室內空氣質(zhì)量如何？Sensirion傳感器幫你一探究竟

今天，當我們查詢(xún)電氣預報時(shí)，除了陰晴雨雪和溫度這些常規的信息之外，還會(huì )對“大氣污染指數”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(guò)你是否意識到，當我們普遍對“宏觀(guān)”的室外空氣質(zhì)量變得越發(fā)在意時(shí)，對于“微觀(guān)”的室內空氣質(zhì)量也需要投以同樣的，甚至是更多的關(guān)注。

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

而且，隨著(zhù)人們對于減少建筑能耗的訴求越來(lái)越強烈，現代建筑的密閉性也越來(lái)越好，這在減少室內冷氣或暖氣耗散到室外的同時(shí)，也使得室內空氣的流通和置換速度減慢，這也會(huì )進(jìn)一步加速室內污染物的聚集，導致空氣質(zhì)量變差。

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

室內空氣質(zhì)量的關(guān)鍵指標

為了改善室內空氣質(zhì)量，一方面人們通過(guò)制定相關(guān)的法規和標準，劃定室內空氣質(zhì)量的“紅線(xiàn)”；另一方面，人們也在努力嘗試通過(guò)更有效的技術(shù)手段，去優(yōu)化空氣質(zhì)量，比如通過(guò)空調新風(fēng)系統加速室內空氣的流通，以物理或化學(xué)的方法吸附污染物或對其進(jìn)行無(wú)害化的“中和”處理……但所有這些舉措的前提，都是要對室內空氣質(zhì)量進(jìn)行一個(gè)準確的測量。

一般來(lái)講，衡量室內空氣質(zhì)量的好壞，需要監測以下幾個(gè)重要的指標：

CO2（二氧化碳）

人類(lèi)新陳代謝活動(dòng)會(huì )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(lèi)活動(dòng)和人員密度相關(guān)，因此往往被作為空氣質(zhì)量?jì)?yōu)劣的標志性指標?？諝庵械亩趸紳舛冗^(guò)高，會(huì )影響人體二氧化碳的排出和氧氣的攝入，可能會(huì )導致頭痛、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(huì )造成顆粒污染。特別是二氧化氮（NO2），會(huì )對呼吸系統造成損害。因此空氣中氮氧化物濃度升高，會(huì )對人們的肺功能產(chǎn)生不利影響。

甲醛

甲醛是一種無(wú)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空間中十分常見(jiàn)。較高濃度的甲醛會(huì )導致眼睛、呼吸系統的不適，長(cháng)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(huì )刺激身體、導致頭暈或引發(fā)哮喘；長(cháng)期接觸VOC，則可能會(huì )導致肺癌或損害肝臟、腎臟或神經(jīng)系統。

顆粒物

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

溫濕度

溫濕度也是室內空氣質(zhì)量的一個(gè)重要風(fēng)向標。一般認為，40-60%的相對濕度是人類(lèi)理想的舒適度范圍，如果超出這個(gè)范圍——極度干燥的空氣會(huì )刺激呼吸道，而過(guò)于潮濕的空氣會(huì )導致冷凝，進(jìn)而引發(fā)霉菌滋生，這都會(huì )成為置身室內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)鍵的指標數據，你就可以對室內空氣質(zhì)量心知肚明，進(jìn)而及時(shí)觸發(fā)優(yōu)化空氣質(zhì)量的設備，提供一個(gè)健康、舒適的室內環(huán)境。

感測室內空氣質(zhì)量的傳感器

當然，對于這些室內空氣質(zhì)量的感知和洞察，離不開(kāi)能夠精準測量這些關(guān)鍵指標參數的傳感器。人們對室內空氣質(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(shuō)人們對室內空氣質(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(shí)、精準地測量，是一款優(yōu)秀傳感器產(chǎn)品的基本功。不過(guò)針對室內空氣測量這個(gè)應用場(chǎng)景，“測得準”并不是唯一的設計要求，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空間中，或被整合進(jìn)越來(lái)越多的智能設備內，實(shí)現無(wú)處不在的室內空氣監測和感知。

高集成：在實(shí)現小型化的同時(shí)，越來(lái)越多的傳感器被設計成一個(gè)包含完整系統的模組形態(tài)，更加方便集成和應用。同時(shí)，在單一傳感器模組內集成多種傳感器，實(shí)現多指標參數的測量，也是室內空氣質(zhì)量傳感器發(fā)展的一個(gè)重要趨勢。

低成本：考慮到這些傳感器會(huì )被應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(gè)合理的平衡，也十分重要。

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

易開(kāi)發(fā)：為了便于與室內空氣質(zhì)量相關(guān)的整個(gè)自動(dòng)化系統的開(kāi)發(fā)，很多傳感器都提供數字化的數據接口。此外，除了提供硬件，傳感器廠(chǎng)商通常也會(huì )提供配套的軟件算法，最大限度地簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)過(guò)程。

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

Sensirion室內空氣質(zhì)量傳感方案

對于在室內空氣質(zhì)量監測域深耕多年的Sensirion來(lái)說(shuō)，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(lái)認識其中幾款產(chǎn)品。

