烟雾传感器和空气质量传感器
一、烟雾传感器
烟雾探测器是一种感应烟雾的设备，将被测气体的浓度转换为与其成一定关系的电量输出的装置或器件，通常通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范，用于火灾防范和阻止禁区吸烟。
1：发展历程
20世纪30年代末，瑞士物理学家沃尔特·耶格试图发明一种毒气传感器。他期望进入传感器的气体与电离的空气分子结合，从而改变仪器电路中的电流。然而，他的装置并没有达到 它的目的，因为小浓度的气体没有影响传感器的导电性。沮丧的耶格点燃了一支烟，惊讶地发现仪器上的仪表显示电流下降了。与毒气不同，他的香烟中的烟雾颗粒能够改变电路的 电流。耶格尔的实验是为现代烟雾探测器铺平道路的发展之一。烟雾传感器维基百科
烟雾传感器可以使死于火灾的风险降低一半。根据美国消防协会的报告，2009-2013年间，在每100起火灾中，装有烟雾传感器的房屋有0.53人死亡，而没有烟雾传感器的房屋中则有1.18人死亡。经过近一个世纪发展，烟雾传感器变得种类繁多，同时在现代城市建设中变得越来越重要。
2：常见烟雾传感器工作原理介绍
（1）光敏型烟雾传感器
工作原理：烟雾颗粒进入传感器时，会吸收或散射光线，导致光线的强度发生变化，到达光敏元件上的光发生变化。光敏元件会根据光线的强度变化产生相应的电信号，通过电路处理和分析，最终转换为与烟雾浓度相关的输出信号。
（2）离子型烟雾传感器
工作原理：离子型烟雾传感器主要由内外两个电离室构成。外电离室（即检测室）有孔与外界相通，烟雾可以从该孔进入传感器内；内电离室（即补偿室）是密封的，烟雾不好进入。火灾发生时，烟雾粒子窜进外电离室，干扰了带电粒子的正常运行，使电流、电压有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，传感器就会产生感应而发出报警信号。
（3）共振频率型烟雾传感器
工作原理：共振频率型烟雾传感器有发射器（发射声波）和接收器（接收发送器发送的声波并将其转化为电信号），空气中存在烟雾颗粒会产生干扰，使得传感器接收到的声波信号发生变化，当传感器的发射器和接收器之间的共振频率与空气中的烟雾引起的干扰频率相匹，传感器会处于共振状态。传感器会检测接收到的声波信号的频率，并将其与预设的共振频率进行比较，果接收到的声波频率与共振频率不匹配，传感器会判断为有烟雾存在。
3：烟雾传感器的应用
烟雾传感器有多个常见应用场景，同时也是安全的重要保障
- 家庭安全：烟雾传感器通常被安装在住宅或公寓中，用于检测火灾或烟雾。当传感器检测到烟雾时，会触发警报系统并发送信号给相关部门或家庭成员，以便及时采取适当的措施。
- 商业建筑和办公室：烟雾传感器在商业建筑和办公室中也被广泛应用。发生火灾或烟雾，烟雾传感器会立即触发火警报警器，向员工发出警报，从而提醒人们撤离，并迅速通知相关机构以采取适当的措施。
- 工业和制造业：在工业和制造业领域，烟雾传感器被广泛用于监测生产过程中可能产生的烟尘或烟。这有助于保护工人的健康和安全，防止潜在的火灾和爆 车辆安全：烟雾传感器也可应用于车辆安全系统中。当传感器检测到车辆内部出现烟雾时，会立即触发警报系统，提醒驾驶员及时采取应对措施，以预防火灾或其他安全事故的发生。
- 智能家居系统：烟雾传感器可作为智能家居系统的一部分，实现自动化功能。例如，在智能家居系统中，如果烟雾传感器检测到烟雾，可以自动关闭家中的电器设备，打开门窗以增加通风，通过手机App远程通知用户。
市面上常见的烟雾传感器产品：
4：主要的烟雾传感器供应商
- KIDDEKIDDE：早期烟雾探测和灭火的先驱Walter Kidde创立，是世界上最大的消防安全产品制造商之一
- 美国环球技术公司（UTC）UTC: UTC旗下拥有多家知名烟雾传感器品牌，如Kidde、Edwards等，其产品广泛应用于消防系统、航空航天等行业。
