近年來,霧霾天氣在我國頻繁多發(fā),空氣污染時刻影響著我們的健康，空氣質(zhì)量問題已引起全社會高度關(guān)注。隨著人們生活水平日益提高以及全民健康意識的不斷提升，空氣質(zhì)量監(jiān)測和空氣凈化類產(chǎn)品得到了廣泛關(guān)注，惹人注目的是空氣監(jiān)測、凈化類產(chǎn)品的智能化極致體驗，讓清新空氣不再是奢求!

　　空氣凈化器產(chǎn)品不同于空調(diào)，就普通消費者而言，對其購買的空氣凈化器產(chǎn)品是否有效是很難建立一個很直觀的感受，需要有相關(guān)的監(jiān)測數(shù)據(jù)給予公正的評價。因此，粉塵傳感器逐步引起行業(yè)關(guān)注，評價室內(nèi)空氣質(zhì)量好壞只有粉塵傳感器，它能夠感知空氣中危害成分濃度，是空氣凈化器產(chǎn)品與用戶間建立直接聯(lián)系的最重要的橋梁。

　　在國內(nèi)外中高端空氣凈化器市場，粉塵傳感器的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，是智能空氣凈化器必備的傳感器之一。

　　隨著國內(nèi)空氣凈化器市場的高速增長，粉塵傳感器技術(shù)也是發(fā)展迅猛，尤其是激光粉塵傳感器得到了快速發(fā)展，國內(nèi)廠家也紛紛推出自家的激光粉塵傳感器。2014年至2015年是國內(nèi)激光粉塵傳感器發(fā)展最快的一個時期，產(chǎn)品也是逐步走向成熟、穩(wěn)定、量產(chǎn)。

　　國內(nèi)粉塵傳感器市場確實是精彩紛呈，新品倍出，有哪個廠商不想在這大好環(huán)境中脫穎而出? 然而，亂花漸欲迷人眼，從各廠商對自己產(chǎn)品的宣傳來看，都側(cè)重于渲染自家產(chǎn)品的優(yōu)勢，這無可厚非;但有時不免言之偏頗，缺乏客觀性。本文從如何選擇合適的粉塵傳感器來幫助中高端空氣凈化器產(chǎn)品提升用戶體驗、創(chuàng)造價值入手，淺談空氣凈化器到底該用哪種粉塵傳感器。

　　正確認(rèn)識激光粉塵傳感器和紅外粉塵傳感器
　　一提到激光，很多人首先會想到的是科幻影片中各種造型各異，威力強(qiáng)大的激光武器。事實上，除了軍事領(lǐng)域外激光技術(shù)被大量應(yīng)用于醫(yī)療、照明、測距、切割和IT等領(lǐng)域。例如這些年VCD、DVD和藍(lán)光產(chǎn)品的普及，其實都得益于激光技術(shù)的逐步發(fā)展。

　　激光的英文單詞LASER來源于英文詞組“受激輻射的光放大”的首字母縮寫。最初，LASER在我國被簡單地音譯為雷射，1964年在我國著名科學(xué)家錢學(xué)森建議下改稱“激光”。那么，究竟什么是激光?激光其實是指利用“受激輻射產(chǎn)生光放大”這一特殊的物理現(xiàn)象，所產(chǎn)生的光。拋開晦澀懂的物理學(xué)術(shù)語，與普通的可見光相比，激光具有：相干性高、方向性強(qiáng)、單色性好以及功率密度高的特點。打個形象點的比方，激光光源產(chǎn)生的光像大合唱，所有人的聲音都是一個音調(diào)而且節(jié)奏整齊;而普通可見光源產(chǎn)生的光就好像是茶館店里喧鬧聲，嘰嘰渣渣，雜亂無序。因此，激光能夠被匯聚成非常集中的平行光束，并且能在很長距離內(nèi)保持較小的擴(kuò)散角度和較高的功率密度。常見的激光器一般分為：固體激光器，氣體激光器以及半導(dǎo)體激光器(俗稱激光LED)三大類。在儀表級激光粒子計數(shù)器領(lǐng)域，一般采用(氦氖)氣體激光器作為光源。在粉塵傳感器領(lǐng)域，由于受成本約束，一般采用激光LED作為光源。 紅外LED是發(fā)射波長在紅外段的發(fā)光二極管，常見波長一般在850nm~940nm左右，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、安防、通信、遙控和傳感等領(lǐng)域。由于紅外LED發(fā)光波長在可見光譜以外，配合特定光譜的接收器，可以大幅削弱環(huán)境光對接收信號的影響。得益于近年來紅外LED技術(shù)的不斷成熟，紅外LED具有：壽命長、發(fā)射效率高、單色性較好以及方向性較好的特點。這使得紅外LED在傳感器領(lǐng)域，尤其是粉塵傳感器行業(yè)被大量應(yīng)用。