SGP41 CMOSens?/MOXSens?數字空氣質(zhì)量傳感器

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

圖1：SGP41 CMOSens/MOXSens 數字空氣質(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——在“干凈”的空氣環(huán)境中，MOX的電阻可能為數兆歐姆；而在加熱條件下，如果存在特定氣體，MOX材料的電阻將顯著(zhù)下降至數十千歐姆；當不加熱和/或不接觸被測氣體時(shí)，MOX電阻則恢復為高阻狀態(tài)。

SGP41及其氣體指數算法具有較高的穩健性，可實(shí)現獨特的長(cháng)期穩定性和低漂移，使用壽命可超過(guò)10年；其采用2.44 mm2x 0.85mm的DFN封裝，可在空間有限的應用中使用；在3.3V時(shí)功耗僅為3.2mA。

總體來(lái)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(hù)輕松搞定室內VOC和NOx的監測。

圖2：SGP41框圖

（圖源：Sensirion）

SHT4x數字溫濕度傳感器

SHT4x數字溫濕度傳感器是Sensirion的第四代溫濕度傳感器，全系列的產(chǎn)品可以滿(mǎn)足不同精度的測量要求，可在寬測量范圍內提供恒定溫度精度——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。

圖3：SHT4x數字溫濕度傳感器

（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(xiàn)性化數字輸出、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(wú)論是在開(kāi)發(fā)還是在生產(chǎn)上，都能為用戶(hù)提供很大的便利性。

圖4：SHT4x數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(gè)“微型”的CO2和溫濕度傳感器，從名稱(chēng)中可以看出，其顯著(zhù)的特點(diǎn)就是“小”，體積僅為1cm3。之所以可以實(shí)現微型化，是因為SCD4x采用了獨特的光聲感測法（Photoacoustic）。

圖5：傳感器SCD4x微型CO2傳感器

（圖源：Sensirion）

以往常見(jiàn)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(cháng)（4.26μm）的紅外光有較強的吸收作用，因此通過(guò)測量光學(xué)腔中紅外光線(xiàn)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(diǎn)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(gè)方案的尺寸難于壓縮。

SCD4x所采?的光聲NDIR感測法不同：該系統的紅外光源會(huì )向氣室中發(fā)射一個(gè)特定頻率的窄帶紅外光，它會(huì )激發(fā)氣室中的CO2使其發(fā)生振動(dòng)，這種振動(dòng)會(huì )導致氣體溫度升高，進(jìn)而導致氣壓升高。通過(guò)控制紅外光源的開(kāi)關(guān)，氣室內的氣壓會(huì )產(chǎn)生周期性的變化，這種壓力變化會(huì )被氣室中內置的麥克風(fēng)記錄并轉換為聲波，就可以通過(guò)監測聲波的參數得到氣室中CO2的濃度。

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

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

同時(shí)，在性?xún)r(jià)比、機械穩定性、傳感器輸出方面，基于光聲NDIR感測的?案都有明顯的優(yōu)勢。

圖7：與傳統透射式NDIR?案相比，基于光聲NDIR感測的SCD4x具有顯著(zhù)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(gè)額外傳感器輸出，可滿(mǎn)足智慧城市、物聯(lián)網(wǎng)、汽車(chē)、暖通空調、家電和消費品等不同應用領(lǐng)域的要求。

圖8：SCD4x 光聲NDIR CO2傳感器功能框圖

（圖源：Sensirion）

SEN5x環(huán)境傳感器節點(diǎn)

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(shí)現多個(gè)指標的測量，比如SCD4x就同時(shí)可以監測CO2和溫濕度。不過(guò)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。

圖9：SEN5x環(huán)境傳感器節點(diǎn)

（圖源：Sensirion）

SEN5x環(huán)境傳感器節點(diǎn)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，構成了?個(gè)完整的環(huán)境傳感器模組。Sensirion提供的專(zhuān)有算法，可以實(shí)現溫度和濕度補償、VOC指數計算等功能，使得SEN5x可以很方便地集成到暖通空調和空氣質(zhì)量應用中。

SEN5x具有4.5V至5.5V的電壓范圍，5V時(shí)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(cháng)；它還具有一個(gè)I2C接口，可與主控MCU進(jìn)行通信。

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(hù)可以根據自己的目標應用選擇合適的物料。

圖11：SEN5x系列產(chǎn)品特性比較

（圖源：Sensirion）

本文小結

當我們邁入智能化時(shí)代，身邊的傳感器也越來(lái)越多越來(lái)越多，也越來(lái)越智能?？諝赓|(zhì)量傳感器是我們日常生活中高頻使用，能夠滿(mǎn)足人們健康“剛需”的關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品，隨著(zhù)人們提升室內空氣質(zhì)量訴求的強化，相關(guān)傳感器也將迎來(lái)一波持續的增長(cháng)。

不過(guò)，隨著(zhù)市場(chǎng)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?xún)r(jià)比、耐用性、低功耗，以及易用性等諸多方面也都要不斷精進(jìn)。

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。想在室內空氣監測領(lǐng)域有所作為的小伙伴，快來(lái)了解一下吧！