表面導(dǎo)電率的變化。利用這一點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，被加到比較器U1A的2腳，Rp構(gòu)成比較器的門檻電壓。當煙霧濃度較高輸出電壓高于門檻電壓時，比較器輸出低電平（0v），此時LED亮報警；當濃度降低傳感器的輸出電壓低于門檻電壓時，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)報警輸出的靈敏度。R1串入傳感器的加熱回路，可以保護加熱絲免受冷上電時的沖擊。

（2）：ADC轉(zhuǎn)換電路

將電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，進而轉(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，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的下降則會導(dǎo)致MQ-2的4腳、6腳對地輸出的電壓增大。所以氣體濃度增大，其輸出的電壓也會增大，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：

• 實物圖：

使用ARDUINO的一個煙霧探測器

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

• 實物圖：

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氣體之間的物理或化學交互。

1：發(fā)展歷程

19世紀到20世紀，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。管子是裝滿化學試劑的玻璃小瓶，可對特定化學品或化學品家族發(fā)生反應(yīng)。當檢測到目標化學物質(zhì)時，吸入管中的空氣樣本會改變管子的顏色。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。隨著人們對環(huán)境污染的關(guān)注增加，對空氣質(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)報警電路。由于半導(dǎo)體式傳感器測量時受環(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)域為測量氣體的微漏現(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氣體的原理之一，具有輸出信號線形好、指數(shù)可靠、價格便宜、無與其他非可燃氣體的交叉干擾等特點。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)境中的可燃氣體發(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，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口。定電位電解式氣體傳感器的結(jié)構(gòu)：在一個塑料制成的筒狀池體內(nèi)，安裝工作電極、對電極和參比電極，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某個特定波長的吸收原理，具有抗中毒性好，反應(yīng)靈敏，對大多數(shù)碳氫化合物都有反應(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，生成正負離子，在電極間形成電流，經(jīng)放大輸出信號。PID具有靈敏度高，無中毒問題，安全可靠等優(yōu)點。

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：對空氣質(zhì)量進行實時監(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，可以實時監(jiān)測周圍的空氣質(zhì)量情況，根據(jù)實際情況自動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：可以實時監(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，以便及時采取措施進行治理，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，同時提供人工嗅覺與壓感解決方案的國家級高新技術(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、生產(chǎn)和銷售的高新技術(shù)企業(yè)。
• 大連風華大連風華：專業(yè)從事傳感器與自動化儀表產(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）。當傳感器所處環(huán)境中存在污染氣體時，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應(yīng)的輸出信號。

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)量傳感器獲取實時數(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：

• 實物圖：