　　在當(dāng)前粉塵顆粒PM2.5檢測領(lǐng)域中，主要采用兩種粉塵傳感器：紅外粉塵傳感器和激光粉塵傳感器。

　　有些朋友對兩者的差別存在疑問。在此，美時美克從五個方面向大家簡要介紹一下。

　　一，結(jié)構(gòu)和原理

　　紅外原理粉塵傳感器的結(jié)構(gòu)和電路比較簡單。其光源為紅外LED光源，氣流進(jìn)出風(fēng)口主要靠電阻發(fā)熱以獲得熱氣流流動，有顆粒通過即輸出高電平。輸出信號只有PWM型號。

　　激光傳感器的結(jié)構(gòu)和電路相對復(fù)雜。其光源為激光二極管。采樣空氣通過風(fēng)扇或鼓風(fēng)機(jī)推動，通過復(fù)雜設(shè)計的風(fēng)道，進(jìn)行檢測。當(dāng)空氣中的細(xì)顆粒物進(jìn)入激光束所在區(qū)域時，將使激光發(fā)生散射;散射光在空間360°都有輻射，我們在適當(dāng)位置放置光電探測器，使之只接收散射光，然后經(jīng)過光電探測器的光電效應(yīng)產(chǎn)生電流信號，經(jīng)電路放大及處理后，即可得到細(xì)顆粒物濃度值。輸出信號一般為串口輸出。

　　二，價格與成本

　　紅外粉塵傳感器在業(yè)內(nèi)已成熟應(yīng)用多年，市場價格大約在35-50元，激光粉塵傳感器在市場價格在80-120元。
　　兩者的成本差距，主要是因為后者的物料成本中增加了激光發(fā)生器和風(fēng)機(jī)等機(jī)構(gòu)且需要復(fù)雜電路結(jié)構(gòu)，并有較高的技術(shù)門檻。

　　三，測量精度

　　紅外原理粉塵傳感器只能檢測到1um以上的顆粒，測量精度不足。因為紅外LED光散射的顆粒信號較弱，只對大于1um的大顆粒有響應(yīng)，而且又僅用加熱電阻來推動采樣氣流，采樣數(shù)較少，數(shù)據(jù)計算完全交由上位機(jī)進(jìn)行。

　　而激光粉塵傳感器可以檢測到0.3um以上的顆粒。因為自帶高性能CPU，采用風(fēng)扇或鼓風(fēng)機(jī)采集大量數(shù)據(jù)，經(jīng)由專業(yè)顆粒計數(shù)算法分析;綜上，在采樣數(shù)、數(shù)據(jù)源、算法三方面都比紅外粉塵傳感器更有優(yōu)勢。

　　四，應(yīng)用場合

　　由于精度不足，紅外原理傳感器主要用于工礦揚塵，檢測對象為大粒徑、高濃度粉塵，檢測級別是mg/m3，無法準(zhǔn)確測量PM2.5的濃度。

　　而激光原理傳感器主要應(yīng)用在PM2.5檢測領(lǐng)域，以精度量化PM2.5質(zhì)量。可嵌入到家用(車載、手持)空氣檢測儀、空氣凈化器中。此外，激光原理傳感器在物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、環(huán)境質(zhì)量檢測等領(lǐng)域亦有應(yīng)用。