- 汉威科技汉威科技：国内知名的气体传感器及仪表制造商、物联网解决方案提供商。
5:DigiKey器件参考
- 离子型烟雾传感器:RE46C122E16F
- 光敏型烟雾传感器:RE46C140S16TF
6：参考案例
MQ-2:
MQ-2型烟雾传感器基于化学反应的烟雾传感器，属于二氧化锡半导体气敏材料，属于表面离子式N型半导体。处于200~300摄氏度时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒收到烟雾的调至而变化，就会引起表面导电率的变化。利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信息，烟雾的浓度越大，导电率越大，输出电阻越低，则输出的模拟信号就越大。
MQ-2应用电路：MQ-2常用的电路有两种，一种使用采用比较器电路监控，另一种为ADC电路检测。
（1）：比较器电路
MQ-2的4脚输出随烟雾浓度变化的直流信号，被加到比较器U1A的2脚，Rp构成比较器的门槛电压。当烟雾浓度较高输出电压高于门槛电压时，比较器输出低电平（0v），此时LED亮报警；当浓度降低传感器的输出电压低于门槛电压时，比较器翻转输出高电平（Vcc），LED熄灭。调节Rp，可以调节比较器的门槛电压，从而调节报警输出的灵敏度。R1串入传感器的加热回路，可以保护加热丝免受冷上电时的冲击。
（2）：ADC转换电路
将电压信号转化为数字信号，进而转化为精确的烟雾浓度值。MQ-2传感器的4脚、6脚的电压为输出信号，Rs为传感器的本体电阻。其中若气体浓度上升，必导致Rs下降。而Rs的下降则会导致MQ-2的4脚、6脚对地输出的电压增大。所以气体浓度增大，其输出的电压也会增大，最终通过ADC0832转换后数值增大。
- 概述：使用PLC16F877A的一个ADC测量烟雾传感器的输出电压，LCD与PLC16F877A的PORTC连接。
- 电路参考图：
- 实物图：
- 概述：使用Arduino，基于GSM的带有SMS警报的烟雾探测器的项目
- 结构框图：
- 实物图：
二、空气质量传感器
空气质量传感器是一种测量空气的组成和质量的设备，主要用于检测和监测空气中的各种有害气体和颗粒物。空气质量传感器可以广泛应用于室内和室外的空气质量监测、工业环保、车载空气净化等领域。空气质量传感器的工作原理一般基于传感器和目标气体之间的物理或化学交互。
1：发展历程
19世纪到20世纪，煤矿里的金丝雀为有毒气体提供了提前预警。这些活生生的、移动的、手持的传感器通过检测高浓度的二氧化碳、一氧化碳和甲烷拯救了无数矿工的生命。这些小鸟在采矿安全中发挥了重要作用，并于20世纪80年代中期退出采矿业。1937 年 - 空气传感便携式设备发布，德拉格开发了第一根用于检测采矿业一氧化碳的便携式管。今天，Drager 管可检测 100 多种不同的气体。管子是装满化学试剂的玻璃小瓶，可对特定化学品或化学品家族发生反应。当检测到目标化学物质时，吸入管中的空气样本会改变管子的颜色。颜色变化的长度通常表示测量的浓度。1974 年 - 第一个用于连续传感的 PID，光电离检测器（PID）作为手持式仪器引入，用于检测挥发性有机化合物（VOC）的泄漏。早期的便携式PID于1974年首次推出，体积庞大，重量重（9磅），并具有单独的手持式探头和由肩带携带的控制器。如今，随着电子产品、电池和探测器的进步，这些设备现在体积小、便携，广泛用于工业卫生应用。随着人们对环境污染的关注增加，对空气质量监测的需求也逐渐增加。空气质量传感器简史
2：常见空气质量传感器工作原理介绍
（1）金属氧化物半导体式传感器
工作原理：金属氧化物半导体式传感器利用被测气体的吸附作用，改变半导体的电导率，通过电流变化的比较，激发报警电路。由于半导体式传感器测量时受环境影响较大，输出线形不稳定。金属氧化物半导体式传感器，因其反应十分灵敏，故目前广泛使用的领域为测量气体的微漏现象。
