红外粉尘传感器检测应用研究

红外粉尘传感器检测应用研究

潘耀权刘湘莲

珠海格力电器股份有限公司     广东珠海 519000

摘要：粉尘传感器检测的准确性是衡量空气净化器可靠性的关键指标，根据红外粉尘传感器的结构及感应原理分析，通过试验发现空气净化器出风口风速对传感器的检测准确性存在较大影响，当风速超过界限值时，应对传感器的感应可靠性进行验证，并通过设计对比方案及验证，找出了解决问题的最佳方案，为后续粉尘传感器实际运用过程中可能出现的问题提供了相应的解决依据。

关键词：空气净化器；粉尘传感器；可靠性

Abstract:The accuracy of dust sensor detection is a key indicator to measure the reliability of the air purifier. According to the analysis of the structure and induction principle of the infrared dust sensor, it is found through the test that the wind speed of the air purifier outlet has a great impact on the detection accuracy of the sensor. When the wind speed exceeds the limit value, the sensor's induction reliability should be verified. The best solution to the problem is found out, which provides the corresponding basis for solving the problems that may occur in the subsequent practical application of the dust sensor.

Keywords:Air purifier, Dust sensor, Detection

1 引言

空气质量一直是人们关注的热点话题，而PM2.5浓度是空气质量评判中的重要指标，PM2.5指空气中直径小于等于2.5μm的可吸入颗粒物[1]，这些微小的粉尘会吸附细菌病毒等微生物，随呼吸进入人体呼吸道，对人们的身体健康产生极大影响[2]。经研究发现，儿童呼吸系统患病（如哮喘、支气管炎等）发生率与PM2.5 呈线性正相关关系[3,4]，所以实现对空气中PM2.5颗粒的实时准确测量对确保人身安全和环境质量评估有着重要意义[5]。

红外粉尘传感器是一种利用红外光散射原理来测量空气中粉尘浓度的传感器[6]。它具有结构简单、使用方便、成本低廉等优点，在工业、环境监测等领域有着广泛的应用。在当前的空气净化领域，PM2.5传感器差不多已经成为净化设备的标配硬件[7]，其作用是对空气中的PM2.5等颗粒物浓度进行监测，实时反映空间内的空气质量数据，所以粉尘传感器检测的准确性是衡量空气净化器可靠性的关键指标[8]。

本文主要探究了在空气净化器上，红外粉尘传感器进出风结构设计对其感应可靠性的影响，并通过方案优化设计，得出了最佳改善方案。

2  红外粉尘传感器感应原理简介

2.1 红外粉尘传感器感应原理

红外粉尘传感器感应原理如图1所示。

图1红外传感器感应原理

PM2.5红外粉尘传感器被设计用来感应空气中的尘埃粒子，其内部对角安装着红外灯和光电二极管，红外管发射出平行光线，光电二极管能够探测到空气中粉尘的反射光，他们的光轴相交，气流进出风口主要靠电阻（加热器）发热以获得热气流流动，当带灰尘的气流通过光轴相交的交叉区域，粉尘对红外光反射，接收传感器检测到反射光的光强，输出信号，根据输出信号光强度的大小判断粉尘的浓度，通过输出两个不同的脉宽调制信号（PWM）区分不同灰尘颗粒物的浓度。

2.2 结构简介

红外粉尘传感器除外部进风口外，传感器所在的密封腔内也设置有四个进风孔，如图2（b），编号为1、2、3、4。在本文的空气净化器中，外界空气经进风口被吸入传感器内腔后，被吸入的空气在发热电阻的温度下使得热气流流动，从而获取正确的空气质量信号，当气流扰动较大时，会使得空气流速变快，从而影响实际的空气质量检测。

图2传感器结构图

3  问题分析

3.1要因确认

经查阅资料，由传感器的进风结构可知粉尘传感器的信号容易受正面直吹气流的影响，当气流扰动变化较快时，会导致传感器进、出风口测试数值差值较大，从而影响测试准确性。故设计以下试验进行验证，选取2台（编号170和171）试验测试样机，在不同档位下对样机出风口风速和传感器进、出风口的PM2.5数值进行检测，风速仪测试图3中1、2、3、4点位置的风速，每个测试点连续记录5个数值并取平均值作为该点的风速，同时观察PM2.5的感应情况。