　　五，發(fā)展趨勢

　　在激光粉塵傳感器進(jìn)入民用領(lǐng)域之前，空氣凈化器中大量采用了紅外粉塵傳感器。但隨著空氣凈化器行業(yè)的發(fā)展，加上一些大廠實現(xiàn)了激光粉塵傳感器的批量化生產(chǎn)，激光粉塵傳感器的造價在逐步降低，同時終端客戶對精準(zhǔn)測量空氣質(zhì)量的要求也越來越高。采用激光原理傳感器、精準(zhǔn)量化PM2.5質(zhì)量已是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的趨勢。

　　對于紅外粉塵傳感器認(rèn)識的幾個誤區(qū)：

　　對于空氣凈化器廠家來講，選擇合適的粉塵傳感器將是決定其中高端產(chǎn)品用戶體驗度的關(guān)鍵。目前市場上傳統(tǒng)的紅外粉塵式傳感器普遍存在“體積大”、“一致性差”、“精確度低”的問題，這很難以滿足中高端空氣凈化器產(chǎn)品對于數(shù)顯的基本需求。尤其是“響應(yīng)慢”和“一致性差”這兩個缺點，使得中高端空氣凈化器產(chǎn)品很難通過傳感器傳達(dá)其產(chǎn)品的優(yōu)異性能，也就很難形成差異化競爭優(yōu)勢。

　　很多空氣凈化器廠商甚至陷入了一個思維誤區(qū)，認(rèn)為紅外粉塵傳感器在原理上就存在“體積大”、“一致性差”、“精確度低”這些先天不足;而激光粉塵傳感器可以解決上述問題。其實，這樣的理解并不客觀，本文試從以上空氣凈化器廠商關(guān)注的幾個點，談一下紅外粉塵傳感器與激光粉塵傳感器的一些差異。

　　誤區(qū)一：關(guān)于壽命短的問題

　　空氣凈化器廠商在選擇粉塵傳感器時很看重產(chǎn)品的使用壽命。傳統(tǒng)的紅外粉塵傳感器經(jīng)過市場多年的驗證，其可靠性是被市場廣泛認(rèn)可的。通常認(rèn)為，在室溫、額定電流驅(qū)動下，紅外LED光衰50%的周期可以做到100,000小時以上;這主要得益于近年來紅外LED技術(shù)不斷成熟。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品精度，煒盛科技對于紅外LED壽命的追求近乎苛刻，除了降額設(shè)計、選料上乘外，每個傳感器產(chǎn)品出廠前都經(jīng)過長時間產(chǎn)品老化和考核篩選，以滿足50，000小時的設(shè)計壽命。 現(xiàn)有市面上激光LED的技術(shù)水平參差不齊。歐美大廠的技術(shù)相對先進(jìn);在額定驅(qū)動下，激光LED的壽命一般可以做到在6,000 至 20,000小時;但價格相對昂貴，適用于工業(yè)和汽車等高附加值領(lǐng)域。其他低價位產(chǎn)品，發(fā)射功率低、耗散功率高、溫升大，設(shè)計壽命很難得到有效保證。 因此，有關(guān)“紅外式粉塵傳感器的壽命不如激光式粉塵傳感器”的理解是一大誤區(qū)。

　　應(yīng)該說，在同樣工作條件下，紅外粉塵傳感器的壽命明顯優(yōu)于普通的激光式粉塵傳感器。這兩年紅外式粉塵傳感器市場的不斷成熟，從一個側(cè)面也印證了這一觀點。