（2）化燃烧式传感器
工作原理：催化燃烧式传感器原理是目前最广泛使用的检测可燃气体的原理之一，具有输出信号线形好、指数可靠、价格便宜、无与其他非可燃气体的交叉干扰等特点。催化燃烧式传感器采用惠斯通电桥原理，感应电阻与环境中的可燃气体发生无焰燃烧，是温度使感应电阻的阻值发生变化，打破电桥平衡，使之输出稳定的电流信号，再经过后期电路的放大、稳定和处理最终显示可靠的数值。
（3）定电位电解式传感器
工作原理：定电位电解式传感器是目前测毒类现场最广泛使用的一种技术，在此方面国外技术领先，因此此类传感器大都依赖进口。定电位电解式气体传感器的结构：在一个塑料制成的筒状池体内，安装工作电极、对电极和参比电极，在电极之间充满电解液，由多孔四氟乙烯做成的隔膜，在顶部封装。前置放大器与传感器电极的连接，在电极之间施加了一定的电位，使传感器处于工作状态。气体与的电解质内的工作电极发生氧化或还原反应，在对电极发生还原或氧化反应，电极的平衡电位发生变化，变化值与气体浓度成正比。
（4）迦伐尼电池式氧气传感器
工作原理：迦伐尼电池式氧气传感器的结构：在塑料容器的一面装有对氧气透过性良好的、厚10-30μm的聚四氟乙烯透气膜，在其容器内侧紧粘着贵金属（铂、黄金、银等）阴电极，在容器的另一面内侧或容器的空余部分形成阳极（用铅、镉等离子化倾向大的金属）。用氢氧化钾。氧气在通过电解质时在阴阳极发生氧化还原反应，使阳极金属离子化，释放出电子，电流的大小与氧气的多少成正比，由于整个反应中阳极金属有消耗，所以传感器需要定期更换。
（5）红外式传感器
工作原理：红外式传感器利用各种元素对某个特定波长的吸收原理，具有抗中毒性好，反应灵敏，对大多数碳氢化合物都有反应。但结构复杂，成本高。
（6）PID光离子化气体传感器
工作原理：PID由紫外灯光源和离子室等主要部分构成，在离子室有正负电极，形成电场，待测气体在紫外灯的照射下，离子化，生成正负离子，在电极间形成电流，经放大输出信号。PID具有灵敏度高，无中毒问题，安全可靠等优点。
3：空气质量传感器的应用
- 城市网格化环境监测控：对空气质量进行实时监测和预警，提前发现环境污染的问题，采取相应措施防止环境污染。
- 智慧路灯：空气质量传感器可以在智慧路灯中发挥重要的作用，可以实时监测周围的空气质量情况，根据实际情况自动控制路灯的亮度和颜色，保障城市居民的健康和生活质量。
- 景区环境监测：可以实时监测景区内的空气质量情况，提前预警环境污染的问题，采取相应的措施保障游客的健康和安全。
- 工厂或矿场：监测有害气体、烟尘等污染物的浓度，以便及时采取措施进行治理，保障员工的健康和安全。
市面上常见的空气质量传感器产品：
4：主要的空气质量传感器供应商
- 慧闻科技慧闻科技：一家从事智能传感器研发、生产和销售，同时提供人工嗅觉与压感解决方案的国家级高新技术企业。
- 奥迪威奥迪威：从事智能传感器和执行器及相关应用的研究、设计、生产和销售的高新技术企业。
- 大连风华大连风华：专业从事传感器与自动化仪表产品的高科技企业。
5：DigiKey器件参考
6：参考案例
MQ-135:
MQ-135型空气质量传感器是一种金属氧化物半导体式，使用的气敏材料是在清洁空气中电导率比较低的二氧化锡（SnO2）。当传感器所处环境中存在污染气体时，传感器的电导率随空气中污染气体浓度的增加而最大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为该气体浓度相对应的输出信号。
- 概述：使用esp-room-32从空气质量传感器获取实时数据，并将其显示在ThingsBoard仪表板上，使用Thingsboard Arduino SDK。
- 结构框图：
- 实物图：