图3  出风口风速测试点

170样机和171样机的传感器位于出风口测试点2和4之间，表1为两台测试样机出风口风速的对比表，由测试数据可知，高档出风口风速6.36 m/s明显高于低档风速4.56m/s。且在测试过程中发现，样机高风档运行时PM2.5指示灯均出现偶尔不闪烁的情况，低档风速未出现，说明样机出风口风速对传感器的数值检测有显著影响。

表1 170样机和171样机出风口风速对比表

3.2方案设计及选择

通过对传感器结构的观察，决定对其密封腔的进风孔分别进行密封堵孔试验设计，并按照方案开展试验后选取最优方案，试验记录见下表3。

试验方案：选取两台试验样机（编号170和171），在其不同的密封设计方案下开启高、中、低档运行，记录传感器进出风口数值，并观察运行时PM2.5指示灯的闪烁情况。

表3  不同方案下170样机PM2.5测试记录表

注：正常情况下，进出风口传感器读数应该小于20，PM2.5指示灯应该判定持续闪烁。

由测试结果可知：

（1）正常未密封样机，进出风口数值差距大，且档位越高，差值越大，读数易受到风速干扰；

（2）密封2、3进风口后，进出风口差值小，且在档位变换的情况下，数值波动较为稳定，读数不易受到风速干扰；

（3）其他密封方案，进出风口差值大，且在档位变换的情况下，数值波动较为稳定，读数不易受到风速干扰。

4  方案验证

为验证该密封方案的稳定性及可靠性，需对用户存在的使用情况分别进行试验验证，即在不安装滤网、安装洁净滤网（初始滤网）和安装脏滤网（CCM测试后滤网）的条件下，验证密封传感器进风孔2和3是否会对PM2.5正常读数及显示存在影响。选取2台（编号170和171）试样测试样机，对传感器进风孔2和3进行密封后，开启高档持续运行，在不同时间点对其进、出风口的数值进行检测并计算差值，表4为在不同滤网测试条件下的测试结果。

表4不同滤网状态下高风档PM2.5测试及提示验证

在不同滤网状态测试条件下，对传感器进风孔2和3密封后，传感器进、出风口读数波动不大，读数相对较为稳定，长期测试下也未出现PM2.5检测异常的情况。

利用科学软件Minitab对两台试验样机的验证数据进行分析，下图4为分析结果，说明在对传感器进风口2和3密封后，两台样机在上述验证的各试验条件下，其进出风口差值可完全受控，即可消除风速对PM2.5数值检测的影响，提升空气质量检测的稳定性及可靠性。

图4170和171样机的过程能力分析

5  结论

本文针对空气扰动对传感器检测准确性的影响研究，通过设计对比方案及验证，找出了最佳解决方案，同时得出以下结论：

（1）本文通过试验证明了粉尘传感器的信号容易受正面直吹气流的影响，建议传感器避免安装在进出风口，以防出现风速的干扰问题。

（2）粉尘传感器的检测信号会受到风速高低的影响，当传感器安装位置的风速高于6.0m/s时，可通过结构干预改变其腔体内气流方向，解决风速对传感器检测准确性的影响，并对其感应可靠性进行验证。

参考文献:

[1]GB3095-2012.环境空气质量标准[S].

[2]肖德玲,袁琪,岳锐.可吸入颗粒物的危害及其净化技术[J].洁净与空调技术,2011.

[3]蒋琴琴,施洁,杨轶戬,等.广州市2015年大气PM2.5与呼吸系统疾病日门诊量的关系[J].中国热带医学,2017,17(6)：594-597.

[4]魏复盛,胡伟,滕恩江,等.空气污染与儿童呼吸系统患病率的相关分析[J].中国环境科学,2000(3)：220-224.

[5] 程芳,朱丽华.PM2.5粉尘传感器与智能家居的联合应用[J].佳木斯大学学报(自然科学版),2019(02).

[6] 李荫珑,丘珊珊；空气净化器中粉尘传感器的选型及运用[J].日用电器,2022.

[7] 孙滨,姜传林,陈元勇.基于光学粉尘传感器的车载空气净化装置设计[J].电子技术,2013.

[8] 刘婷婷.微型PM2.5传感器研究和测试[J].现代信息科技,2020.