　　誤區(qū)二：關(guān)于響應(yīng)速度慢的問題

　　除了產(chǎn)品壽命外，空氣凈化器廠商在選擇粉塵傳感器的時候也非常關(guān)心傳感器的響應(yīng)速度(也叫靈敏度)。市面上的有一些紅外粉塵傳感器采用半主動式進(jìn)風(fēng)方式(電阻加熱空氣，熱空氣上升原理)：進(jìn)風(fēng)效率低下，流量易受外界環(huán)境干擾，擺放方式受到嚴(yán)格限制。使得不少凈化器廠商深受其苦，甚至誤認(rèn)為紅外式的粉塵傳感器在響應(yīng)速度上存在先天不足，這其實是一大誤區(qū)。

　　事實上，粉塵傳感器的響應(yīng)速度主要受到進(jìn)氣道設(shè)計，接收器設(shè)計，濾波器設(shè)計等幾方面因素的制約;但與照射光源是紅外LED還是激光LED沒有直接關(guān)系。眾所周知，無論是激光還是紅外光，真空光速本身都在300，000 KM/S左右，因此，光源是否為激光不會影響傳感器的響應(yīng)速度。在進(jìn)氣良好的前提下，濾波器的設(shè)計直接決定傳感器的響應(yīng)速度。

　　誤區(qū)三：關(guān)于一致性的問題

　　盡管市場上紅外粉塵傳感器都宣傳自己的一致性可以控制在+/-20% 甚至更小的范圍內(nèi)，但細(xì)心的空氣凈化器產(chǎn)品研發(fā)人員在產(chǎn)品研發(fā)過程中一定會發(fā)現(xiàn)，無論自己如何努力優(yōu)化設(shè)計，甚至不惜增加軟、硬件成本，都無法做到廠家所宣稱的+/-20%，甚至連+/-50%都做不到。

　　在各大空氣凈化器展會上，很少有廠家會將自己同一機(jī)型產(chǎn)品進(jìn)行多臺成列，就是為了避免顯示差異性過大的尷尬場面。可以這樣認(rèn)為，粉塵傳感器的一致性問題是中高端凈化器數(shù)顯方案成功與否的關(guān)鍵。鑒于有些廠家的紅外粉塵傳感器在一致性上的糟糕表現(xiàn)，很多空氣凈化器廠家不禁提出這樣的疑問，“紅外粉塵傳感器是否在一致性上存在不可逾越的障礙”?

　　誤區(qū)四:關(guān)于精確度低的問題

　　前面我們談到產(chǎn)品一致性是產(chǎn)品之間個體差異的問題;除了相對偏差以外，傳感器測量值與環(huán)境真實值之間的絕對偏差，也是空氣凈化器廠商關(guān)心的參數(shù)。因此，有些廠商可能會有這樣的疑問，“激光粉塵傳感器的精度是否天生優(yōu)于紅外式傳感器”?

　　這是一個有趣的問題，在回答這個問題之前，我們先來了解一下激光式粉塵傳感器的基本組成及與紅外粉塵傳感器之間的差異。現(xiàn)有市場上常見的激光粉塵傳感器主要由發(fā)光部分(半導(dǎo)體激光LED)，接收部分(硅光電池或光電二極管)，放大電路，微處理器和一個風(fēng)扇組成。 半導(dǎo)體激光LED與紅外LED的差異主要體現(xiàn)在以下四個方面：發(fā)射功率低不同，波長較為集中(紅光650nm左右，藍(lán)光在490 nm左右)，光路方向性強(qiáng)以及高相干性。然而，高相干性對粉塵測量的精度幾乎沒有任何影響。而現(xiàn)有紅外LED的頭部均裝有光學(xué)透鏡，可以輕松實現(xiàn) +/-10度以下的發(fā)射角，鑒于光路長度一般不超過10mm左右，因而在紅外光束寬度變化不到2mm，可以說與激光LED沒有太大差異;考慮到可能存在的安裝誤差，進(jìn)一步減小發(fā)射角并沒有太大的實際意義。激光傳感器的接收部分實際多采用廣譜的光敏接收器(硅光電池500-1100nm，光電二極管400-1100nm);因此，激光LED發(fā)射波長較為集中的特性對粉塵測量的精度影響也基本可以忽略。最后，從發(fā)射功率來看，普通半導(dǎo)體激光LED要明顯低于同類的紅外LED。常用的TO18封裝的InGaAIP的紅色激光LED發(fā)射功率在5mW@30mA左右，而T-1封裝5mm的紅外LED發(fā)射功率可以達(dá)到50mW@30mA甚至更高。

　　總所周知，光源強(qiáng)度直接影響光電散射信號的強(qiáng)度，紅外LED的發(fā)射功率比普通半導(dǎo)體激光LED高一個量級就意味著更小的信號可以被更容易的分辨出來。此外，由于普通激光LED光電轉(zhuǎn)換效率低下，管芯的溫升成了影響光源穩(wěn)定性的新問題。

　　事實上，計量級臺式激光粒子計數(shù)器產(chǎn)品多采用氦氖激光器而非半導(dǎo)體激光器作為光源就是考慮到半導(dǎo)體激光器溫升過高的原因。而且，在一定條件下，隨著激光LED管芯溫度升高，其發(fā)射功率會下降，這使得耗散功率和管芯溫度進(jìn)一步升高，最終會導(dǎo)致管芯燒毀。因此，普通激光LED對其適用的溫度有嚴(yán)格的限制，一般不超過50℃;而紅外LED則沒有這方面的限制。

　　當(dāng)然，高發(fā)射功率(效率)的激光LED技術(shù)并非不可逾越，歐美的一些大廠已經(jīng)可以提供發(fā)射功率在100mW以上的5mm直徑的產(chǎn)品，但其價格遠(yuǎn)高于售價在千元以內(nèi)的量產(chǎn)傳感器可以承受的范圍，現(xiàn)階段主要用于工業(yè)和汽車領(lǐng)域。

　　我們相信，隨著技術(shù)不斷的發(fā)展，未來高功率的激光LED是有可能逐漸進(jìn)入普通粉塵傳感器領(lǐng)域的。 紅外粉塵傳感器在接收部分也與激光粉塵傳感器存在一定差異。為了避免環(huán)境光對接收器的影響，紅外粉塵傳感器多采用接收器加光學(xué)透鏡的組合。這樣設(shè)計雖然增加了一定的成本，卻在獲取良好的信號與削弱環(huán)境光影響之間取得一個很好的平衡，使得檢測精度進(jìn)一步提高。此外，紅外式粉塵傳感器由于采用波長在850nm附近紅外光源和接收器，可以進(jìn)一步削弱環(huán)境光對測量結(jié)果的影響。而紅(650nm)、藍(lán)(490nm)激光由于落在可見光譜的范圍內(nèi)，如果采樣通道設(shè)計不合理，則傳感器易受環(huán)境光干擾。 在放大電路方面和信號處理方面，紅外傳感器與激光式傳感器在基本原理大同小異，但在具體實現(xiàn)上各有側(cè)重。

　　最后，需要強(qiáng)調(diào)的是粉塵傳感器的精度還取決于其標(biāo)定方法。對于銷量少，單價高的儀表級激光粒子計數(shù)器而言，可以采用多組粒徑分布相對集中的氣溶膠來標(biāo)定各通道的數(shù)據(jù)。由于受成本的限制，粉塵傳感器的標(biāo)定均參照空氣凈化器行業(yè)國標(biāo)。由于香煙粉塵的粒徑主要分布于0.1um以上，粒徑分布范圍較廣。因此，要從一個“單一的、廣譜粒徑分布”的粉塵源上獲得準(zhǔn)確的多通道標(biāo)定數(shù)據(jù)是非常困難的;在規(guī)模生產(chǎn)中既不切實際、也沒有必要。 因為現(xiàn)有紅外粉塵傳感器的精度，已經(jīng)完全滿足、甚至超越中高端凈化器市場的需求了。通過以上的講述，我們相信不管是消費者還是空氣凈化器廠家都對“紅外粉塵傳感器和激光粉塵傳感器的優(yōu)劣”有了一定的客觀認(rèn)識。